光伏电站眩光影响及阿特斯评估方法与建议

随着光伏装机量迈入“太瓦(TW)”时代，“光伏+”应用场景不断拓展，已经从普通的地面走向更丰富的应用环境，其中包括了如高速公路、机场等交通领域。由于机场或公路拥有较多的光伏可利用空间、开阔的地形和稳定的能源需求，逐渐成为光伏发展的一个重要应用场景。

虽然光伏在高速公路、机场等交通领域的应用可以显著地起到节能减排和提高经济效益的作用，但在光伏组件使用过程中，也有人对于光伏组件本身的结构特点产生的眩光效应存在担忧，因为在眩光效应的影响下，司机或飞行员可能会出现目视不清的情况，影响驾驶判断。

图左：公路组件眩光示意图^[1]；图右：飞机驾驶舱观察到的组件眩光^[2]

PART.1

组件眩光产生原理

眩光分为直接眩光和反射眩光，反射眩光是由于人体接收到强光在镜面或其他表面上产生的反射所引起的视觉不适、视力干扰或永久性损伤。反射分为镜面反射和漫反射，通常光滑的玻璃表面更容易发生镜面反射，反射光强度高且光束集中；而具有抗反射涂层或表面纹理的玻璃更容易发生漫反射，具有更大的反射光面积。以上两种情况都有可能导致产生眩光。

图：镜面反射和漫反射示意图^[1]

PART.2

眩光的危害性评估

眩光对人体的危害主要表现在永久性的视网膜损伤或暂时性的视力影响或干扰(如后像效应，即在视觉刺激停止后的形象感觉并不立刻消失，而是逐渐减弱)。Clifford Ho^[3]等人对眩光的危害系统划分为三个等级：绿色区域表示有较低的概率会产生后像效应，黄色区域表示有较高概率会产生后像效应，红色区域表示有较高概率会对人眼造成视网膜灼伤等永久性损伤。危害等级的划分主要由两个决定因素：单位时间视网膜接受眩光辐照度（纵轴）和眩光源的射入角（横轴，可通俗理解为眩光源的大小）。因此，单位时间视网膜接受眩光辐照度越高，或眩光源面积越大，对人眼的危害程度越高。由于光伏组件不会聚焦反射的太阳光，因此光伏组件的眩光通常不会造成视网膜的损伤。

图：眩光危害等级划分^[3]

PART.3

光伏眩光的评估与预防

（1）组件反射率

目前光伏组件多采用高透低铁玻璃，且表面涂覆减反射涂层，有利于增加光线透射比例，减小反射。并且组件电池晶硅表面均进行制绒和镀减反射膜处理，可进一步降低入射光的反射率。此外，研究表明，通过加深玻璃表面纹路处理可进一步降低玻璃反射率^[4]，但成本增加较高，且目前特殊需求较少，难以实现大批量推广。

图：不同表面处理玻璃反射率随入射角的变化^[4]

组件反射率一方面取决于组件本身材料反射率水平，另外更大程度上取决于太阳光入射角（即组件平面法线与太阳光线的夹角）大小。随着入射角的增加，反射率快速增大。

阿特斯一直致力于光伏组件光学性能的研究，并与多个专业测试实验室合作，对使用的各种组件玻璃进行全方面的测试。到目前为止，阿特斯主要的组件反射率数据均已经由在眩光研究领域具有公认权威性的美国桑迪亚国家实验室进行了测试和验证。经测量，使用减反射增透涂层玻璃的组件在60°入射角下的反射率仅为4%左右。

图：阿特斯光伏组件反射率测试结果（图中绿色区域）

（2）眩光评估应结合具体的项目，综合考虑光伏电站面积、朝向、环境条件、与观测点的距离及观测角度等诸多因素，对光伏电站进行适当的选址和设计，这是减轻眩光影响的最直接有效方法。

阿特斯拥有在多个机场或机场附近安装大型光伏电站的经验，在过去的几年里，通过与知名实验室的合作研究，持续致力于光伏组件眩光的研究和分析，包括开发与光伏电站设计密切相关的内部眩光风险评估能力。

以下为阿特斯对光伏电站项目眩光风险评估流程：

①项目信息输入，包括阵列位置、方位、安装方式、当地气象历史数据、潜在观测点和附近机场/公路信息等，以便进行准确的光学计算和眩光评估。

②通过气象数据软件如Meteonorm计算得到光伏电站位置全年的太阳路径图，由于组件倾角和方位角已知，通过确定太阳高度可以计算太阳光线入射角，进而确定反射光线的方向。

③直接法向辐照度(DNI)和组件反射率输入，用以评估可能造成人眼并造成眩光危害的辐照量。

④确定公路潜在观测点，并根据不同情况设置不同观测高度(如小汽车1.1m，SUV 1.8m，半挂牵引车2.3m等)，用以评估沿公路行驶的司机是否可能受到组件眩光的影响。

⑤根据飞行员实际起飞/降落的角度和航行路线确定飞行员起飞/降落/航行潜在观测点的位置和高度，用以评估起飞/降落/航行过程中飞行员可能受到眩光影响的风险。

（3）项目案例

根据客户要求，阿特斯对澳大利亚堪培拉国际机场附近某光伏项目进行了眩光风险评估。该项目位于堪培拉国际机场以南，距离机场10.75km，临近Monaro公路。项目选用阿特斯CS6P系列组件，单轴跟踪系统。根据机场提供的交通信息，大多数飞机将从面向光伏场区的17号跑道起飞，飞机到达光伏场区位置时飞行高度约为1524米。如下图所示：

通过气象数据软件得到该电站位置全年的太阳路径图，计算太阳入射角和反射角方向分布。并通过气象数据平台或机场气象观测站获取峰值DNI数据，连同组件倾角以及经桑迪亚国家实验室验证的组件反射率等信息输入眩光计算软件，用于评估可能进入人眼并造成眩光危害影响的辐照量。

在地图上标定沿公路潜在观测点和飞行员起飞/降落/航行潜在观测点并进行评估。在实际航行情况下，飞行员在驾驶舱内的视野是有限的，因为来自下方的光束会被机身屏蔽。根据FAA（美国联邦航空局）的指导方针，使用SGHAT软件评估时，建议将水平向下30°的视角作为默认值。下图分别展示了该项目评估的公路及机场/航线潜在观测点位置：

评估结果：

（1）由于光伏阵列设计，反射光角度向上，沿公路设置潜在观测点未发现眩光效应影响；

（2）分别评估沿17号跑道设置的2条起飞/降落路径观测点均未发现眩光效应影响；

（3）考虑到向下30°的飞行员视野设置的航行中潜在观测点，结合飞机飞行高度进行评估，未发现眩光效应影响。

经过模拟评估，该项目不会对沿途公路及附近机场交通安全产生眩光影响。

在“双碳”目标的推动下，以光伏为代表的清洁能源将成为绿色交通建设的重要选择。光伏组件通过采用抗反射镀膜玻璃，相比传统建筑玻璃，具有更低的反射率，可有效降低眩光效应影响。当项目建设前期出于安全考虑等要求，建议结合具体的项目，对光伏电站进行眩光分析，来决定最终的选址和设计。

参考文献及网站：

[1] 图片来源：ForgeSolar网站(https://www.forgesolar.com)

[2] Ho, C. K., April 2013, "Relieving a Glaring Problem",Solar Today Magazine

[3] Ho, C. K., Ghanbari, C. M., and Diver, R. B., 2011, "Methodology to Assess Potential Glint and Glare Hazards From Concentrating Solar Power Plants: Analytical Models and Experimental Validation", ASME J. Sol. Energy Eng., 133.

[4] Yellowhair, J. and C.K. Ho. "Assessment of Photovoltaic Surface Texturing on Transmittance Effects and Glint/Glare Impacts". ASME 2015 9th International Conference on Energy Sustainability collocated with the ASME 2015 Power Conference, the ASME 2015 13th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology, and the ASME 2015 Nuclear Forum. 2015. American Society of Mechanical Engineers.