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廈門電力勘察設(shè)計院有限公司的汪醒鵬、陳喜莆，在2023年第3期《電氣技術(shù)》上撰文，以漳州市某皮革工業(yè)園區(qū)建筑群光伏發(fā)電工程為例，分析站址的Meteonorm光能資源輻射數(shù)據(jù)，應(yīng)用SketchUp軟件對工業(yè)園內(nèi)建筑群進行3D建模，模擬分析規(guī)定時間段內(nèi)各建筑物上障礙物的陰影遮擋區(qū)域，同時在PVsyst軟件的三維場景中優(yōu)化光伏組件布置方案，并對多種結(jié)構(gòu)型式的屋頂進行仿真，對比分析發(fā)電效率及發(fā)電量差異。

2021年9月，國家能源局正式確定676個縣（市、區(qū)）作為整縣屋頂分布式光伏開發(fā)試點，總裝機容量超過100GW。此后，在廠主體建筑上安裝光伏組件實現(xiàn)光伏發(fā)電成為工程熱點。

有文獻運用光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件PVsyst對文化中心分布式光伏發(fā)電工程進行設(shè)計，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點，在滿足屋內(nèi)采光前提下，進行優(yōu)化布置，保證電站發(fā)電量。有文獻建立簡易地面陣列模型，對樹蔭下光伏組件進行近處陰影模擬，計算發(fā)電量。有文獻提出利用PVsyst對光伏停車棚光伏建筑一體化（building integrated photovoltaic, BIPV）頂進行光伏發(fā)電量仿真計算。有文獻在國家公園管理站屋頂布置光伏組件，為基礎(chǔ)設(shè)施提供電力支持。有文獻對山東淄博火車站BIVP光伏發(fā)電工程單一候車樓進行建模并優(yōu)化計算發(fā)電量。有文獻對家用17kW小型并網(wǎng)系統(tǒng)進行3D房屋建模仿真，利用PVsyst計算發(fā)電效率及發(fā)電量。

但是對于實際工程，同一場址建筑群不僅存在不同的方位角，而且每個建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式不相同，每個點光照的波動性與間歇性也不同。同時，在福建、廣東等低緯度地區(qū)，建筑北朝向在滿足太陽高度角前提下也布置光伏板，實際工程各建筑物的光伏年利用小時數(shù)差異較大，采用單一光伏模型進行PVsyst仿真計算可能失真或報錯。

本文以漳州市某皮革工業(yè)園光伏發(fā)電工程為案例，利用SketchUp和PVsyst建立多個仿真模型，在根據(jù)場址Meteonorm氣象數(shù)據(jù)進行太陽能資源評估的基礎(chǔ)上，利用PVsyst對多種型式、多種傾角屋面進行模擬計算，分析系統(tǒng)效率和發(fā)電量差異。

1 皮革工業(yè)園概況

某皮革工業(yè)園光伏發(fā)電工程地理位置坐標為北緯24.0511°，東經(jīng)117.8875°。該工廠以動物皮革毛發(fā)加工制造為主，現(xiàn)場滿足安裝光伏組件條件的構(gòu)筑物為主廠房、皮革車間、水場車間和停車場，總面積21059m2，屬于工業(yè)用電用戶。其中，主廠房、水場車間屬于彩鋼瓦頂，皮革車間屬于混凝土頂，停車場屬于鋼結(jié)構(gòu)頂，各構(gòu)筑物頂障礙物遮擋方位各不相同。工程場址情況如圖1所示。

圖1 工程場址情況

各個建筑構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)型式見表1。

表1 建筑構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)型式

2 太陽能資源評估及輻射度模型建立

工程場址位于北回歸線附近，屬于低緯度近赤道地區(qū)，本文選取天空各向異性模型計算光伏發(fā)電量，場址Meteonorm全年水平面輻射能數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 場址Meteonorm全年水平面輻射能數(shù)據(jù)

圖2給出了場址的月平均太陽能輻射數(shù)據(jù)，全年總輻射量為1444kW?h/m2，散射輻射量為871kW?h/m2。根據(jù)有關(guān)文獻劃分標準及計算方法，本項目穩(wěn)定度為0.524，直射比為0.397，屬于太陽能輻射“很穩(wěn)定”“散射輻射較多”區(qū)。

根據(jù)有關(guān)文獻水平面計算傾斜面輻射能公式有

式（1）~（5）

結(jié)合現(xiàn)場條件，停車場、水場車間、主廠房頂承重有限，組件直接沿屋面安裝，組件傾角與屋面坡度相等，無需計算調(diào)整。皮革車間屬于混凝土屋面，采用碳鋼固定支架安裝，需計算組件安裝角度。若使組件接收輻射能最大，則需滿足Rb最大。通過PVsyst軟件計算可知，組件最佳傾角為18°。混凝土屋面傾角為18°時輻射量損失情況如圖3所示。

圖3 混凝土屋面傾角為18°時輻射量損失情況

3 工業(yè)園光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 組件選型

目前，市場主流光伏組件產(chǎn)品為峰值功率530Wp以上單晶硅電池組件。2022年以來，市場占有率最高的單晶硅組件為182mm電池片封裝組件和210mm電池片封裝組件。210mm電池片封裝組件工作電壓小，同一陣列可以串聯(lián)接入更多數(shù)量的光伏組件，節(jié)省直流電纜投資，但210mm電池片封裝組件輸出工作電流大于1/2個逆變器最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）回路輸入電流，故需要占用更多的逆變器MPPT回路。

182mm電池片封裝組件工作電壓大，雖然對比210mm電池片封裝組件陣列串聯(lián)組件數(shù)量較少，但由于其輸出工作電流小于1/2個逆變器MPPT回路輸入電流，可2個組串并聯(lián)接入一個MPPT回路，與各類逆變器的適應(yīng)性更強。故選用182mm電池片封裝組件。

182mm電池片封裝組件中可分為單玻組件和雙玻組件，一塊單晶雙玻光伏組件比單晶單玻光伏組件重6～10kg，雙玻組件的背板在吸收后排或地面反射光時可以增加發(fā)電量。本工程大部分建筑物為鋼結(jié)構(gòu)彩鋼瓦建筑，考慮到背板無法接收入射光且彩鋼瓦承重能力有限，故選用單晶單玻電池片光伏組件。光伏組件技術(shù)參數(shù)見表2。

3.2 逆變器選型

考慮到組串式逆變器MPPT回路較多，適應(yīng)環(huán)境能力強，在方位角傾角不同、障礙物多、陰影遮擋區(qū)域大的屋頂分布式光伏工程中應(yīng)用更廣，故選用組串式逆變器。2022年以來，屋頂分布式組串逆變器市場占有率最高的為1500V直流系統(tǒng)逆變器和1000V直流系統(tǒng)逆變器。

表2 光伏組件技術(shù)參數(shù)

根據(jù)國網(wǎng)福建電力《關(guān)于印發(fā)國網(wǎng)福建電力做好中低壓分布式電源接入系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)服務(wù)指導(dǎo)意見的通知》（閩電發(fā)展〔2022〕381號文），現(xiàn)場光伏并網(wǎng)電壓為10kV，1000V和1500V直流系統(tǒng)逆變器輸出電壓分別為0.4kV和0.8kV。0.8kV交流線纜可以降低集電線路1/3～1/2的投資，適合廠房占地面積大、交流電纜回路長、光伏裝機容量較大的分布式光伏系統(tǒng)。逆變器技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 逆變器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)有關(guān)文獻規(guī)定，光伏組件逆變器組串數(shù)量N計算公式為

式（6）（7）

式中：Vdcmax為逆變器允許輸入電壓；Voc為光伏組件開路電壓；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值；Vpm為光伏組件工作電壓；t和分別為組件極限低溫和高溫；Kv和分別為正常和開路條件下的溫度系數(shù)。由此計算得到13≤N≤27。

由于國網(wǎng)福建電力《關(guān)于印發(fā)分布式電源并網(wǎng)服務(wù)管理實施細則的通知》（閩電營銷〔2019〕605號文）規(guī)定組件和逆變器容配比小于1，對比工程造價及各布置方案，取N=24。

4 建模與仿真分析

局部陰影遮擋會造成組件表面溫度不均，整體效率下降。為優(yōu)化組件布置方案，降低陰影遮擋對發(fā)電量計算結(jié)果的影響，提高電站發(fā)電量，光伏組件的安裝位置應(yīng)避開場址全年真太陽日09:00—15:00所有構(gòu)筑物東西南北四個朝向陰影遮擋。

屋頂主要障礙物為氣樓、通氣孔和停車場西面廠房。對比各類建模軟件，SketchUp軟件在對實際建筑群進行同比例3D建模時，建模速度快，輪廓尺寸準確清晰，可搭設(shè)各類屋頂障礙物，并顯示360°視角任意一天所有時段的陰影區(qū)域。SketchUp軟件分析不同時間屋頂陰影如圖4和圖5所示。

圖4 SketchUp軟件分析屋頂陰影（09:00）

圖5 SketchUp軟件分析屋頂陰影（15:00）

根據(jù)SketchUp陰影輪廓線結(jié)果，在PVsyst軟件的三維模擬場景中搭建主廠房、水場車間、皮革車間、停車場構(gòu)筑物模型，并鋪設(shè)相應(yīng)數(shù)量的光伏組件。組件鋪設(shè)方位角及傾角按表1設(shè)置。組件和逆變器產(chǎn)品參數(shù)按表2及表3設(shè)置，串聯(lián)數(shù)量N取24，此處不再贅述參數(shù)設(shè)置方法。主廠房、水場車間、皮革車間和停車場的PVsyst光伏模型如圖6所示。

圖6 PVsyst光伏模型

PVsyst中定義的光伏發(fā)電系統(tǒng)能量損失主要影響因素為：傾斜面輻射能、總輻射量入射角修正（incident angle modifier, IAM）系數(shù)、輻照效率、溫度損失、組件品質(zhì)損失、光照衰減（light induced degradation, LID）、組件失配損失、導(dǎo)線電壓降、系統(tǒng)失效不平衡度。PVsyst輸出系統(tǒng)能量損失流向如圖7所示。

圖7 PVsyst輸出系統(tǒng)能量損失流向

從圖7可以看出，對于皮革工業(yè)園的不同建筑構(gòu)筑物，各區(qū)域效率變化范圍為78.1%～84.6%，其中皮革車間按方位角0°、組件傾角18°安裝發(fā)電效率最高，水場車間北坡按方位角180°、傾角2°安裝發(fā)電效率最低。當選用相同品牌和參數(shù)的組件和逆變器時，組件品質(zhì)損失、LID損失、失配損失及逆變器效率損失相同。

效率差異為溫度熱損、傾斜面輻射能初始效率、交流線損、污穢失效度損失。皮革車間屬于混凝土屋頂，組件按18°傾角安裝，背板空氣流通良好順暢，溫度熱損為8.9%。主廠房、水場車間、停車場3個構(gòu)筑物屬于鋼結(jié)構(gòu)屋頂，光伏組件緊貼屋面板安裝，通風(fēng)不良，溫度熱損為9.3%～9.4%。

皮革車間逆變器距離配電室最近，停車場逆變器距離配電室最遠，但兩者交流線損差異不足0.2%。組件安裝的方位角和傾角決定了傾斜面總輻射能初始值，組件方位角越接近正南方向，傾角越接近最佳傾角，初始輻射能越高。皮革車間的初始傾斜面輻射能比水場車間北坡的初始傾斜面輻射能高5.5%。

污穢失效度損失產(chǎn)生的效率差異無法進行定量分析，本文僅根據(jù)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)進行主觀評價，主廠房、水場車間和皮革車間由于生產(chǎn)動物皮革排氣散熱，空氣質(zhì)量偏差，污穢失效度定義2.3%，停車場離辦公樓及宿舍樓較近，污穢失效度定義1.8%。

根據(jù)當前光伏組件生產(chǎn)技術(shù)水平，光伏發(fā)電年限取25年，首年發(fā)電衰減率為2.0%，后續(xù)每年按照0.55%逐年進行折減。發(fā)電量計算結(jié)果見表4。

表4 發(fā)電量計算結(jié)果

由于每個屋頂?shù)墓夥b機總?cè)萘坎幌嗤?，將每個構(gòu)筑物的光伏發(fā)電量折算為單位指標（即年利用小時數(shù)）進行對比分析。從表4可以看出，工業(yè)園單體構(gòu)筑物中，皮革車間25年年平均光伏發(fā)電利用小時數(shù)最高，為1140h。水場車間北坡年平均光伏發(fā)電利用小時數(shù)最低，為1075h。相同地理坐標的不同構(gòu)筑物年利用小時數(shù)差值高達65h。

主廠房東坡的運行期年平均利用小時數(shù)為1 102h，主廠房西坡的運行期年平均利用小時數(shù)為1 099h，兩者基本相同。主廠房東、西坡存在差異的原因是主廠房西坡存在兩根通氣煙囪，通氣煙囪的陰影影響09:00前和15:00后的光伏發(fā)電量。

5 結(jié)論

針對同一地理坐標的不同建筑物，本文利用SketchUp和PVsyst軟件對實際工程——漳州某皮革園工業(yè)廠房屋頂光伏發(fā)電工程建立不同的3D模型，根據(jù)實際坡向、方位角、傾角、組件、逆變器等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，從能量損失效率及年利用小時數(shù)進行分析，得到結(jié)論如下：

1）由于同一建筑群的不同建筑物光伏發(fā)電能量損失不同，故同地點不同型式的建筑物的光伏發(fā)電年利用小時數(shù)實際差異較大。

2）在有效避開陰影區(qū)域的前提下，同一工程選用相同品牌和參數(shù)的組件及逆變器，IAM系數(shù)、組件品質(zhì)損失、LID損失、失配損失等對光伏發(fā)電效率影響程度相同。

3）對于光照資源一般的地區(qū)，由于光伏組件達到峰值電流的發(fā)電時間段占全年總時段比例較少，大部分時間內(nèi)，直流電纜和交流電纜的實際通過電流值Ia遠小于電纜載流量Iz，線損影響差異并不顯著。

4）組件安裝的方位角及傾角對能量損失影響最大，當組件安裝方位角為正南方向、安裝傾角為最佳傾角時，該建筑光伏發(fā)電年利用小時數(shù)最高。

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本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于SketchUp和PVsyst的建筑群光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計”，作者為汪醒鵬、陳喜莆。

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本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于SketchUp和PVsyst的建筑群光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計”，作者為汪醒鵬、陳喜莆。

本文編自2023年第3期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于SketchUp和PVsyst的建筑群光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計”，作者為汪醒鵬、陳喜莆。