基于PVSYST的建筑屋頂光伏設(shè)計(jì)評(píng)估研究

趙星竹，尹常永

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.國際教育學(xué)院，遼寧沈陽 110136）

在光伏產(chǎn)業(yè)中，除了技術(shù)研究外，光伏場地的開發(fā)利用也具有實(shí)際研究價(jià)值。在提高光伏發(fā)電技術(shù)水平的同時(shí)，增加光伏應(yīng)用場地，才有可能提升光伏發(fā)電所占比例，所以將光伏發(fā)電和建筑屋頂相結(jié)合的屋頂光伏項(xiàng)目備受關(guān)注。

1沈陽地區(qū)太陽能資源評(píng)估

光伏發(fā)電是利用光電效應(yīng)的光生電技術(shù)，光照強(qiáng)度等氣象因素可以直接影響光伏發(fā)電效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)發(fā)電量，所以需要在設(shè)計(jì)屋頂光伏之前，收集當(dāng)?shù)亟鼛啄陙淼臍庀髷?shù)據(jù)，用于評(píng)估項(xiàng)目所在地區(qū)的太陽能資源情況，下面以沈陽地區(qū)為例進(jìn)行太陽能資源評(píng)估。

沈陽地區(qū)海拔高度約為42 m，位于北緯41°46′與東經(jīng)123°26′之間，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，陰雨天氣較少。該地區(qū)氣象數(shù)據(jù)信息可在Retscreen中選擇，也可利用PVSYST從NASA數(shù)據(jù)庫中直接引入，如圖1所示。

圖1沈陽地區(qū)氣象數(shù)據(jù)

圖1顯示了平均每月的水平輻射量、漫反射量、溫度和風(fēng)速，其中沈陽地區(qū)全年總輻射量為1 343.6 kW·h/m2，漫反射輻射量為695.9 kW·h/m2，年平均溫度為8.6℃，年平均風(fēng)速為2.7 m/s。

根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》規(guī)定，按照表1中的等級(jí)進(jìn)行劃分，該地區(qū)屬于太陽能資源豐富帶。冬季太陽輻射量較低，3月至9月的太陽輻射量較為豐富，全年有7個(gè)月輻射量均高于120 kWm/㎡，具有一定的利用價(jià)值，適合于建筑屋頂進(jìn)行光伏設(shè)計(jì)。

表1 太陽能資源豐富程度劃分標(biāo)準(zhǔn) MJ·m-2

2陰影情況分析

屋頂光伏的陰影情況通常有兩種：一種是建筑屋頂附近建筑遮擋，另一種是光伏組件間遮擋。存在陰影遮擋會(huì)影響光伏項(xiàng)目所接收的太陽輻射量，從而影響發(fā)電效率和發(fā)電量。在光伏項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期需要通過陰影情況來確定屋頂可安裝面積和組件間的最小間距，以避免遮擋情況的發(fā)生。

如果光伏屋頂附近有建筑遮擋，可以結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽高度角，再利用PVSYST軟件分析周圍建筑遮擋情況。太陽高度角計(jì)算公式為

式中，φ為光伏系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)緯度；φ為地區(qū)緯度。

對(duì)于光伏組件間遮擋帶來的陰影問題，需要引用最小間距的概念，即設(shè)計(jì)組件間的距離能夠在冬至日上午9時(shí)至下午3時(shí)期間保證光伏組件間無遮擋情況，計(jì)算公式如下：

式中，α為太陽高度角；β為太陽方位角；ω為時(shí)角；δ為太陽赤緯角。

以沈陽地區(qū)建筑屋頂為例，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，保證在冬至日上午9時(shí)至下午3時(shí)光伏組件間無遮擋，可設(shè)定時(shí)角為45°；冬至?xí)r赤緯角減至最小值23°26′，設(shè)太陽赤緯角為23°26′，由公式可求太陽高度角為89.66°。將上述數(shù)據(jù)代入公式可求得該地區(qū)光伏組件最小間距為4.5 m。

使用PVSYST軟件驗(yàn)證最小間距條件是否成立。組件間距為4.5 m時(shí)，在上午9時(shí)至下午3時(shí)的時(shí)間區(qū)域內(nèi)表示遮擋的虛線與接受光照線不重合，說明組件間無遮擋，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

圖2不同時(shí)間組件相互陰影遮擋情況

3傾角設(shè)計(jì)與系統(tǒng)裝機(jī)容量估計(jì)

方陣傾角即光伏電池板接受太陽輻射平面與水平面夾角，從一定程度上決定了光伏板接受的光照輻射量。在一些光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往根據(jù)項(xiàng)目地區(qū)的全年受光照輻射情況，把當(dāng)?shù)氐貐^(qū)緯度適當(dāng)增加或降低3°～5°，而借助軟件進(jìn)行理論計(jì)算可以獲得更加精確的數(shù)據(jù)。通過使用PVSYST軟件，結(jié)合沈陽地區(qū)上述地理信息和氣象數(shù)據(jù)，確定方陣傾角為36°。

分析建筑屋頂?shù)墓夥砂惭b面積、組件間距以及組件參數(shù)與傾角大小，可以估算光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量，從而對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行模擬仿真。沈陽地區(qū)該項(xiàng)目建筑屋頂面積約為2 436 m2，周圍無高大建筑物遮擋，屋頂表面平坦，無管道安裝，適用于光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。屋頂有一高5 m的建筑，占地面積為50 m2，考慮到遮擋問題，屋頂實(shí)際可利用面積約為2 256 m2。所選擇的光伏電池板型號(hào)和基本參數(shù)如表2所示。

表2選取光伏電池板參數(shù)

結(jié)合屋頂實(shí)際遮擋情況、光伏組件間距和組件參數(shù)，將該建筑屋頂大致分為3個(gè)安裝區(qū)域，完成該項(xiàng)目建筑屋頂安裝分布如圖3所示。

圖3建筑屋頂光伏安裝分布

由圖3可知，光伏板3個(gè)區(qū)域的安裝情況分別為2排8個(gè)光伏板、3排18個(gè)光伏板、4排12個(gè)光伏板，估計(jì)其總裝機(jī)容量約為29.5 kWp。

4光伏系統(tǒng)發(fā)電量估計(jì)

基于PVSYST軟件，對(duì)該項(xiàng)目屋頂光伏進(jìn)行發(fā)電量仿真計(jì)算，已得到的評(píng)估數(shù)據(jù)信息如下：

沈陽地區(qū)建筑屋頂光伏裝機(jī)容量為29.5 kWp，方陣傾角為36°，光伏組件參數(shù)如表1所示，組件間距取4.5 m。

圖4表示的是上述數(shù)據(jù)在PVSYST中的設(shè)定。

圖4光伏組件固定傾角、組件間距與參數(shù)設(shè)定

經(jīng)PVSYST軟件模擬仿真得出的發(fā)電量結(jié)果如圖5和表3所示。

圖5項(xiàng)目光伏仿真結(jié)果

表3發(fā)電量與輻射量等相關(guān)數(shù)據(jù)

5結(jié)論

根據(jù)圖5和表3中的仿真結(jié)果，從太陽能資源利用角度來看，設(shè)計(jì)傾角為36°后，光伏板年接收輻射量與水平輻射量相比，由3.54 kW·h/(m2·d)上升為4.09 kW·h/(m2·d)，由太陽能資源豐富程度劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，相當(dāng)于太陽能豐富地區(qū)的水平輻射量，仿真結(jié)果說明該光伏項(xiàng)目提高了光照資源利用率。

從發(fā)電量的角度來看，軟件估計(jì)的年發(fā)電量為34.6 MW·h/a，3月到6月的發(fā)電量持高，冬季發(fā)電量較低，一年內(nèi)月發(fā)電量最高可達(dá)到3 679 kW·h，最低為1 939 kW·h。再結(jié)合圖5中的c圖，預(yù)計(jì)20 a內(nèi)可以回收成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，通過以上評(píng)估分析，確定了該光伏項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性，評(píng)估結(jié)果具有實(shí)際意義，為工程設(shè)計(jì)提供了參考。