某体育中心屋顶光伏系统的设计探讨

戴 军 宋占强

(1.山西大学电力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

某体育中心屋顶光伏系统的设计探讨

戴 军1宋占强2

(1.山西大学电力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

分析研究了太阳能光伏系统的设计标准、设计特点及设计方法，结合某体育馆屋顶并网光伏系统项目的实际案例，阐述了屋顶并网光伏系统光伏组件、逆变器的选择；光伏阵列方位角、倾斜角、安装间距对光伏发电系统的影响，为今后的类似设计提供参考依据。

太阳能，分布式光伏系统，最佳倾角，并网逆变器

1 太阳能光伏发电系统

1.1 背景及现状

随着城市化率的提高，建筑领域的能耗和排放均会快速增长，建设终端能耗会占到全社会总能耗的40%左右。国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》中明确提出，到2015年单位国内生产总值能耗比2010年下降16%。完成这一目标，建筑领域节能减排举足轻重。近几年，国家高度重视可再生能源的推广，提出2020年非化石能源占一次能源消费比例达到15%的战略目标。在可再生能源中，太阳能是一种安全清洁、普遍广泛和具有潜力的替代能源。通过光伏电池将太阳辐射能转换为电能的光伏技术，是开发和利用太阳能的最灵活、最方便的方式。

1.2 分类与应用

光伏系统可分为独立光伏系统和并网光伏系统两大类。独立型光伏系统是通过光伏电池将太阳光的光能直接转换成电能，并通过控制器把产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上；并网型光伏系统将光能转变成电能后，经直流配线箱接入并网逆变器，经逆变器输出交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网。

光伏系统还可分为集中式光伏系统和分布式光伏系统。

分布式光伏系统，主要是安装在建筑物上的光伏系统，简称“建筑光伏系统”即“BMPV”。主要有两种形式：

1)BAPV：附着在建筑物上的太阳能光伏系统，也称为“安装型”太阳能建筑光伏系统。它的主要功能是发电，与建筑物功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物的功能。

2)BIPV：与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成良好结合的太阳能光伏系统，也称为“构建型”和“建材型”太阳能建筑光伏系统。它作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，与建筑物形成良好的统一体。

2 某体育中心屋顶光伏系统的设计

2.1 工程概述

位于山西省太原市的某体育馆建筑，市中心地理坐标东经112°33′，北纬37°54′。体育馆占地面积：26 718.94 m2，总建筑面积：17 022.28 m2，建筑高度：23.223 m。屋顶面积较大，开阔平坦，建筑构件较少。可用于光伏发电的总面积约6 700 m2。

2.2 当地太阳能资源和气象数据

山西省太原市所处的北半球中纬度地理位置和山西高原的地理环境，使之能够接受较强的太阳辐射，光能热量比较丰富。年太阳辐射总量为5 442.8 MJ/m2～5 652.18 MJ/m2。4月～8月太阳辐射总量占年太阳辐射总量的65%左右，其中5月是各月总辐射量最大月份，为666 MJ/m2；11月～12月太阳辐射总量仅占全年总量的21%，而一般12月是各月总辐射量最少月份，仅250 MJ/m2。

太原市年日照总时数为2 360 h～2 796 h。5月份日照时间最多，约占全年日照数的10.5%；2月份日照时数最少，约占全年日照时数的6.8%。日照百分率地理分布为南部少于北部，盆地少于山区。平均峰值日照时数h=4.83 h，太阳高度角αS=15.57°。

2.3 光伏系统的设计

1)光伏系统形式。该光伏系统安装容量较小，可就地消纳，为降低造价和运营费用，采用0.4 kV并网型光伏系统。

2)光伏组件的选择。光伏组件应根据类型、峰值功率、转换效率、温度系数、组件尺寸和重量、功率辐照度特性等技术条件进行选择，并应按太阳辐照度、工作温度等使用环境条件进行性能参数校验。太阳辐射量较高、直射分量较大的地区宜选用晶体硅光伏组件或聚光光伏组件；太阳辐射量较低、散射分量较大、环境温度较高的地区宜选用薄膜光伏组件。

在本系统设计中，选用国内优质高效的250 Wp多晶硅组件，组件参数见表1。

表1 组件参数表

3)光伏组件的方位角和倾斜角。

a.光伏组件的方位角。光伏组件的方位角是组件的垂直面与正南方的夹角，向东设为负，向西设为正。通常方位角为0°时，发电量最大，因此根据场地条件，光伏组件的方位为正南，方位角为0°。

b.光伏组件的倾斜角与阵列之间距离。光伏方阵采用固定式布置时，最佳倾角应结合当地的多年月平均辐照度、直射分量辐照度、散射分量辐照度、风速、雨水、积雪等气候条件进行设计，对于并网光伏发电系统，倾角宜使光伏方阵的倾斜面上受到的全年辐照量最大。

参考美国国家航空航天局(NASA)数据库，通过对NASA提供的太原市2008年—2012年太能辐射数据的分析可以得出以下结论：

第一，光伏方阵固定安装倾角为37°～38°，全年辐射量最大；光伏方阵单轴追踪安装倾角为39°，全年辐射量最大。

第二，太阳水平方向总辐射量逐月来看，最大值出现在4月～6月，最小值出现在11月～12月。太阳辐射月际变化明显，其变化规律与太阳高度角变化规律基本一致。

第三，光伏方阵按一定倾角安装，月辐照量最大值、最小值出现的月份前后有差异。

第四，光伏方阵按一定倾角固定安装，年总辐照量增加约15%～20%；光伏方阵单轴追踪年总辐射量增加约50%～60%；月总辐射量冬季增大幅度较大。

第五，光伏方阵加装追踪装置，可以增加辐射量，但投资增大，后期维护复杂。

在北半球，对应最大日照辐射接收量的平面为朝向正南面，方阵倾角确定后，南北向方阵间要留出合理的间距，避免出现阴影遮挡。前后间距为：冬至日(一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天)9：00 ～15：00时，组件之间南北方向无阴影遮挡。

根据公式：

D=Lcosβ+Lsinβ[(0.707tanφ+0.433 8)/(0.707-0.433 8 tanφ)]。

其中，φ为当地纬度(在北半球为正，南半球为负)，(°)；δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬-23.45°；ω为时角，上午9：00的时角为45°；β为阵列倾角，(°)；D为两排阵列之间距离，m；L为阵列倾斜面长度，m。

太原φ=37.8°，αS=15.57°，D=L(cosβ+2.651sinβ)；当阵列倾角β=31°～38°时，两排阵列之间距离见表2。

表2 不同阵列倾角下两排阵列之间的距离

当阵列倾角加大时，光伏阵列的间距会增大，给定面积内的光伏组件数量就会减小，因此要得到年最大发电量，要综合考虑光伏方阵的倾斜面上全年辐射量最大和光伏组件安装数量的关系。

通过RETScreen软件优化，最终确定系统配置：光伏组件固定安装，安装倾斜角32°，两排阵列之间距离光伏组件长向为1.8 m，短向为2.23 m。

4)光伏组件的安装功率。结合体育场屋顶的结构现状，屋顶的面积，计算得出光伏组件安装数量1 600块。安装总功率为400 kWp。

5)并网逆变器。逆变器要遵循高可靠、高效率、宽范围、高质量、高性价比的原则，按形式、容量、相数、频率、冷却方式、功率因数、过载能力、温升、效率、输入输出电压、最大功率点跟踪(MPPT)，保护和监测功能、通信接口、防护等级等技术条件进行选择。还应按环境温度、相对湿度、海拔高度、地震烈度、污秽等级等使用环境条件进行校验。

并网逆变器的总额定容量应根据光伏系统装机容量确定。其允许的最大直流输入功率应不小于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率，同时考虑到逆变器负荷率低会使系统效率降低，价格随容量上升，且当日射强度接近最大值时，光伏电池温度上升，出力下降，逆变器效率随之下降，因此，逆变器容量选择尽量接近太阳电池板的容量，无需太大。

6)光伏组件串。在本系统设计中，使用国内优质高效的250 Wp多晶硅光伏组件，计算组件串联数量时，必须根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的开路电压温度系数，根据并网逆变器性能参数，最高电压为880 V，最大MPPT电压为820 V，最小MPPT电压为450 V，如多晶硅组件的开路电压为38.4 V，峰值工作电压为30.4 V，组件开路电压温度系数为-0.34%/℃。根据计算，组件串联数在20～22比较合适。

为了保证发电效率和方阵的合理排列，采用20件组件为1个组件串。组件并联方式设计方面，是根据组件峰值工作电流大小以及逆变器最大允许输入电流，直流汇流箱采用10路汇1路，即10串组件为一并。

7)发电量估算。太阳能组件方阵年发电量：

EP=KHA(PAS/ES)=365KPASh=365×0.78×1 600×0.25×4.83=550 040 kWh。

其中，HA为水平面太阳能总辐照量,kWh/m2(峰值小时数)；EP为上网发电量，kWh；ES为标准条件下的辐照度，常数=1 kWh/m2；PAS为组件安装容量，kWp；K为综合效率系数。

综合效率系数K由下列系数相乘而得：

组件类型修正系数是光伏组件的转换效率在不同辐照度、不同波长时，该修正系数应根据组件类型和厂家参数确定，晶体硅电池取1.0；光伏方阵的倾角、方位角的修正系数97.0%；光伏发电系统可用率η取98.0%；光照利用率取1.0；逆变器效率取97.0%；系统线路损耗99.0%；光伏组件表面污染修正系数取95.0%；光伏组件转换效率修正系数90.0%；则综合效率系数K=0.78。

25年运营期内的发电量，考虑光伏组件运行10年后效率开始逐步下降，发电量也随之下降，见表3。

表3 25年运营期内的发电量

8)防雷与接地系统。设置屋顶光伏系统的建筑应采取防雷措施，建筑物的防雷等级分类及防雷措施按GB 50057—2010建筑物防雷设计规范的相关规定执行。屋顶设置光伏系统的建筑由于屋顶金属构件较多，雷击损失较大，年预计雷击次数的计算时，校正系数可按1.7～2.0选取。

光伏组件需采取严格措施防直击雷和雷击电磁脉冲，防止建筑光伏系统和电气系统遭到破坏。防直击雷和防雷击电磁脉冲的措施按GB 50057—2010建筑物防雷设计规范的相关规定执行，光伏接线箱内装设SPD。

光伏阵列的支架、紧固件等正常时不带电金属材料要采取防雷措施和等电位联结措施。安装在建筑屋面的光伏组件，采用金属固定构件时，每排(列)金属构件均可靠联结，且与建筑物屋顶避雷装置有不少于两点可靠联结；采用非金属固定构件时，不在屋顶避雷装置保护范围之内的光伏组件，需单独加装避雷装置。

2.4 系统的能效分析

建成后，按照火电机组平均供电标准煤耗326 g/(kWh)计算，每年可节约标煤见表4，节能效益和环境效益十分显著。

表4 节能效益和环境效益

3 结论与展望

分布式光伏系统建在建筑物屋顶上，具有容量小、电压等级低、接近负荷、对电网影响小；输配电成本低，不需要对电网进行改造，可直接用于建筑本身用能需求，有效减少大量的输变电损失；还可在迎峰度夏阶段较好地起到削峰作用，减少高峰电力需求；同时有效地利用建筑屋顶和幕墙，减少土地利用，光伏构件与建筑一体化安装，具备建筑功能，并可改善建筑遮阳、隔热性能。因此分布式光伏系统是光伏系统发展的必然趋势。推动太阳能光伏建筑应用是促进建筑节能的重要内容，对缓解城乡建设领域能耗需求，调整能源结构具有十分重要的现实意义。

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Discussion on the design of a sports center roof photovoltaic system

Dai Jun1Song Zhanqiang2

(1.ElectricPowerDepartment,ShanxiUniversity,Taiyuan030013,China; 2.ShanxiArchitecturalandDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper analyzed and researched the design standards, design features and design methods of solar photovoltaic system, combining with the actual case of grid connected photovoltaic system project of a gymnasium roof, elaborated the influence of photovoltaic component, inverter selection, photovoltaic array azimuth, inclination angle, installation distance of roof grid connected photovoltaic system to photovoltaic power generation system, provided reference for future similar design.

solar energy, distribution photovoltaic system, best inclination angle, grid connected inverter

2015-03-22

戴 军(1969- )，女，高级工程师； 宋占强(1984- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)16-0121-03

TU113

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