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
析
摘要：现在国家对气候变化的关注度越来越高，风电光伏等低碳化、清洁化的能源将进一步取代传统能源，占比逐渐增加。

随着新能源技术的快速发展，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。

为更准确地反映项目的发电量及收益率情况，精准模拟风机阴影至关重要。

传统方法中，把风机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响。

关键词：风力发电；风机阴影；光伏发电；
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，提高项目收益率。

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软件对风机阴影进行了定量分析。

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风机阴影模拟及仿真
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
化为叶轮半径的圆盘。

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面积是
不合适的。

由于组串的电流受限于组串中电流最小的电池片，当组件中的一个电池片被
遮挡，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，是非常不经济的。

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，项目收益率更高。

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
参考文献
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