基于PVsyst的某地區(qū)火車站BIPV系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 超，李光金，王 琦，孔志偉

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引 言

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑數(shù)量逐年遞增，建筑高能耗問(wèn)題也日益突顯。為降低建筑能耗，兼顧建筑物照明及其他功能需求，可在建筑物表面敷設(shè)太陽(yáng)能光電板以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)[1]。光伏建筑一體化（BIPV）作為現(xiàn)代建筑與光伏系統(tǒng)完美結(jié)合的新技術(shù)，正逐步成為光伏應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]，也是廣泛推廣綠色建筑以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑[4]。

作為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用輔助軟件，PVsyst配有計(jì)算陰影的3D工具、太陽(yáng)能幾何學(xué)、氣象學(xué)及光伏運(yùn)行特性的工具箱，在仿真的同時(shí)，可確定和顯示氣象、電壓、電流、能量和性能等數(shù)據(jù)，還可根據(jù)實(shí)際需要手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。使用PVsyst能設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可進(jìn)行年發(fā)電量預(yù)測(cè)及損失預(yù)測(cè)等。目前，眾多研究成果多側(cè)重于使用PVsyst對(duì)各類單一朝向建筑物的光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真或發(fā)電量預(yù)測(cè)[5－8]，未涉及多朝向受光光伏陣列的BIPV建筑。

本文以山東淄博某火車站為研究案例，在根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)能資源評(píng)估的基礎(chǔ)上，計(jì)算并設(shè)計(jì)BIPV系統(tǒng)，并利用PVsyst進(jìn)行系統(tǒng)模擬，分析各項(xiàng)損耗，預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電量。

1 山東淄博地區(qū)太陽(yáng)能資源評(píng)估

光伏發(fā)電是以光生伏特效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。天氣條件是影響光伏發(fā)電效率的主要因素，因此，在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，必須收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，評(píng)估項(xiàng)目地區(qū)的太陽(yáng)能資源。

山東淄博地區(qū)平均海拔高度為34.5 m，位于北緯35.55°，東經(jīng)117.32°，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，陰雨天氣較少。根據(jù)Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫(kù)可得該地區(qū)太陽(yáng)能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 山東淄博地區(qū)年太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)

表1給出了山東淄博地區(qū)的月平均太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)，具體包括月平均水平輻射量、漫反射量、溫度和風(fēng)速。其中，淄博地區(qū)的全年總輻射量為1 368.6（kW·h·m－2），漫反射輻射量為857.0（kW·h·m－2），年平均溫度為14℃，年平均風(fēng)速為2.6 m/s。按照表2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行太陽(yáng)能資源豐富帶等級(jí)劃分，該地區(qū)處于太陽(yáng)能資源豐富帶（Ⅲ），冬季太陽(yáng)輻射量低，3—9月份太陽(yáng)輻射量高，全年有6個(gè)月輻射量在120（kW·h·m－2）以上。由《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》可知，該地區(qū)具有良好的太陽(yáng)能利用價(jià)值，適宜于建筑屋頂光伏設(shè)計(jì)。

2 太陽(yáng)輻射度模型建立

太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)需進(jìn)行能量衡算，目前，有按日、月、年三種方法。由于太陽(yáng)輻射具有隨機(jī)性，若按日進(jìn)行能量衡算[9]，則計(jì)算過(guò)于煩瑣，也不具實(shí)際意義；若以年進(jìn)行能量衡算又過(guò)于粗糙，且除了赤道地區(qū)外，很多地區(qū)春夏秋冬變化明顯，所以按月進(jìn)行能量衡算較為合理。目前，在計(jì)算光伏板收集太陽(yáng)能輻射量（Qs）時(shí)，主要考慮因素為光伏板收集面的直射輻射（Ds）、散射輻射（Ss）和反射輻射（Rs），即：

表2 太陽(yáng)能資源豐富帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于散射輻射計(jì)算又有各向同性分布與各向異性分布兩種模型[10-11]。

2.1 天空各向同性模型

各向同性模型由Liu和Jordan提出并被Klein所完善，是長(zhǎng)期以來(lái)普遍采用的計(jì)算太陽(yáng)散射輻射量的數(shù)學(xué)模型。該模型將天空中的散射輻射看作均勻分布，傾斜面月平均太陽(yáng)輻射量，其計(jì)算式為

式中，β為斜面傾角，φ為地理緯度，δ為太陽(yáng)赤緯，ωs為日落時(shí)角，ρ為地面反射率。

2.2 天空各向異性模型

經(jīng)長(zhǎng)期研究得到的天空太陽(yáng)輻射各向同性模型計(jì)算方便，但不準(zhǔn)確，特別是太陽(yáng)輻射月平均值與實(shí)際情況存在較大差異。

1981年，針對(duì)北半球朝向赤道（方位角γ=0°）傾斜面的特殊情況，Klein和Theilacker提出了一種根據(jù)天空各向異性模型的計(jì)算方法。其傾斜面上太陽(yáng)月平均總輻射量與水平面上月平均總輻射量的比值可由式（5）[12]求得。

式中，GT為傾斜面上太陽(yáng)輻射度，G為水平面上太陽(yáng)輻射度，tss為傾斜面上日落時(shí)間，tsr為傾斜面上日出時(shí)間。

根據(jù)各地實(shí)際太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，可得斜面上太陽(yáng)輻射度GT和水平面上的太陽(yáng)輻射度G。當(dāng)傾斜面與水平面上太陽(yáng)月平均總輻射量之比Rˉ最大時(shí)，光伏組件傾斜角β為最佳。由天空各向異性模型理論可知，北半球北面天空的平均散射輻射要比南面天空小，因此各向同性模型推算的朝南斜面獲取的能量之比要小于異性模型的結(jié)果。

結(jié)合淄博地區(qū)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)及太陽(yáng)輻射度模型可知，光伏組件傾角與太陽(yáng)能輻射的關(guān)系如式（2）所示。若使傾斜角和方位角達(dá)到最優(yōu)結(jié)果，需同時(shí)滿足三個(gè)條件：斜面輻射與水平輻射之比為最大；相對(duì)于最優(yōu)化的損失比為零；傾斜面輻射能最大。由PVsyst軟件可知，淄博地區(qū)光伏陣列最佳安裝傾角為32°，最佳方位角為0°（正南方向），如圖1所示。

圖1 淄博地區(qū)光伏陣列最佳安裝傾角及方位角

3 淄博市某火車BIPV系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東省淄博市某火車站位于東經(jīng)36.79°，北緯118.05°，海拔50 m，峰值日照時(shí)間4.9 h，年有效利用時(shí)長(zhǎng)為1 412.92 h，年總輻射量為1 368.8（kW·h）/m2，屬于太陽(yáng)能豐富地區(qū)，適用于安裝BIPV（光伏建筑一體化）系統(tǒng)。光伏陣列位于建筑物頂層四面安裝，屋頂前后左右光伏陣列四面傾角分別為3°、4°、4°、4°，方位角分別為23°、-157°、113°、-67°；光伏陣列面積分別為2 283 m2、2 283 m2、460 m2、460 m2。由于火車站需要安裝光伏組件的屋頂是傾斜的，所以陣列之間不會(huì)出現(xiàn)相互遮擋問(wèn)題。

3.1 光伏組件選型

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有靈活性，不僅能保證白天有足夠的發(fā)電量，在夜間和雨雪等惡劣天氣時(shí)，還能利用公共電網(wǎng)輸送的電力，確保供電穩(wěn)定性。該系統(tǒng)產(chǎn)生的電量主要供用戶自用，多余電量接入電網(wǎng)，緩解了電網(wǎng)的傳輸和分配負(fù)擔(dān)并避免資源浪費(fèi)。因此，分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。市場(chǎng)上應(yīng)用最廣、技術(shù)較成熟的光伏電池主要為晶體硅電池，分為多晶硅和單晶硅兩種。其中，多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率略低于單晶硅，但性價(jià)比高，成本相對(duì)較低，市場(chǎng)應(yīng)用最多。該建筑接近于平屋頂，有較大的光伏電池板安裝面積，可自由安裝電池板，無(wú)須考慮影響美觀性。為達(dá)到效率成本的最優(yōu)化，首選多晶硅太陽(yáng)能電池。由于市場(chǎng)上多晶硅電池品牌眾多，性能相差無(wú)幾，本項(xiàng)目選用250 Wp的多晶硅太陽(yáng)能電池組件，其規(guī)格為1 640 mm×992 mm×50 mm，重量為19.1 kg，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 多晶光伏電池組件具體參數(shù)

電池轉(zhuǎn)換效率與溫度、輻照度關(guān)系曲線如圖2所示。圖2表明，相同溫度下，太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率隨太陽(yáng)輻照度升高而升高，而在相同輻射照度下，則隨溫度升高而降低。太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率越高，相同功率的電池板面積就可越小。因此，在進(jìn)行光伏組件安裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮溫度與輻照度影響，確保安裝環(huán)境通風(fēng)散熱，避免光電轉(zhuǎn)換效率受組件升溫過(guò)高的影響。同時(shí)，為保證足夠的輻照度，在安裝設(shè)計(jì)中應(yīng)該減少陰影的影響。

圖2 不同溫度的電池轉(zhuǎn)換效率與輻照度關(guān)系曲線

3.2 逆變器選擇

由于光伏發(fā)電產(chǎn)生的是直流電，需轉(zhuǎn)換成交流電提供給用戶或電網(wǎng)，因此光伏逆變是必不可少的環(huán)節(jié)。光伏逆變器的性能直接影響并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與發(fā)電量。為滿足安裝靈活、發(fā)電量高、故障率低及成本控制等要求，經(jīng)綜合對(duì)比分析各項(xiàng)因素，最終選用陽(yáng)光電源廠家出售的組串型SG30KTL-M逆變器。該逆變器具有重量輕、外形美觀、系統(tǒng)可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4 建模及仿真設(shè)計(jì)

圖3 基于PVsyst的淄博火車站BIPV三維模型

在PVsyst軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)和設(shè)備型號(hào)，并根據(jù)建筑物實(shí)際形狀進(jìn)行3D建模，如圖3所示。采用PVsyst軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的BIPV系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到仿真運(yùn)行結(jié)果并以PDF格式報(bào)告，包括系統(tǒng)全年發(fā)電量預(yù)測(cè)及系統(tǒng)的各種損耗數(shù)據(jù)。

4.1 BIPV系統(tǒng)全年發(fā)電量預(yù)測(cè)

經(jīng)預(yù)測(cè)計(jì)算得BIPV系統(tǒng)全年發(fā)電量如表4。由表4可知，系統(tǒng)全年的最大發(fā)電量在5月，可達(dá)122.7 MW·h，12月發(fā)電量最小，為45.0 MW·h。光伏組件全年接收的太陽(yáng)輻射量為1 363.7（kW·h）/m2，光伏陣列全年輸出的有效能量為1 008.0 MW·h，光伏建筑一體化系統(tǒng)全年向公共電網(wǎng)輸送的有效電量為936.4 MW·h，全年交直流發(fā)電性能比為0.817。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)性能良好。

4.2 光伏系統(tǒng)損失分析

圖4列出了系統(tǒng)的各種損失情況。其中：采光面總損失為4.77%，可通過(guò)調(diào)整光伏電池板的傾角減小該損失；溫度導(dǎo)致的光伏能量損失為5.43%，在BIPV系統(tǒng)損耗中占比較大；在日常運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)光伏組件的工作環(huán)境維護(hù)，保持屋頂通風(fēng)，使其散熱效果良好，以減少溫度因素對(duì)系統(tǒng)的損失。由于組件線路存在0.75%的失配損失和2.1%的電阻線路損失，所以應(yīng)盡可能裝配電阻較小的線路。經(jīng)對(duì)比得知，逆變器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的損失（對(duì)應(yīng)效率）占比最大，達(dá)7.1%，因此，在運(yùn)行過(guò)程中要始終保持逆變器輸入功率在最佳區(qū)間內(nèi)。

表4 BIPV系統(tǒng)全年發(fā)電量

圖4 BIPV系統(tǒng)損失情況

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)新能源技術(shù)的發(fā)展及城市節(jié)能減排、綠色環(huán)保需求的不斷增長(zhǎng)，BIPV已逐漸發(fā)展成一種新型的發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景和較大的市場(chǎng)空間。本文基于PVsyst軟件對(duì)設(shè)計(jì)的山東省淄博市某火車站的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并在組件選型、朝向設(shè)置、系統(tǒng)損失等方面進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

（1）淄博地區(qū)BIPV系統(tǒng)的發(fā)電功率在3-9月間較高，每年的1、2、11、12月系統(tǒng)發(fā)電量較少，表明環(huán)境因素與發(fā)電功率間關(guān)聯(lián)密切。在發(fā)電量較少的月份，可考慮安裝輔助發(fā)電裝置。

（2）對(duì)BIPV系統(tǒng)影響最大的因素是太陽(yáng)能入射角，應(yīng)用PVsyst軟件可計(jì)算出最優(yōu)傾斜角，以有效減少由太陽(yáng)入射角校正系數(shù)導(dǎo)致的損失。

（3）光電裝置的操作溫度對(duì)光伏組件的效率有很大的影響，必須保證太陽(yáng)能電池的工作環(huán)境通風(fēng)、清潔、明亮，避免熱斑效應(yīng)對(duì)光伏組件造成損害。

（4）設(shè)計(jì)的BIPV系統(tǒng)每年可提供936.4 MW·h的有效電力，全年交直流發(fā)電性能比為0.817。結(jié)果表明項(xiàng)目所處區(qū)域位置適宜采用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益良好。