某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計探討

戴 軍 宋占強

(1.山西大學電力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計探討

戴 軍1宋占強2

(1.山西大學電力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

分析研究了太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計標準、設(shè)計特點及設(shè)計方法，結(jié)合某體育館屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)項目的實際案例，闡述了屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)光伏組件、逆變器的選擇；光伏陣列方位角、傾斜角、安裝間距對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，為今后的類似設(shè)計提供參考依據(jù)。

太陽能，分布式光伏系統(tǒng)，最佳傾角，并網(wǎng)逆變器

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 背景及現(xiàn)狀

隨著城市化率的提高，建筑領(lǐng)域的能耗和排放均會快速增長，建設(shè)終端能耗會占到全社會總能耗的40%左右。國務(wù)院《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中明確提出，到2015年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2010年下降16%。完成這一目標，建筑領(lǐng)域節(jié)能減排舉足輕重。近幾年，國家高度重視可再生能源的推廣，提出2020年非化石能源占一次能源消費比例達到15%的戰(zhàn)略目標。在可再生能源中，太陽能是一種安全清潔、普遍廣泛和具有潛力的替代能源。通過光伏電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的光伏技術(shù)，是開發(fā)和利用太陽能的最靈活、最方便的方式。

1.2 分類與應(yīng)用

光伏系統(tǒng)可分為獨立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩大類。獨立型光伏系統(tǒng)是通過光伏電池將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換成電能，并通過控制器把產(chǎn)生的電能存儲于蓄電池中。當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理地分配到各個負載上；并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)變成電能后，經(jīng)直流配線箱接入并網(wǎng)逆變器，經(jīng)逆變器輸出交流電供負載使用，多余的電能通過電力變壓器等設(shè)備饋入公共電網(wǎng)。

光伏系統(tǒng)還可分為集中式光伏系統(tǒng)和分布式光伏系統(tǒng)。

分布式光伏系統(tǒng)，主要是安裝在建筑物上的光伏系統(tǒng)，簡稱“建筑光伏系統(tǒng)”即“BMPV”。主要有兩種形式：

1)BAPV：附著在建筑物上的太陽能光伏系統(tǒng)，也稱為“安裝型”太陽能建筑光伏系統(tǒng)。它的主要功能是發(fā)電，與建筑物功能不發(fā)生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能。

2)BIPV：與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝并與建筑物形成良好結(jié)合的太陽能光伏系統(tǒng)，也稱為“構(gòu)建型”和“建材型”太陽能建筑光伏系統(tǒng)。它作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能，與建筑物形成良好的統(tǒng)一體。

2 某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 工程概述

位于山西省太原市的某體育館建筑，市中心地理坐標東經(jīng)112°33′，北緯37°54′。體育館占地面積：26 718.94 m2，總建筑面積：17 022.28 m2，建筑高度：23.223 m。屋頂面積較大，開闊平坦，建筑構(gòu)件較少?？捎糜诠夥l(fā)電的總面積約6 700 m2。

2.2 當?shù)靥柲苜Y源和氣象數(shù)據(jù)

山西省太原市所處的北半球中緯度地理位置和山西高原的地理環(huán)境，使之能夠接受較強的太陽輻射，光能熱量比較豐富。年太陽輻射總量為5 442.8 MJ/m2～5 652.18 MJ/m2。4月～8月太陽輻射總量占年太陽輻射總量的65%左右，其中5月是各月總輻射量最大月份，為666 MJ/m2；11月～12月太陽輻射總量僅占全年總量的21%，而一般12月是各月總輻射量最少月份，僅250 MJ/m2。

太原市年日照總時數(shù)為2 360 h～2 796 h。5月份日照時間最多，約占全年日照數(shù)的10.5%；2月份日照時數(shù)最少，約占全年日照時數(shù)的6.8%。日照百分率地理分布為南部少于北部，盆地少于山區(qū)。平均峰值日照時數(shù)h=4.83 h，太陽高度角αS=15.57°。

2.3 光伏系統(tǒng)的設(shè)計

1)光伏系統(tǒng)形式。該光伏系統(tǒng)安裝容量較小，可就地消納，為降低造價和運營費用，采用0.4 kV并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)。

2)光伏組件的選擇。光伏組件應(yīng)根據(jù)類型、峰值功率、轉(zhuǎn)換效率、溫度系數(shù)、組件尺寸和重量、功率輻照度特性等技術(shù)條件進行選擇，并應(yīng)按太陽輻照度、工作溫度等使用環(huán)境條件進行性能參數(shù)校驗。太陽輻射量較高、直射分量較大的地區(qū)宜選用晶體硅光伏組件或聚光光伏組件；太陽輻射量較低、散射分量較大、環(huán)境溫度較高的地區(qū)宜選用薄膜光伏組件。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，選用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)高效的250 Wp多晶硅組件，組件參數(shù)見表1。

表1 組件參數(shù)表

3)光伏組件的方位角和傾斜角。

a.光伏組件的方位角。光伏組件的方位角是組件的垂直面與正南方的夾角，向東設(shè)為負，向西設(shè)為正。通常方位角為0°時，發(fā)電量最大，因此根據(jù)場地條件，光伏組件的方位為正南，方位角為0°。

b.光伏組件的傾斜角與陣列之間距離。光伏方陣采用固定式布置時，最佳傾角應(yīng)結(jié)合當?shù)氐亩嗄暝缕骄椪斩?、直射分量輻照度、散射分量輻照度、風速、雨水、積雪等氣候條件進行設(shè)計，對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，傾角宜使光伏方陣的傾斜面上受到的全年輻照量最大。

參考美國國家航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)庫，通過對NASA提供的太原市2008年—2012年太能輻射數(shù)據(jù)的分析可以得出以下結(jié)論：

第一，光伏方陣固定安裝傾角為37°～38°，全年輻射量最大；光伏方陣單軸追蹤安裝傾角為39°，全年輻射量最大。

第二，太陽水平方向總輻射量逐月來看，最大值出現(xiàn)在4月～6月，最小值出現(xiàn)在11月～12月。太陽輻射月際變化明顯，其變化規(guī)律與太陽高度角變化規(guī)律基本一致。

第三，光伏方陣按一定傾角安裝，月輻照量最大值、最小值出現(xiàn)的月份前后有差異。

第四，光伏方陣按一定傾角固定安裝，年總輻照量增加約15%～20%；光伏方陣單軸追蹤年總輻射量增加約50%～60%；月總輻射量冬季增大幅度較大。

第五，光伏方陣加裝追蹤裝置，可以增加輻射量，但投資增大，后期維護復雜。

在北半球，對應(yīng)最大日照輻射接收量的平面為朝向正南面，方陣傾角確定后，南北向方陣間要留出合理的間距，避免出現(xiàn)陰影遮擋。前后間距為：冬至日(一年當中物體在太陽下陰影長度最長的一天)9：00 ～15：00時，組件之間南北方向無陰影遮擋。

根據(jù)公式：

D=Lcosβ+Lsinβ[(0.707tanφ+0.433 8)/(0.707-0.433 8 tanφ)]。

其中，φ為當?shù)鼐暥?在北半球為正，南半球為負)，(°)；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯-23.45°；ω為時角，上午9：00的時角為45°；β為陣列傾角，(°)；D為兩排陣列之間距離，m；L為陣列傾斜面長度，m。

太原φ=37.8°，αS=15.57°，D=L(cosβ+2.651sinβ)；當陣列傾角β=31°～38°時，兩排陣列之間距離見表2。

表2 不同陣列傾角下兩排陣列之間的距離

當陣列傾角加大時，光伏陣列的間距會增大，給定面積內(nèi)的光伏組件數(shù)量就會減小，因此要得到年最大發(fā)電量，要綜合考慮光伏方陣的傾斜面上全年輻射量最大和光伏組件安裝數(shù)量的關(guān)系。

通過RETScreen軟件優(yōu)化，最終確定系統(tǒng)配置：光伏組件固定安裝，安裝傾斜角32°，兩排陣列之間距離光伏組件長向為1.8 m，短向為2.23 m。

4)光伏組件的安裝功率。結(jié)合體育場屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，屋頂?shù)拿娣e，計算得出光伏組件安裝數(shù)量1 600塊。安裝總功率為400 kWp。

5)并網(wǎng)逆變器。逆變器要遵循高可靠、高效率、寬范圍、高質(zhì)量、高性價比的原則，按形式、容量、相數(shù)、頻率、冷卻方式、功率因數(shù)、過載能力、溫升、效率、輸入輸出電壓、最大功率點跟蹤(MPPT)，保護和監(jiān)測功能、通信接口、防護等級等技術(shù)條件進行選擇。還應(yīng)按環(huán)境溫度、相對濕度、海拔高度、地震烈度、污穢等級等使用環(huán)境條件進行校驗。

并網(wǎng)逆變器的總額定容量應(yīng)根據(jù)光伏系統(tǒng)裝機容量確定。其允許的最大直流輸入功率應(yīng)不小于其對應(yīng)的光伏方陣的實際最大直流輸出功率，同時考慮到逆變器負荷率低會使系統(tǒng)效率降低，價格隨容量上升，且當日射強度接近最大值時，光伏電池溫度上升，出力下降，逆變器效率隨之下降，因此，逆變器容量選擇盡量接近太陽電池板的容量，無需太大。

6)光伏組件串。在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)高效的250 Wp多晶硅光伏組件，計算組件串聯(lián)數(shù)量時，必須根據(jù)組件的工作電壓和逆變器直流輸入電壓范圍，同時需要考慮組件的開路電壓溫度系數(shù)，根據(jù)并網(wǎng)逆變器性能參數(shù)，最高電壓為880 V，最大MPPT電壓為820 V，最小MPPT電壓為450 V，如多晶硅組件的開路電壓為38.4 V，峰值工作電壓為30.4 V，組件開路電壓溫度系數(shù)為-0.34%/℃。根據(jù)計算，組件串聯(lián)數(shù)在20～22比較合適。

為了保證發(fā)電效率和方陣的合理排列，采用20件組件為1個組件串。組件并聯(lián)方式設(shè)計方面，是根據(jù)組件峰值工作電流大小以及逆變器最大允許輸入電流，直流匯流箱采用10路匯1路，即10串組件為一并。

7)發(fā)電量估算。太陽能組件方陣年發(fā)電量：

EP=KHA(PAS/ES)=365KPASh=365×0.78×1 600×0.25×4.83=550 040 kWh。

其中，HA為水平面太陽能總輻照量,kWh/m2(峰值小時數(shù))；EP為上網(wǎng)發(fā)電量，kWh；ES為標準條件下的輻照度，常數(shù)=1 kWh/m2；PAS為組件安裝容量，kWp；K為綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)K由下列系數(shù)相乘而得：

組件類型修正系數(shù)是光伏組件的轉(zhuǎn)換效率在不同輻照度、不同波長時，該修正系數(shù)應(yīng)根據(jù)組件類型和廠家參數(shù)確定，晶體硅電池取1.0；光伏方陣的傾角、方位角的修正系數(shù)97.0%；光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率η取98.0%；光照利用率取1.0；逆變器效率取97.0%；系統(tǒng)線路損耗99.0%；光伏組件表面污染修正系數(shù)取95.0%；光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)90.0%；則綜合效率系數(shù)K=0.78。

25年運營期內(nèi)的發(fā)電量，考慮光伏組件運行10年后效率開始逐步下降，發(fā)電量也隨之下降，見表3。

表3 25年運營期內(nèi)的發(fā)電量

8)防雷與接地系統(tǒng)。設(shè)置屋頂光伏系統(tǒng)的建筑應(yīng)采取防雷措施，建筑物的防雷等級分類及防雷措施按GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。屋頂設(shè)置光伏系統(tǒng)的建筑由于屋頂金屬構(gòu)件較多，雷擊損失較大，年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算時，校正系數(shù)可按1.7～2.0選取。

光伏組件需采取嚴格措施防直擊雷和雷擊電磁脈沖，防止建筑光伏系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)遭到破壞。防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的措施按GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，光伏接線箱內(nèi)裝設(shè)SPD。

光伏陣列的支架、緊固件等正常時不帶電金屬材料要采取防雷措施和等電位聯(lián)結(jié)措施。安裝在建筑屋面的光伏組件，采用金屬固定構(gòu)件時，每排(列)金屬構(gòu)件均可靠聯(lián)結(jié)，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于兩點可靠聯(lián)結(jié)；采用非金屬固定構(gòu)件時，不在屋頂避雷裝置保護范圍之內(nèi)的光伏組件，需單獨加裝避雷裝置。

2.4 系統(tǒng)的能效分析

建成后，按照火電機組平均供電標準煤耗326 g/(kWh)計算，每年可節(jié)約標煤見表4，節(jié)能效益和環(huán)境效益十分顯著。

表4 節(jié)能效益和環(huán)境效益

3 結(jié)論與展望

分布式光伏系統(tǒng)建在建筑物屋頂上，具有容量小、電壓等級低、接近負荷、對電網(wǎng)影響??；輸配電成本低，不需要對電網(wǎng)進行改造，可直接用于建筑本身用能需求，有效減少大量的輸變電損失；還可在迎峰度夏階段較好地起到削峰作用，減少高峰電力需求；同時有效地利用建筑屋頂和幕墻，減少土地利用，光伏構(gòu)件與建筑一體化安裝，具備建筑功能，并可改善建筑遮陽、隔熱性能。因此分布式光伏系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。推動太陽能光伏建筑應(yīng)用是促進建筑節(jié)能的重要內(nèi)容，對緩解城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域能耗需求，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

[1] 李定安，呂全亞.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：13-16.

[2] 李現(xiàn)輝，郝 斌.太陽能光伏建筑一體化工程設(shè)計與案例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：36-40.

[3] 周志敏，紀愛華.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 楊洪興，周 偉.太陽能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[5] 李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6] 肖 瀟，李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)能，2010(2)：12-18.

Discussion on the design of a sports center roof photovoltaic system

Dai Jun1Song Zhanqiang2

(1.ElectricPowerDepartment,ShanxiUniversity,Taiyuan030013,China; 2.ShanxiArchitecturalandDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper analyzed and researched the design standards, design features and design methods of solar photovoltaic system, combining with the actual case of grid connected photovoltaic system project of a gymnasium roof, elaborated the influence of photovoltaic component, inverter selection, photovoltaic array azimuth, inclination angle, installation distance of roof grid connected photovoltaic system to photovoltaic power generation system, provided reference for future similar design.

solar energy, distribution photovoltaic system, best inclination angle, grid connected inverter

2015-03-22

戴 軍(1969- )，女，高級工程師； 宋占強(1984- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)16-0121-03

TU113

A