屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

朱 瀲, 馬羚媛

(重慶電力高等?？茖W(xué)校, 重慶 400050)

0 引 言

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的大背景下,全社會(huì)對(duì)于清潔能源的需求越來越大,主流清潔能源包括水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電、潮汐發(fā)電、光伏發(fā)電等。其中,光伏發(fā)電由于自身具備安裝簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣、投入成本低等特點(diǎn),被我國(guó)各個(gè)省份大面積推廣,并且國(guó)家已經(jīng)明確新建建筑應(yīng)安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)[1]。目前,在建筑群屋頂建設(shè)光伏電站的情況越來越多,如在農(nóng)村、廠區(qū)、住宅小區(qū)等利用屋頂、陽(yáng)臺(tái)等區(qū)域搭建小型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有固定傾角式及追光式[3-4]。固定傾角式即為光伏板的安裝角度固定,而追光式則是增加光敏元件感知太陽(yáng)光強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)光伏板跟隨太陽(yáng)光轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),保證太陽(yáng)光可以隨時(shí)垂直照射光伏板,從而提高發(fā)電效率[5-7]。但追光系統(tǒng)本身需要電能且其自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有待提高,故目前沒有大面積推廣。

在建筑群屋頂建設(shè)小型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮本建筑群用電負(fù)荷類型及本系統(tǒng)所需的建筑面積。由于建筑群屋頂被諸多設(shè)備房間占用,像通信基站、空調(diào)外機(jī)、水管、風(fēng)機(jī)房、電梯機(jī)房、油煙井等,這些建筑物都會(huì)對(duì)光伏板的運(yùn)行產(chǎn)生遮光影響[8- 9]。如何在有限的面積內(nèi)合理規(guī)劃光伏發(fā)電設(shè)備及根據(jù)本建筑群負(fù)荷確定最少的光伏安裝設(shè)備是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。本文提供的理論依據(jù)及解決方案可以在建筑物設(shè)計(jì)之初確定光伏發(fā)電設(shè)備的安裝位置,有效解決后期無(wú)法安裝的問題。

1 理論計(jì)算

針對(duì)已知建筑群的負(fù)荷類型及負(fù)荷大小,從理論上計(jì)算本建筑群所需光伏板數(shù)量、對(duì)應(yīng)的蓄電池容量及所需要的安裝面積。

1.1 末端容量計(jì)算

建筑群的負(fù)荷類型及對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間如表1所示。由此可以計(jì)算出本建筑群總負(fù)載。

表1 建筑群的負(fù)荷類型及對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間

本建筑群的總負(fù)載W0如下所示:

(1)

1.2 蓄電池容量計(jì)算

光伏板在有日照的時(shí)間段內(nèi)正常輸出電能給蓄電池儲(chǔ)能,在晚上無(wú)光照情況下需要蓄電池代替光伏板給設(shè)備供電[10-11]。儲(chǔ)能電池一天所需要的容量應(yīng)按下式計(jì)算[12]:

(2)

式中:cc——儲(chǔ)能電池容量;

F——儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)(通常為1.05);

U——儲(chǔ)能電池的放電深度(0.5～0.8);

Ka——包括逆變器等交流回路的損耗率(通常為0.7～0.8)。

儲(chǔ)能電池的容量應(yīng)考慮陰雨天氣影響,留有一定富余容量,則修正后儲(chǔ)能電池的容量應(yīng)按下式計(jì)算:

cc0=cc(1+η0)

(3)

式中:η0——儲(chǔ)能電池富余容量修正系數(shù)(通常取0.25～0.35)。

1.3 光伏板數(shù)量計(jì)算

在有日照的時(shí)間內(nèi),單個(gè)光伏板輸出容量為

c0=P4h4η1

(4)

式中:h4——峰值日照時(shí)數(shù);

P4——單個(gè)光伏板輸出功率;

η1——綜合效率系數(shù)(0.8～0.85)。

要滿足式(3)中儲(chǔ)能電池容量要求,則需要光伏板數(shù)量n為

(5)

1.4 安裝面積計(jì)算

對(duì)于固定角度的光伏陣列來說,為了達(dá)到最大輸出電能,其板面安裝角度應(yīng)與太陽(yáng)光直射角度垂直,此角度即為光伏組件傾斜面上全年接收輻射量最大時(shí)的傾角[13-16],不同區(qū)域太陽(yáng)直射角度對(duì)應(yīng)的光伏安裝傾角也各不相同。單塊光伏板安裝圖如圖1所示。單列光伏板所需安裝面積為

圖1 單塊光伏板安裝圖

S0=L0d0

(6)

S1=S0cosα

(7)

式中:S1——單個(gè)光伏板所需安裝面積;

S0——單個(gè)光伏板面積;

α——光伏板傾斜角;

L0——光伏板長(zhǎng)度;

d0——光伏板寬度。

對(duì)于光伏陣列來說還應(yīng)考慮周圍光伏板的影響。光伏陣列安裝圖如圖2所示,此時(shí)光伏陣列單列長(zhǎng)度為

圖2 光伏陣列安裝圖

L=md0

(8)

式中:m——單列光伏板數(shù)量。

則單塊光伏板投影寬度為

a=L0cosα

三是強(qiáng)化24小時(shí)應(yīng)急值守。有關(guān)部門要立即進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，加強(qiáng)應(yīng)急值守，相關(guān)人員必須保持全天候通信暢通。加強(qiáng)與地震災(zāi)區(qū)的聯(lián)系，隨時(shí)掌握水利工程最新情況和水利抗震救災(zāi)需求，做好前方工作組的支撐和保障，并及時(shí)向國(guó)務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部報(bào)告有關(guān)信息。

(9)

由式(9)得出陣列光伏板投影寬度為

(10)

由式(10)得出光伏板間隔寬度為

(11)

由式(11)得出光伏陣列間隔寬度為

(12)

由式(7)、式(11)、式(12)得出光伏陣列寬度為

(13)

式中:Ww——光伏陣列總寬度;

a——單塊光伏板投影寬度;

a0——光伏陣列投影寬度;

b——光伏板間隔寬度;

b0——光伏陣列間隔寬度;

n——光伏板總數(shù)量;

此時(shí)光伏板間隔的安裝面積為

(14)

光伏陣列面積為

(15)

在實(shí)際安裝過程中,每組光伏陣列還應(yīng)考慮檢修通道的寬度,故式(15)所得理論計(jì)算值,還應(yīng)根據(jù)不同安裝環(huán)境做相應(yīng)修正。

2 案例分析

2.1 蓄電池容量計(jì)算

某建筑群的負(fù)荷類型及對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間如表2所示。

表2 某建筑群的負(fù)荷類型及對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間

由式(1)得出儲(chǔ)能電池一天所需要的容量為

W0=W1+W2+W3=5.13 kWh

14.364 kWh

2.2 光伏板數(shù)量計(jì)算

某光伏板產(chǎn)品參數(shù)如表3所示。

表3 某光伏板產(chǎn)品參數(shù)

從城市氣象部門得到本地區(qū)光伏板最佳傾角α=8°,峰值日照時(shí)數(shù)h4=2.38 h,則由式(4)得出單塊光伏板輸出電量為

c0=P4h4η1=0.56×2.38×0.8=

1.066 kWh

由式(5)得出需要光伏板的數(shù)量為

因此,取值14塊。

2.3 安裝面積計(jì)算

由式(8)得出14塊光伏板采用5×3陣列安裝,其光伏陣列單列長(zhǎng)度為

L=md0=5×1.134=5.67 m

由式(13)得出光伏陣列寬度為

2.278=6.857 m

由式(15)得出安裝面積應(yīng)為

由以上計(jì)算可知,需要6 m×7 m矩形場(chǎng)地作為光伏陣列安裝位置。光伏陣列在建筑屋頂安裝圖如圖3所示。圖3中陰影部分對(duì)應(yīng)光伏設(shè)備的安裝位置。

圖3 光伏陣列在建筑屋頂安裝圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一種已知末端負(fù)荷的情況下,計(jì)算儲(chǔ)能電池容量、光伏板安裝數(shù)量及安裝面積的方法,為光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究提供了一定的參考價(jià)值。針對(duì)屋頂設(shè)置光伏設(shè)備,為了保證其電子設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行,還需考慮其整個(gè)系統(tǒng)的防雷問題。光伏設(shè)備的金屬部分能否像其他金屬體一樣直接與接閃帶相連及其電子設(shè)備如何處理雷電流產(chǎn)生的浪涌保護(hù)等方面的問題,還需做進(jìn)一步的研究。