屋頂分布式光伏電站優化設計

石 巍，崔旭萌，張彥昌

(1.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.北京理工大學，北京 100081)

1 概述

屋頂分布式光伏發電，是指利用已建或新建建筑物屋頂，做為光伏發電的承載體。目前主要利用的屋頂結構有混凝土屋面、輕鋼屋面和瓦屋面，輕鋼屋面和瓦屋面一般采取組件順坡布置方式，混凝土屋面可以采取組件最佳傾角布置或考慮一定傾斜角度的平鋪布置方式。但是究竟采用哪一種布置方式更加合理呢？本文采用度電成本的方法對此進行分析。

2 度電成本

平準化度電成本(Levelized Cost of Energy)，就是對項目生命周期內的成本和發電量進行平準化后計算得到的發電成本，即生命周期內的成本現值/生命周期內發電量現值。

3 混凝土屋面組件布置方案

3.1 混凝土屋面組件布置形式

通常混凝土屋面組件布置方案通常有4種(圖1～圖4)：一是單塊豎排布置；二是兩塊豎排布置；三是兩塊橫排布置；四是三塊橫排布置。

3.2 正南向的布置方案

武漢市某工廠廠區內有10棟廠房，廠房屋頂均為混凝土上人屋面，尺寸為150 m×40 m，單個廠房屋頂面積6000 m2。其中5棟廠房為正南朝向，另外5棟廠房為正南偏西20°朝向。

圖1 組件單塊豎排布置

圖 組件兩塊橫排布置

圖4 組件三塊橫排布置

圖5 組件單塊豎排布置10 kV并網度電成本分析曲線(一)

圖6 組件單塊豎排布置380 V并網度電成本分析曲線(一)

3.2.1 設計原則

首先我們在5棟正南朝向的廠房屋頂布置方案進行分析。確定設計原則如下：

(1)組件布置按照《光伏發電站設計規范》(GB50797－2012)的要求，在冬至日早上9點至15點之間沒有陰影遮擋。

(2)屋頂東南西北四個方向各留出1 m的距離作為檢修運維通道，同時也兼顧了女兒墻的陰影遮擋。

(3)南北方向每排之間預留1 m的距離作為檢修運維通道，東西方向每個組串之間(10～15 m)預留1 m的距離作為檢修運維通道。

(4)組件采用285 Wp單晶硅電池組件，尺寸為1650 mm×991 mm×40 mm。

(5)采用PVsyst軟件進行陰影分析和發電量計算，武漢地區的最佳安裝傾角為22°。

(6)并網電壓分別按10 kV和380 V進行分析。

3.2.2 成本分析

下面我們按4種組件布置方案，對正南朝向的5棟廠房屋頂按6°～22°的不同傾斜角進行度電成本分析。

(1)組件單塊豎排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖5、圖6。

從圖5和圖6可以看出，組件采用單塊豎排布置方案時，總的裝機規模一致，造價基本一致，但發電量不一致，導致度電成本隨著組件傾斜角度的變小而變大。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.49元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4539元/kWh。

(2)組件兩塊豎排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖7、圖8。

圖7 組件兩塊豎排布置10 kV并網度電成本分析曲線(一)

圖8 組件兩塊豎排布置380 V并網度電成本分析曲線(一)

從圖7和圖8可以看出，組件采用兩塊豎排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是隨著傾斜角變小，裝機規模變大，單位造價降低，度電成本減小。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4609元/kWh；380V并網時，最小度電成本為0.4322元/kWh。

(3)組件兩塊橫排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖9、圖10。

圖9 組件兩塊橫排布置10 kV并網度電成本分析曲線(一)

圖10 組件兩塊橫排布置380 V并網度電成本分析曲線(一)

從圖9和圖10可以看出，組件采用兩塊橫排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是先隨著傾斜角變小，發電量減少而緩慢增大，然后隨著裝機規模變大，單位造價降低而陡降，最后隨著傾斜角變小，發電量減少而增大。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4775元/kWh；380V并網時，最小度電成本為0.4442元/kWh。

(4)組件三塊橫排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖11、圖12。

圖11 組件三塊橫排布置10 kV并網度電成本分析曲線(一)

圖12 組件三塊橫排布置380 V并網度電成本分析曲線(一)

從圖11和圖12可以看出，組件采用三塊橫排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是先隨著傾斜角變小，發電量減少而緩慢增大，然后隨著裝機規模變大，單位造價降低而陡降，最后隨著傾斜角變小，發電量減少而增大。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4680元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4369元/kWh。

綜合以上4種組件布置形式的度電成本分析，列出每種形式的最低度電成本見表1。

表1 各種組件布置形式的最低度電成本

3.2.3 小結

綜合以上度電成本分析和表1，我們可以得出如下結論：

(1)武漢地區傾斜角對總輻射量影響較小。最佳傾斜角22°時較傾斜角6°時增加約3%的總輻射量。

(2)單位造價對度電成本的影響較大。在發電量影響較小時，裝機容量的增加可以將公共部分的造價水平攤低，因而降低了單位造價。

(3)屋頂的東西向長度對組件的布置形式影響較大，屋頂的南北向長度對組件采用的傾斜角影響較大。本項目的屋頂長度適合于采用組件兩塊豎排布置方案，寬度適合于采用8°傾斜角。

3.3 正南偏西20°的布置方案

3.3.1 成本分析

設計原則和2.2中的一致。下面我們按4種組件布置方案，對正南偏西20°朝向的5棟廠房屋頂按6°～22°的不同傾斜角進行度電成本分析。

(1)組件單塊豎排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖13、圖14。

圖13 組件單塊豎排布置10 kV并網度電成本分析曲線(二)

圖14 組件單塊豎排布置380 V并網度電成本分析曲線(二)

從圖13和圖14可以看出，組件采用單塊豎排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是先隨著傾斜角變小，發電量減少而緩慢增大，然后隨著裝機規模變大，單位造價降低而陡降，最后隨著傾斜角變小，發電量減少而增大。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4908元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4546元/kWh。

(2)組件兩塊豎排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖15、圖16。

圖15 組件兩塊豎排布置10 kV并網度電成本分析曲線(二)

圖16 組件兩塊豎排布置380 V并網度電成本分析曲線(二)

從圖15和圖16可以看出，組件采用兩塊豎排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是隨著傾斜角變小，裝機規模變大，單位造價降低，度電成本減小。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4638元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4349元/kWh。

(3)組件兩塊橫排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖17、圖18。

圖17 組件兩塊橫排布置10 kV并網度電成本分析曲線(二)

圖18 組件兩塊橫排布置380 V并網度電成本分析曲線(二)

從圖17和圖18可以看出，組件采用兩塊橫排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是隨著傾斜角變小，裝機規模變大，單位造價降低，度電成本減小。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4804元/kWh；380V并網時，最小度電成本為0.4470元/kWh。

(4)組件三塊橫排布置，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖19、圖20。

圖19 組件三塊橫排布置10 kV并網度電成本分析曲線(二)

圖20 組件三塊橫排布置380 V并網度電成本分析曲線(二)

從圖19和圖20可以看出，組件采用三塊橫排布置方案時，東西方向的布置列數基本一致，南北方向的布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是隨著傾斜角變小，裝機規模變大，單位造價降低，度電成本減小。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4721元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4406元/kWh。

(5)組件兩塊豎排朝正南向布置

考慮到除了以上4種組件布置形式外，還可以采用組件朝正南向布置，與屋頂形成20°的偏角。這種情況主要按組件兩塊豎排的布置形式進行分析，并網電壓分別為10 kV、380 V，見圖21、圖22。

圖21 組件兩塊豎排布置10 kV并網度電成本分析曲線(三)

圖22 組件兩塊豎排布置380 V并網度電成本分析曲線(三)

從圖21和圖22可以看出，組件采用朝正南向的兩塊豎排布置方案時，組件布置列數隨著傾斜角的變小而變大，裝機規模也變大。因此，度電成本的變化趨勢是隨著傾斜角變小，裝機規模變大，單位造價降低，度電成本減小。其中10 kV并網時，最小度電成本為0.4780元/kWh；380 V并網時，最小度電成本為0.4457元/kWh。

綜合以上5種組件布置形式的度電成本分析，列出每種形式的最低度電成本見表2。

表2 各種組件布置形式的最低度電成本

3.3.2 小結

綜合以上度電成本分析和表2，我們可以得出如下結論：

(1)武漢地區方位角對總輻射量影響較小。當正南偏西20°布置，最佳傾斜角22°時的總輻射量只有非常小的變化，通過陣列之間距離的變大基本上可以維持總輻射量不變；

(2)組件采用單塊豎排和兩塊橫排的布置形式時，考慮到每排陣列之間預留1 m的距離作為檢修運維通道，限制了裝機規模，導致單位造價偏高，度電成本偏低。

(3)本項目中正南偏西20°朝向的廠房，屋頂適合于采用兩塊組件豎排布置方案，采用6°傾斜角。

4 結論

針對以上分析結果，并結合工程實際，我們可以得到以下結論：

(1)武漢地區傾斜角和方位角對總輻射量影響較小。最佳傾斜角22°時較傾斜角6°時增加約3%的總輻射量。當正南偏西20°布置，最佳傾斜角22°時的總輻射量只有非常小的變化。

(2)組件采用單塊豎排和兩塊橫排的布置形式時，考慮到每排陣列之間預留1 m的距離作為檢修運維通道，限制了裝機規模，導致單位造價偏高，度電成本偏低。

(3)單位造價對度電成本的影響較大。在發電量影響較小時，裝機容量的增加可以將公共部分的造價水平攤低，因而降低了單位造價。

(4)屋頂的東西向長度對組件的布置形式影響較大，屋頂的南北向長度對組件采用的傾斜角影響較大。

本項目中對于正南朝向的廠房，屋頂適合于采用8°傾斜角的兩塊組件豎排布置方案；對于正南偏西20°朝向的廠房，屋頂適合于采用6°傾斜角的兩塊組件豎排布置方案。

[1] 水利電力部西北電力設計院．電力工程電氣設計手冊[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[2] 楊金煥，于化叢，葛亮．太陽能光伏發電應用技術[M]．北京：北京電子工業出版社，2009．

[3] GB 50797－2012，光伏發電站設計規范[S]．

[4] QX/T 89－2008，太陽能資源評估方法[S]．