某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設計探討

戴 軍 宋占強

(1.山西大學電力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設計探討

戴 軍1宋占強2

(1.山西大學電力系，山西 太原 030013； 2.山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

分析研究了太陽能光伏系統(tǒng)的設計標準、設計特點及設計方法，結合某體育館屋頂并網光伏系統(tǒng)項目的實際案例，闡述了屋頂并網光伏系統(tǒng)光伏組件、逆變器的選擇；光伏陣列方位角、傾斜角、安裝間距對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，為今后的類似設計提供參考依據。

太陽能，分布式光伏系統(tǒng)，最佳傾角，并網逆變器

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 背景及現狀

隨著城市化率的提高，建筑領域的能耗和排放均會快速增長，建設終端能耗會占到全社會總能耗的40%左右。國務院《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中明確提出，到2015年單位國內生產總值能耗比2010年下降16%。完成這一目標，建筑領域節(jié)能減排舉足輕重。近幾年，國家高度重視可再生能源的推廣，提出2020年非化石能源占一次能源消費比例達到15%的戰(zhàn)略目標。在可再生能源中，太陽能是一種安全清潔、普遍廣泛和具有潛力的替代能源。通過光伏電池將太陽輻射能轉換為電能的光伏技術，是開發(fā)和利用太陽能的最靈活、最方便的方式。

1.2 分類與應用

光伏系統(tǒng)可分為獨立光伏系統(tǒng)和并網光伏系統(tǒng)兩大類。獨立型光伏系統(tǒng)是通過光伏電池將太陽光的光能直接轉換成電能，并通過控制器把產生的電能存儲于蓄電池中。當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理地分配到各個負載上；并網型光伏系統(tǒng)將光能轉變成電能后，經直流配線箱接入并網逆變器，經逆變器輸出交流電供負載使用，多余的電能通過電力變壓器等設備饋入公共電網。

光伏系統(tǒng)還可分為集中式光伏系統(tǒng)和分布式光伏系統(tǒng)。

分布式光伏系統(tǒng)，主要是安裝在建筑物上的光伏系統(tǒng)，簡稱“建筑光伏系統(tǒng)”即“BMPV”。主要有兩種形式：

1)BAPV：附著在建筑物上的太陽能光伏系統(tǒng)，也稱為“安裝型”太陽能建筑光伏系統(tǒng)。它的主要功能是發(fā)電，與建筑物功能不發(fā)生沖突，不破壞或削弱原有建筑物的功能。

2)BIPV：與建筑物同時設計、同時施工和安裝并與建筑物形成良好結合的太陽能光伏系統(tǒng)，也稱為“構建型”和“建材型”太陽能建筑光伏系統(tǒng)。它作為建筑物外部結構的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構件和建筑材料的功能，與建筑物形成良好的統(tǒng)一體。

2 某體育中心屋頂光伏系統(tǒng)的設計

2.1 工程概述

位于山西省太原市的某體育館建筑，市中心地理坐標東經112°33′，北緯37°54′。體育館占地面積：26 718.94 m2，總建筑面積：17 022.28 m2，建筑高度：23.223 m。屋頂面積較大，開闊平坦，建筑構件較少。可用于光伏發(fā)電的總面積約6 700 m2。

2.2 當地太陽能資源和氣象數據

山西省太原市所處的北半球中緯度地理位置和山西高原的地理環(huán)境，使之能夠接受較強的太陽輻射，光能熱量比較豐富。年太陽輻射總量為5 442.8 MJ/m2～5 652.18 MJ/m2。4月～8月太陽輻射總量占年太陽輻射總量的65%左右，其中5月是各月總輻射量最大月份，為666 MJ/m2；11月～12月太陽輻射總量僅占全年總量的21%，而一般12月是各月總輻射量最少月份，僅250 MJ/m2。

太原市年日照總時數為2 360 h～2 796 h。5月份日照時間最多，約占全年日照數的10.5%；2月份日照時數最少，約占全年日照時數的6.8%。日照百分率地理分布為南部少于北部，盆地少于山區(qū)。平均峰值日照時數h=4.83 h，太陽高度角αS=15.57°。

2.3 光伏系統(tǒng)的設計

1)光伏系統(tǒng)形式。該光伏系統(tǒng)安裝容量較小，可就地消納，為降低造價和運營費用，采用0.4 kV并網型光伏系統(tǒng)。

2)光伏組件的選擇。光伏組件應根據類型、峰值功率、轉換效率、溫度系數、組件尺寸和重量、功率輻照度特性等技術條件進行選擇，并應按太陽輻照度、工作溫度等使用環(huán)境條件進行性能參數校驗。太陽輻射量較高、直射分量較大的地區(qū)宜選用晶體硅光伏組件或聚光光伏組件；太陽輻射量較低、散射分量較大、環(huán)境溫度較高的地區(qū)宜選用薄膜光伏組件。

在本系統(tǒng)設計中，選用國內優(yōu)質高效的250 Wp多晶硅組件，組件參數見表1。

表1 組件參數表

3)光伏組件的方位角和傾斜角。

a.光伏組件的方位角。光伏組件的方位角是組件的垂直面與正南方的夾角，向東設為負，向西設為正。通常方位角為0°時，發(fā)電量最大，因此根據場地條件，光伏組件的方位為正南，方位角為0°。

b.光伏組件的傾斜角與陣列之間距離。光伏方陣采用固定式布置時，最佳傾角應結合當地的多年月平均輻照度、直射分量輻照度、散射分量輻照度、風速、雨水、積雪等氣候條件進行設計，對于并網光伏發(fā)電系統(tǒng)，傾角宜使光伏方陣的傾斜面上受到的全年輻照量最大。

參考美國國家航空航天局(NASA)數據庫，通過對NASA提供的太原市2008年—2012年太能輻射數據的分析可以得出以下結論：

第一，光伏方陣固定安裝傾角為37°～38°，全年輻射量最大；光伏方陣單軸追蹤安裝傾角為39°，全年輻射量最大。

第二，太陽水平方向總輻射量逐月來看，最大值出現在4月～6月，最小值出現在11月～12月。太陽輻射月際變化明顯，其變化規(guī)律與太陽高度角變化規(guī)律基本一致。

第三，光伏方陣按一定傾角安裝，月輻照量最大值、最小值出現的月份前后有差異。

第四，光伏方陣按一定傾角固定安裝，年總輻照量增加約15%～20%；光伏方陣單軸追蹤年總輻射量增加約50%～60%；月總輻射量冬季增大幅度較大。

第五，光伏方陣加裝追蹤裝置，可以增加輻射量，但投資增大，后期維護復雜。

在北半球，對應最大日照輻射接收量的平面為朝向正南面，方陣傾角確定后，南北向方陣間要留出合理的間距，避免出現陰影遮擋。前后間距為：冬至日(一年當中物體在太陽下陰影長度最長的一天)9：00 ～15：00時，組件之間南北方向無陰影遮擋。

根據公式：

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

其中，φ為當地緯度(在北半球為正，南半球為負)，(°)；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯-23.45°；ω為時角，上午9：00的時角為45°；β為陣列傾角，(°)；D為兩排陣列之間距離，m；L為陣列傾斜面長度，m。

太原φ=37.8°，αS=15.57°，D=L(cosβ+2.651sinβ)；當陣列傾角β=31°～38°時，兩排陣列之間距離見表2。

表2 不同陣列傾角下兩排陣列之間的距離

當陣列傾角加大時，光伏陣列的間距會增大，給定面積內的光伏組件數量就會減小，因此要得到年最大發(fā)電量，要綜合考慮光伏方陣的傾斜面上全年輻射量最大和光伏組件安裝數量的關系。

通過RETScreen軟件優(yōu)化，最終確定系統(tǒng)配置：光伏組件固定安裝，安裝傾斜角32°，兩排陣列之間距離光伏組件長向為1.8 m，短向為2.23 m。

4)光伏組件的安裝功率。結合體育場屋頂的結構現狀，屋頂的面積，計算得出光伏組件安裝數量1 600塊。安裝總功率為400 kWp。

5)并網逆變器。逆變器要遵循高可靠、高效率、寬范圍、高質量、高性價比的原則，按形式、容量、相數、頻率、冷卻方式、功率因數、過載能力、溫升、效率、輸入輸出電壓、最大功率點跟蹤(MPPT)，保護和監(jiān)測功能、通信接口、防護等級等技術條件進行選擇。還應按環(huán)境溫度、相對濕度、海拔高度、地震烈度、污穢等級等使用環(huán)境條件進行校驗。

并網逆變器的總額定容量應根據光伏系統(tǒng)裝機容量確定。其允許的最大直流輸入功率應不小于其對應的光伏方陣的實際最大直流輸出功率，同時考慮到逆變器負荷率低會使系統(tǒng)效率降低，價格隨容量上升，且當日射強度接近最大值時，光伏電池溫度上升，出力下降，逆變器效率隨之下降，因此，逆變器容量選擇盡量接近太陽電池板的容量，無需太大。

6)光伏組件串。在本系統(tǒng)設計中，使用國內優(yōu)質高效的250 Wp多晶硅光伏組件，計算組件串聯數量時，必須根據組件的工作電壓和逆變器直流輸入電壓范圍，同時需要考慮組件的開路電壓溫度系數，根據并網逆變器性能參數，最高電壓為880 V，最大MPPT電壓為820 V，最小MPPT電壓為450 V，如多晶硅組件的開路電壓為38.4 V，峰值工作電壓為30.4 V，組件開路電壓溫度系數為-0.34%/℃。根據計算，組件串聯數在20～22比較合適。

為了保證發(fā)電效率和方陣的合理排列，采用20件組件為1個組件串。組件并聯方式設計方面，是根據組件峰值工作電流大小以及逆變器最大允許輸入電流，直流匯流箱采用10路匯1路，即10串組件為一并。

7)發(fā)電量估算。太陽能組件方陣年發(fā)電量：

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

其中，HA為水平面太陽能總輻照量,kWh/m2(峰值小時數)；EP為上網發(fā)電量，kWh；ES為標準條件下的輻照度，常數=1 kWh/m2；PAS為組件安裝容量，kWp；K為綜合效率系數。

綜合效率系數K由下列系數相乘而得：

組件類型修正系數是光伏組件的轉換效率在不同輻照度、不同波長時，該修正系數應根據組件類型和廠家參數確定，晶體硅電池取1.0；光伏方陣的傾角、方位角的修正系數97.0%；光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率η取98.0%；光照利用率取1.0；逆變器效率取97.0%；系統(tǒng)線路損耗99.0%；光伏組件表面污染修正系數取95.0%；光伏組件轉換效率修正系數90.0%；則綜合效率系數K=0.78。

25年運營期內的發(fā)電量，考慮光伏組件運行10年后效率開始逐步下降，發(fā)電量也隨之下降，見表3。

表3 25年運營期內的發(fā)電量

8)防雷與接地系統(tǒng)。設置屋頂光伏系統(tǒng)的建筑應采取防雷措施，建筑物的防雷等級分類及防雷措施按GB 50057—2010建筑物防雷設計規(guī)范的相關規(guī)定執(zhí)行。屋頂設置光伏系統(tǒng)的建筑由于屋頂金屬構件較多，雷擊損失較大，年預計雷擊次數的計算時，校正系數可按1.7～2.0選取。

光伏組件需采取嚴格措施防直擊雷和雷擊電磁脈沖，防止建筑光伏系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)遭到破壞。防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的措施按GB 50057—2010建筑物防雷設計規(guī)范的相關規(guī)定執(zhí)行，光伏接線箱內裝設SPD。

光伏陣列的支架、緊固件等正常時不帶電金屬材料要采取防雷措施和等電位聯結措施。安裝在建筑屋面的光伏組件，采用金屬固定構件時，每排(列)金屬構件均可靠聯結，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于兩點可靠聯結；采用非金屬固定構件時，不在屋頂避雷裝置保護范圍之內的光伏組件，需單獨加裝避雷裝置。

2.4 系統(tǒng)的能效分析

建成后，按照火電機組平均供電標準煤耗326 g/(kWh)計算，每年可節(jié)約標煤見表4，節(jié)能效益和環(huán)境效益十分顯著。

表4 節(jié)能效益和環(huán)境效益

3 結論與展望

分布式光伏系統(tǒng)建在建筑物屋頂上，具有容量小、電壓等級低、接近負荷、對電網影響小；輸配電成本低，不需要對電網進行改造，可直接用于建筑本身用能需求，有效減少大量的輸變電損失；還可在迎峰度夏階段較好地起到削峰作用，減少高峰電力需求；同時有效地利用建筑屋頂和幕墻，減少土地利用，光伏構件與建筑一體化安裝，具備建筑功能，并可改善建筑遮陽、隔熱性能。因此分布式光伏系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。推動太陽能光伏建筑應用是促進建筑節(jié)能的重要內容，對緩解城鄉(xiāng)建設領域能耗需求，調整能源結構具有十分重要的現實意義。

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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 軍(1969- )，女，高級工程師； 宋占強(1984- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)16-0121-03

TU113

A