风机阴影仿真及对光伏电站遮挡影响分析

风机阴影仿真及对光伏电站遮挡影响分大规模的光伏电站并网运行越来越多，由此导致的土地紧缺的问题也越来越严重。现在越来越多的项目选择在已有风场内布置光伏组件。为更准确地反映项当作一个塔筒和叶轮圆盘的组合。但风机叶轮由于偏航系统的存在，会随着来风方向的不同，不断旋转方向。本报告结合风机叶轮随来风方向不断旋转的特点，利用测风塔测风风向玫瑰图，绘制风机阴影遮挡频率分布图，并选择分布频率在70%以上的高频区域作为风机阴影遮挡范围，研究对光伏组件的遮挡影我国风电和光伏均呈现出三北地区资源条件较好的趋势，随着平价时代的到来及土地资源越来越紧张，许多业主选择在风场内开发建设光伏电站。有研究指出，风力光伏发电站在同一个场区内建设，共用一套送出线路，出力的稳定性会有所提高。同时，风电和光伏在一个场区内，也可以节约土地，降低成本，风光同场建设，对光伏组件布置中风机阴影的模拟提出了更高的要求。风电机组并非一个简单的柱体，其在运行过程中的多变性使风机阴影模拟更加困难。现阶段，国内对风光同场风机阴影对光伏组件布置影响的研究较少。黄博文等在《基于ArcGIS风光互补项目中风机阴影研究》中利用ArcGIS软件模拟分析风光互补中风机阴影，对阴影进行定量计算，再反应到平面图上。王志光等在《一种分析风电场工程风机阴影影响的新方法》中采用FastSUN软件对风机阴通过对风机阴影的精确模拟，更好地获得光伏组件布置中的边界，降低风电机组对光伏组件阴影遮挡影响，提高项目发电量。在土地资源不足时，研究风机阴影对光伏组件出力影响，综合考虑项目容量、发电量、投资等因素，获得经济效益最高的实施方案，提高项目全过程的经济效益。1.1传统风机阴影仿真模型的不足叶片作为一个根部厚、顶端薄的杆状物体，最大宽度(弦长)在距离叶根9米处，其值为3700mm,叶尖的宽度仅为1m。且风机叶轮由于偏航系统的存在，会随着来风方向的不同，不断旋转方向。但是在我们计算阴影模型时，只是简单的将风机看作一个面向光伏场区的圆盘+塔筒，其阴影面积为213亩。但是，由于叶轮随来风方向360度旋转，若简单将叶轮作为一个面向光伏场区的圆盘，忽略了风机叶片在空间旋转时其他方向对光伏组件阴影遮挡的影响。若要完整的模拟风机的阴影，应把风机叶轮看作一个半径为叶片长度的球体，其阴影面积为280亩，比把叶轮当作圆盘，阴影面积增加了67亩。所以，若简单将叶轮作为一个面向光伏场区的圆盘，忽略了风机叶片在空间旋转时其他方向对光伏组件阴影遮挡的影响，由此仿真的风机阴影小于实际值。但把风机叶轮看作一个半径为叶片长度的球体，又过于保守，在光伏项目用地愈来愈紧张的情况下，不利于项目的前期推进。1.2精准化风机阴影建模为准确模拟风机的阴影，必须将叶轮随着来风方向不断旋转的特性考虑其中。结合风能玫瑰图，绘制风机阴影分布频率图。根据测风塔测风数据，0001#测风塔80m主导风向为S,频率为14.7%;次主导风向为SSW,频率为11.48%;主风能为NW,频率为27.4%;次风能为WNW,频率为16.46%。为更准确地模拟风电机组的阴影，做如下假设(1)本项目风机塔筒高度70m,底部直径4m,顶部直径3m。叶片长度50m,叶根处直径为3.7m,叶尖的宽度为1m。(2)风向玫瑰图是风能资源评估中常用的工具，用来表征某地风向的频率分布情况。风向玫瑰图一般采用16方向，即将所有方向分为16个扇区，每个扇区占22.5°。风向的方向由外部吹向内部，线段的长短表示该方向在所有方向中占比的高低。(3)风轮对准来风方向时，风轮的转动是连续的，为方便模拟建模，假设风轮在每个扇区对准扇区的中心点，在该方向内由于风轮一直在转动，将风轮简化将16方向阴影图形，结合不同16方向来风方向的频率，叠加获得风机阴影频率分布图。风机阴影占地面积约280亩，与把风机叶轮看作球体的阴影面积相同，大于把叶轮看作圆盘的阴影面积。但是从频率分布图上也可以看出，风机阴影边缘部分的频率较低，对组件遮挡的影响较小。在用地紧张的前提下，仅考虑频率超过70%部分对组件得阴影遮挡。2风机阴影遮挡对光伏发电量的影响为有效研究风电机组对光伏组件发电量的影响，在风机阴影范围(即冬至日上午9点至下午15点)内全部布置光伏组件，共布置646组2*14的光伏组件，组件功率为410Wp,阴影范围内容量为7.41608MWp。从组件上午9:00、中午12:00和下午15:00的阴影遮挡情况可以看出，塔筒的阴影随着时间动态变化，其对组件的遮挡不断移动，塔筒的阴影对组件发电量的影响是有限的。在用地如此紧张的情况下，如果因为风机塔筒的存在，在光伏设计中避让出如此大的挡，整个组串的电流都将受到影响。所以，在对遮挡物对光伏系统阴影遮挡时，不能简单地采用线性模式模拟倾斜面辐射量的变化，还应将由于组串局部遮挡对整个组串的影响考虑在内。在PVSyst中，采用组串模式可以考虑障碍物阴影遮挡对组件发电量的影响。分别对夏至日(6月22日)、春分(3月22日)和冬至日(12月22日)的模型进行仿真，得到不同日期由于风机遮挡导致的阴影损失，夏至日、春分和冬至日考虑电气组串模式，损失分别为0.4%、1.0%、2.1%。冬至日当天，风机的影子最长，其对光伏组件的发电量影响最大，其造成的损失为2.1%。春分和夏至日的损失仅为1%和0.4%,全年由于风机的遮挡导致的损失为1.0%。在项目用地如此紧张的情况下，如果仅为阴影遮挡部分1%的电量就放弃2.7MW的容量，为进一步确定在风机阴影遮挡范围内布置光伏组件的容量，对全场分为躲避风机阴影和不躲避风机阴影两种情况进行组件布置。不考虑风机阴影，全场布置9508组组件，全场容量109.15184MWp。若不躲避风机阴影，全场可以布置12927组，布置容量148.40196MWp。由于风机阴影导致减少的光伏组件容量为39.25012MWp,占全场容量的35.96%。由上节分析可知，在风机阴影影响范围内，全年由于风机的遮挡导致的发电量损失为1.0%。光伏组件在不考虑遮挡时年等效利用小时数为1480.78h,则在风机阴影范围内的光伏组件年均等效利用小时数1465.89h。对躲避阴影和不躲避阴影两种情况进行技术经济比选。经济比选结果发现，不躲避风机阴影，项目3结束语本文结合风能玫瑰图，绘制风机阴影频率分布图，精准模拟风机阴影。在用地紧张的前提下，仅考虑频率超过70%部分对组件得阴影遮挡。在风机阴影影响范围内，全年由于风机的遮挡导致的发电量损失为1.0%。不考虑风机阴影影响进行组件布置，项目收益率更高[1]付喆.昌图风力发电项目主要环境影响分析[J].气象与环境学报2006,22(5):46-49.[2