屋頂光伏項(xiàng)目安裝傾角的選擇

勞大實(shí)

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089)

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

分布式光伏電站通常是指利用分散式資源，裝機(jī)規(guī)模較小的、布置在用戶附近的發(fā)電系統(tǒng)，一般接入低于35kV或更低電壓等級(jí)的電網(wǎng)，其采用光伏組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能。目前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏電站系統(tǒng)是建在建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項(xiàng)目。該類項(xiàng)目通常就近接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的用戶供電。與傳統(tǒng)的集中式光伏發(fā)電相比，分布式光伏電站具有線路傳輸損耗小、占地面積小和運(yùn)行靈活等優(yōu)勢(shì)。

2 分布式光伏電站設(shè)計(jì)分析

由于建筑屋頂空間條件十分有限，光伏組件采用不同安裝傾角時(shí)，受組件遮擋影響，系統(tǒng)安裝容量有明顯區(qū)別，同時(shí)其發(fā)電效率也隨之變化。因此，分布式光伏電站的建設(shè)成本、項(xiàng)目收益與光伏組件安裝傾角具有直接關(guān)系。分布式光伏電站的初步設(shè)計(jì)方法見(jiàn)圖1。

圖1 分布式光伏電站初步設(shè)計(jì)方法

下面根據(jù)某一個(gè)具體的分布式光伏電站，不同傾角的設(shè)計(jì)方案來(lái)分析說(shuō)明組件安裝傾角與項(xiàng)目發(fā)電量及收益的關(guān)系。

3 光伏電站基本條件

本項(xiàng)目辦公樓所處位置為北京市通州區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，多年平均總輻射為 5 049MJ/m2。根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)接近II 類“很豐富帶”，適合開(kāi)展光伏電站的建設(shè)。當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源情況如表1。

北京氣象站實(shí)測(cè)年的總輻射日變化見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，總輻射呈現(xiàn)出明顯的日變化趨勢(shì)，從6:00(北京時(shí)間)開(kāi)始出現(xiàn)一定強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射，在中午13:00 的時(shí)候太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值，而后開(kāi)始逐漸的減弱。一天中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的時(shí)段主要集中在中午前后的10:00～15:00。

當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源情況 表1

圖2 北京氣象站實(shí)測(cè)年的總輻射日變化

本項(xiàng)目為辦公樓，總建筑面積約3萬(wàn)m2，地上8層，地下2層，建筑總高度38m。項(xiàng)目屋頂建筑形式為平屋頂，屋頂面積2 500m2。光伏系統(tǒng)采用單晶295Wp電池組件，發(fā)電并網(wǎng)，自發(fā)自用，安裝單位平均電價(jià)：0.94元/kWh。

4 組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算

光伏組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算，按照GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中組串計(jì)算公式：

(1)

式中，Vdcmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V；Vmppt min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Vmppt max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Voc為光伏組件開(kāi)路電壓，V；Vpm為光伏組件工作電壓，V；Kv為光伏組件開(kāi)路電壓溫度系數(shù)；K′v為光伏組件工作電壓溫度系數(shù)；t′為光伏組件工作條件下的極限最高溫度，℃；t為光伏組件工作條件下的極限最低溫度，℃；N為光伏組件串聯(lián)數(shù)(N取整)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算該項(xiàng)目組件串聯(lián)數(shù)為20，選擇N=20。

5 最佳傾角計(jì)算

固定式光伏方陣在某一傾角下傾斜面所接收到的年總輻射量最大，則稱該傾角為最佳傾角。最佳傾角的計(jì)算方法有好多種，可以通過(guò)多種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合考慮后最終確定，目前較為常用的是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦值或軟件仿真結(jié)果。GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了北京地區(qū)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最佳傾角參考值為32.8°。通過(guò)PVsyst 光伏設(shè)計(jì)軟件的仿真后得出當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角為33°?？梢钥闯鰞烧呦嗖畈淮螅C合考慮后，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中選定最佳傾角為33°。

6 組件安裝間距計(jì)算

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般需要分前后多排安裝光伏組件。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，固定式支架南北間距確定原則為：一年中冬至日太陽(yáng)高度角最低，方陣間距D應(yīng)大于冬至日真太陽(yáng)時(shí)上午9:00 和下午3:00時(shí)的陰影的最大長(zhǎng)度，保證在該時(shí)段不發(fā)生陰影遮擋，則光伏陣列一年之中太陽(yáng)能輻射較佳利用范圍內(nèi)就不會(huì)發(fā)生陰影遮擋。計(jì)算最小間距的原理圖如圖3。

圖3 計(jì)算組件支架最小間距的原理圖

圖3中，L為光伏板斜面長(zhǎng)度；D為兩排支架之間距離；β為方陣傾角；αs為太陽(yáng)高度角；γs為太陽(yáng)方位角。光伏方陣陣列間距或可能遮擋物與方陣底邊垂直距離應(yīng)不小于D，其中方陣間距D的計(jì)算公式為：

D=Lcosβ+Lsinβ(cosωtanψ-tanδ)/

(tanδtanψ+cosω)

(2)

式中，L為組件斜面長(zhǎng)度；D為兩排方陣之間的距離；β為方陣傾角；ψ為緯度，場(chǎng)區(qū)中心緯度36.73°；δ為太陽(yáng)赤緯，冬至日δ=-23.45°；ω為時(shí)角，9:00和15:00對(duì)應(yīng)的ω分別為45°和-45°。

組件采用雙排布置，通過(guò)上述公式計(jì)算得出不同安裝傾角的組件陰影長(zhǎng)度。

7 裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)

掌握了最佳傾角的概念及組件安裝間距的計(jì)算方法后，就可以開(kāi)展下一步工作了。為了分析不同傾角下光伏系統(tǒng)安裝容量及發(fā)電量，按照從平鋪安裝到最佳傾角(33°)的順序，分別計(jì)算各自的安裝容量及發(fā)電量情況，考慮到組件檢修空間及運(yùn)維清洗的需要，不選擇0°傾角的方案，因此計(jì)算傾角從5°開(kāi)始，按照每增加5°傾角為一檔，分別計(jì)算組件安裝傾角為：5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°和最佳傾角33°等八種情況。

通過(guò)組件排布設(shè)計(jì)后，可以統(tǒng)計(jì)出組件在不同安裝傾角情況下的裝機(jī)容量如表2。

不同傾角裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)表 表2

8 發(fā)電量計(jì)算

確定了系統(tǒng)安裝容量后，就要對(duì)發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算。光伏電站的年發(fā)電量會(huì)隨著組件設(shè)備的老化而逐年遞減，通常光伏系統(tǒng)壽命按25年計(jì)算，因此計(jì)算發(fā)電量應(yīng)按照25年全壽命期進(jìn)行逐年計(jì)算。年發(fā)電量的統(tǒng)計(jì)不僅要考慮裝機(jī)容量，還要考慮安裝地點(diǎn)的峰值日照時(shí)數(shù)、組件衰減，系統(tǒng)效率和遮擋等因素。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，本文按照不同傾角下25年平均發(fā)電量進(jìn)行分析。

根據(jù)PVSyst 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件得出不同傾角下25年光伏電站的年均發(fā)電量如表3。

不同傾角25年年均發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表 表3

9 效益分析

光伏電站的建設(shè)成本包括組件和其他電氣設(shè)備的成本，一般電站建設(shè)成本在5～8 元/W，本文按照6 元/W的建設(shè)成本考慮。通過(guò)計(jì)算，得出不同傾角下的項(xiàng)目建設(shè)成本、總收益和度電成本，見(jiàn)表4。

不同傾角建設(shè)成本、總收益和度電成本 表4

通過(guò)表4 可以得出以下結(jié)論。

(1)組件安裝在最佳傾角的情況下，可以得到最高的發(fā)電效率，同時(shí)其度電成本最低，單位投入資金可以實(shí)現(xiàn)收益最大化；但此時(shí)安裝容量較小。

(2)組件安裝的傾角越小，前一排組件給后一排組件造成的遮擋越小，相同面積安裝的組件越多，同時(shí)發(fā)電量也隨之上升，其中采用10 °傾角時(shí)，其總發(fā)電量最多，凈收益最大。當(dāng)然，組件的安裝角度也不能太小，因?yàn)橐紤]到檢修通道以及組件清洗時(shí)水需要流下的情況，故組件上面的積雪下落也要求傾斜角不能太小。

(3)在屋頂面積有限的情況下，為了充分利用有限的資源條件，光伏發(fā)電系統(tǒng)并非簡(jiǎn)單的按照最佳傾角安裝即可，而是應(yīng)該具體分析不同傾角安裝條件下的裝機(jī)容量及發(fā)電量，從而得到最合理的裝機(jī)方案。

10 結(jié)束語(yǔ)