基于PVSYST的建筑屋顶光伏设计评估研究

赵星竹，尹常永

（沈阳工程学院a.研究生部；b.国际教育学院，辽宁沈阳 110136）

在光伏产业中，除了技术研究外，光伏场地的开发利用也具有实际研究价值。在提高光伏发电技术水平的同时，增加光伏应用场地，才有可能提升光伏发电所占比例，所以将光伏发电和建筑屋顶相结合的屋顶光伏项目备受关注。

1沈阳地区太阳能资源评估

光伏发电是利用光电效应的光生电技术，光照强度等气象因素可以直接影响光伏发电效率，进而影响系统发电量，所以需要在设计屋顶光伏之前，收集当地近几年来的气象数据，用于评估项目所在地区的太阳能资源情况，下面以沈阳地区为例进行太阳能资源评估。

沈阳地区海拔高度约为42 m，位于北纬41°46′与东经123°26′之间，属温带半湿润大陆性气候，阴雨天气较少。该地区气象数据信息可在Retscreen中选择，也可利用PVSYST从NASA数据库中直接引入，如图1所示。

图1沈阳地区气象数据

图1显示了平均每月的水平辐射量、漫反射量、温度和风速，其中沈阳地区全年总辐射量为1 343.6 kW·h/m2，漫反射辐射量为695.9 kW·h/m2，年平均温度为8.6℃，年平均风速为2.7 m/s。

根据《太阳能资源评估方法》规定，按照表1中的等级进行划分，该地区属于太阳能资源丰富带。冬季太阳辐射量较低，3月至9月的太阳辐射量较为丰富，全年有7个月辐射量均高于120 kWm/㎡，具有一定的利用价值，适合于建筑屋顶进行光伏设计。

表1 太阳能资源丰富程度划分标准 MJ·m-2

2阴影情况分析

屋顶光伏的阴影情况通常有两种：一种是建筑屋顶附近建筑遮挡，另一种是光伏组件间遮挡。存在阴影遮挡会影响光伏项目所接收的太阳辐射量，从而影响发电效率和发电量。在光伏项目设计初期需要通过阴影情况来确定屋顶可安装面积和组件间的最小间距，以避免遮挡情况的发生。

如果光伏屋顶附近有建筑遮挡，可以结合当地经纬度计算太阳高度角，再利用PVSYST软件分析周围建筑遮挡情况。太阳高度角计算公式为

式中，φ为光伏系统建设地点纬度；φ为地区纬度。

对于光伏组件间遮挡带来的阴影问题，需要引用最小间距的概念，即设计组件间的距离能够在冬至日上午9时至下午3时期间保证光伏组件间无遮挡情况，计算公式如下：

式中，α为太阳高度角；β为太阳方位角；ω为时角；δ为太阳赤纬角。

以沈阳地区建筑屋顶为例，将相关数据代入公式，保证在冬至日上午9时至下午3时光伏组件间无遮挡，可设定时角为45°；冬至时赤纬角减至最小值23°26′，设太阳赤纬角为23°26′，由公式可求太阳高度角为89.66°。将上述数据代入公式可求得该地区光伏组件最小间距为4.5 m。

使用PVSYST软件验证最小间距条件是否成立。组件间距为4.5 m时，在上午9时至下午3时的时间区域内表示遮挡的虚线与接受光照线不重合，说明组件间无遮挡，验证结果如图2所示。

图2不同时间组件相互阴影遮挡情况

3倾角设计与系统装机容量估计

方阵倾角即光伏电池板接受太阳辐射平面与水平面夹角，从一定程度上决定了光伏板接受的光照辐射量。在一些光伏系统设计中，往往根据项目地区的全年受光照辐射情况，把当地地区纬度适当增加或降低3°～5°，而借助软件进行理论计算可以获得更加精确的数据。通过使用PVSYST软件，结合沈阳地区上述地理信息和气象数据，确定方阵倾角为36°。

分析建筑屋顶的光伏可安装面积、组件间距以及组件参数与倾角大小，可以估算光伏系统的装机容量，从而对光伏发电量进行模拟仿真。沈阳地区该项目建筑屋顶面积约为2 436 m2，周围无高大建筑物遮挡，屋顶表面平坦，无管道安装，适用于光伏系统设计。屋顶有一高5 m的建筑，占地面积为50 m2，考虑到遮挡问题，屋顶实际可利用面积约为2 256 m2。所选择的光伏电池板型号和基本参数如表2所示。

表2选取光伏电池板参数

结合屋顶实际遮挡情况、光伏组件间距和组件参数，将该建筑屋顶大致分为3个安装区域，完成该项目建筑屋顶安装分布如图3所示。

图3建筑屋顶光伏安装分布

由图3可知，光伏板3个区域的安装情况分别为2排8个光伏板、3排18个光伏板、4排12个光伏板，估计其总装机容量约为29.5 kWp。

4光伏系统发电量估计

基于PVSYST软件，对该项目屋顶光伏进行发电量仿真计算，已得到的评估数据信息如下：

沈阳地区建筑屋顶光伏装机容量为29.5 kWp，方阵倾角为36°，光伏组件参数如表1所示，组件间距取4.5 m。

图4表示的是上述数据在PVSYST中的设定。

图4光伏组件固定倾角、组件间距与参数设定

经PVSYST软件模拟仿真得出的发电量结果如图5和表3所示。

图5项目光伏仿真结果

表3发电量与辐射量等相关数据

5结论

根据图5和表3中的仿真结果，从太阳能资源利用角度来看，设计倾角为36°后，光伏板年接收辐射量与水平辐射量相比，由3.54 kW·h/(m2·d)上升为4.09 kW·h/(m2·d)，由太阳能资源丰富程度划分标准可知，相当于太阳能丰富地区的水平辐射量，仿真结果说明该光伏项目提高了光照资源利用率。

从发电量的角度来看，软件估计的年发电量为34.6 MW·h/a，3月到6月的发电量持高，冬季发电量较低，一年内月发电量最高可达到3 679 kW·h，最低为1 939 kW·h。再结合图5中的c图，预计20 a内可以回收成本，具有一定的经济效益。因此，通过以上评估分析，确定了该光伏项目的可行性和经济性，评估结果具有实际意义，为工程设计提供了参考。