住宅樓屋頂分布式光伏電站安裝型式對比分析

吳振南，邵增會，許繼崢

（河北建設集團安裝工程有限公司，河北 保定 071000）

為實現“3060”的目標，即二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，我國著力構建清潔低碳、安全高效的能源體系，大力提升風電、光伏裝機容量。利用建筑光伏一體化，降低碳排放，進一步實現住宅樓零碳排放是現階段的唯一途徑。建筑光伏一體化形式主要為屋頂分布式光伏、光伏幕墻、光伏陽光房和光伏路燈車棚，但光伏幕墻造價高，發(fā)電效率較低，實用性不強，應用面較小，不適用于住宅安裝，因此住宅樓屋頂分布式光伏組件安裝型式選擇就顯得尤為重要。保定市某住宅樓屋頂面積為600 m，長為40 m，寬為15 m。下面結合具體案例，對比分析住宅樓屋頂分布式光伏電站的安裝型式。

1 住宅樓屋頂光伏組件安裝型式對光伏發(fā)電量的影響

排除光伏組件及電力設備自身缺陷因素，影響光伏發(fā)電量的主要因素為組件的方位角和傾角。

1.1 組件方位角選擇

方位角就是光照在地面上的投影和地平面上正南方向線之間的角度。取正南方向為起始點（即0°），向西為正，向東為負。當組件朝正南方時，光伏組件發(fā)電量最大。當偏離正南方向30°時，組件的年發(fā)電量減少10%～15%；當偏離正南方向60°時，組件的年發(fā)電量減少20%～30%。綜合考慮，組件安裝方位角選為0°，即朝向正南，光伏組件年發(fā)電量最大。

1.2 組件傾角對比分析

1.2.1 組件傾角對年均輻射量的影響

通過PVSYST 軟件計算保定市區(qū)光伏組件不同傾角的平均日輻射量，并記錄不同傾角條件下的年均輻射量變化，如圖1所示。由圖1可知，光伏組件安裝需要考慮排水、雪壓承載等自然條件的影響，最小安裝傾角為5°，此時年均輻射量最小，隨著安裝傾角增加，年均輻射量逐漸增大，當年均輻射量達到最大值時，此安裝傾角為最佳傾角，安裝傾角繼續(xù)增加，年均輻射量會隨之減少。保定市區(qū)組件最佳傾角為31°～33°，此時輻射量最大，為1 483（kW·h）/m。光伏組件最低傾角為5°～10°，輻射量為1 357～1 408（kW·h）/m，相比最佳傾角，光照輻射量降低5.07%～8.50%。

圖1 不同傾角對應的年均輻射量（保定市）

1.2.2 組件傾角對組件間距的影響

組件間距計算需要考慮遮擋物陰影的長度，一般確定的原則是，冬至日09:00—15:00，太陽照射時后排的光伏電池方陣不應被遮擋。影長計算公式為

式中：是兩排陣列的間距，m；是陣列傾斜面長度，m；是陣列傾角，°；是當地地理緯度，°。

式（1）可以改寫為

式中：為太陽高度角，°。

太陽高度角用公式可以表示為

式中：是太陽赤緯角，冬至日的太陽赤緯角為-23.26°；是時角，09:00 的時角為-45°。

投影公式參數關系示意圖如圖2所示。根據保定市經緯度信息，經計算，平地情況下光伏陣列前后排凈間距與陣列真實高度的比值為2.806，即南北陰影倍率為2.806。以420 組件為例，組件長、寬分別為2.05 m、1.05 m，通過式（2）計算各個角度的組件前后排間距，如圖3所示。

圖2 投影公式參數關系示意圖

圖3 不同傾角的組件間距

由圖3可以看出，組件間距與組件角度成線性關系，安裝間距隨安裝傾角增加而增大。傾角為5°時，組件前后排中心間距最小為2.54 m，組件安裝傾角增加至32°（最佳傾角）時，組件前后排中心間距為4.79 m。當光伏組件方陣間距大于上述數值時，可以保證冬至日09:00—15:00 兩排方陣前排不對后排造成遮擋。

1.2.3 組件傾角對組件發(fā)電量的影響

在該住宅樓屋頂排布光伏組件，采用單晶硅電池組件，單塊組件額定峰值功率為420 W，組件長、寬分別為2.05 m、1.05 m，組件雙排排布，18 塊為一組串。光伏組件發(fā)電量的計算公式為

式中：為光伏組件發(fā)電量；為光照輻射總量；為裝機容量；為系統(tǒng)效率；為組件衰減系數。

從太陽輻射總量來看，不同傾角對應不同的年均輻射量，可根據圖1確定。光伏組件東西向排布與安裝傾角無關，組串間距為0.5 m；南北向排布需要考慮安裝傾角，其排布間距可根據圖3選取。經計算，不同傾角的光伏組件裝機容量如圖4所示。當光伏組件安裝面積一定時，隨著光伏組件安裝傾角增加，光伏安裝容量呈階梯式下降。安裝傾角為5°～6°時，光伏裝機容量最大，為90.72 kW；安裝傾角為7°～18°時，裝機容量為75.6 kW，下降17%；安裝傾角為19°～39°時，裝機容量為60.48 kW，下降33%。裝機容量下降比例與住宅樓屋頂南北向寬度有關，一般住宅樓南北向寬為15～25 m，經計算，相比最佳傾角，最小傾角裝機容量增加50%～67%。

圖4 不同安裝傾角對應的裝機容量

影響光伏系統(tǒng)效率的主要因素有灰塵及雨雪遮擋、溫度、逆變器和變壓器功率損耗、光伏組件串并聯不匹配、交直流部分線纜功率損耗、跟蹤系統(tǒng)精度和其他雜項損失。不考慮氣候極端變化等不可預見自然現象，光伏電站的系統(tǒng)效率約為80%。不考慮組件每年衰減，根據上述輻射量、裝機容量和系統(tǒng)效率，光伏組件理論發(fā)電量的計算結果如圖5所示。當安裝傾角為最小傾角（6°）時，年均發(fā)電量最大，不考慮組件衰減的理論年發(fā)電量為9.94 萬kW·h；安裝傾角為最佳傾角（32°）時，組件光照輻射量最高，年發(fā)電量為7.18 萬kW·h。與最佳傾角相比，最小傾角裝機容量增加50%，年均發(fā)電量提升40%，光照輻射量降低7.62%。安裝角度為17°時，裝機容量為75.6 kW，最大發(fā)電量為8.78 萬kW·h，與最佳傾角相比，裝機容量提升25%，年均發(fā)電量提升20%，光照輻射量降低2%。

圖5 不同安裝傾角對應的年均發(fā)電量

2 住宅樓屋頂光伏組件安裝傾角對經濟收益的影響

目前，普通家庭常用電器有電冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲、抽油煙機、路由器和手機等。經測算，每個家庭日耗電量約為3.5 kW·h。公共區(qū)域用電設備有電梯、增壓水泵和安防系統(tǒng)。每部電梯每天耗電量約為27.5 kW·h，平均每小時耗電量為1.146 kW·h，年均耗電量為3 345.8 kW·h；增壓水泵年均耗電量約為2 000 kW·h；住宅樓安防系統(tǒng)年均耗電量約為12 500 kW·h。該住宅樓按2 個單元計算，一層4 戶（24 層），入住率為80%，保守估計，整棟住宅樓年均用電量（白天）為11.96 萬kW·h。

2.1 成本計算

該住宅樓屋頂分布式光伏電站組件利用固定式支架安裝，組件安裝方位角選擇正南，以保證發(fā)電量最大化，18塊電池板為一串，接入逆變器。采用分塊發(fā)電、多支路并網的積木式技術方案，系統(tǒng)由多個光伏發(fā)電單元組成，每個光伏發(fā)電單元分別經過逆變器、并網柜后接入住宅樓已有變壓器的低壓側。因住宅樓較高，電纜比例增加，光伏電站施工總承包單價約為4 元/W。

2.2 不同安裝傾角發(fā)電量計算

光伏系統(tǒng)效率按80%計算，光伏組件衰減率首年為2.5%，以后每年衰減0.6%，光伏組件壽命為25年。經計算，安裝傾角為32°時，裝機容量為60.48 kW，年均發(fā)電量為6.48 萬kW·h，25年總發(fā)電量為161.98 萬kW·h。按照火電煤耗標準（1 kW·h 電能消耗標準煤305 g），每年可節(jié)約標準煤約19.76 t，每年可減少CO排放量約59.29 t、SO排放量約1.94 t、氮氧化物排放量約0.97 t。安裝傾角為6°時，裝機容量最大，為90.72 kW，年均發(fā)電量為8.98 萬kW·h，25年總發(fā)電量為224.46 萬kW·h。按照火電煤耗標準，每年可節(jié)約標準煤約27.38 t，每年可減少CO排放量約82.15 t、SO排放量約2.69 t、氮氧化物排放量約1.35 t。即使按最大發(fā)電量計算，一棟住宅樓屋頂光伏組件年均發(fā)電量也不足住宅樓年均用電量（白天）的76%，光伏組件的發(fā)電量全部用于住宅樓業(yè)主的日常生活。

2.3 不同安裝傾角收益對比

光伏電站建成后，發(fā)電售賣給住宅樓用戶并供公共區(qū)域使用。分布式光伏電站施工總承包單價約為4 元/W，電價為0.468 元/（kW·h）。保定市居民用電為0.52 元/（kW·h），優(yōu)先使用光伏電站所發(fā)電量，給予折扣優(yōu)惠。經分析對比，6°傾角投資財務內部收益率為8.18%，投資回收期為9.65年，資本金財務內部收益率為14.59%，項目資本金財務內部收益率高于資本金基準收益率（7%）。25年總發(fā)電利潤為41.21 萬元。32°傾角投資財務內部收益率為8.75%，投資回收期為9.30年，資本金財務內部收益率為18.57%，項目資本金財務內部收益率高于資本金基準收益率（7%）。25年總發(fā)電利潤為32.91 萬元。

選取最佳傾角（32°）安裝時，資本金收益率最高，但25年總發(fā)電利潤要低于選取最小傾角（6°）安裝時的發(fā)電利潤。選用最小傾角安裝時，項目資本金財務內部收益率高于資本金基準收益率。同時，每年可減少大量的灰渣及煙塵排放，節(jié)約用水，并減少相應的廢水排放，節(jié)能減排效益顯著。發(fā)電量越高，節(jié)能減排效益約顯著。綜合考慮發(fā)電量、資本金財務內部收益率、25年總利潤和社會效益，住宅樓屋頂分布式光伏電站光伏組件安裝選用固定式支架和最小傾角，方位角朝向正南。

3 結語

住宅樓屋頂建設分布式光伏電站是現階段實現碳中和目標的重要途徑。本文從發(fā)電量、經濟收益及社會效益角度，對比分析光伏組件安裝型式并提出合理建議，以促進分布式光伏發(fā)電的發(fā)展。