屋頂光伏項目安裝傾角的選擇

勞大實

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

1 分布式光伏發電系統的特點

分布式光伏電站通常是指利用分散式資源，裝機規模較小的、布置在用戶附近的發電系統，一般接入低于35kV或更低電壓等級的電網，其采用光伏組件將太陽能直接轉換為電能。目前應用最為廣泛的分布式光伏電站系統是建在建筑物屋頂的光伏發電項目。該類項目通常就近接入公共電網，與公共電網一起為附近的用戶供電。與傳統的集中式光伏發電相比，分布式光伏電站具有線路傳輸損耗小、占地面積小和運行靈活等優勢。

2 分布式光伏電站設計分析

由于建筑屋頂空間條件十分有限，光伏組件采用不同安裝傾角時，受組件遮擋影響，系統安裝容量有明顯區別，同時其發電效率也隨之變化。因此，分布式光伏電站的建設成本、項目收益與光伏組件安裝傾角具有直接關系。分布式光伏電站的初步設計方法見圖1。

圖1 分布式光伏電站初步設計方法

下面根據某一個具體的分布式光伏電站，不同傾角的設計方案來分析說明組件安裝傾角與項目發電量及收益的關系。

3 光伏電站基本條件

本項目辦公樓所處位置為北京市通州區，太陽能資源豐富，多年平均總輻射為 5 049MJ/m2。根據我國太陽能資源區劃標準，該地區接近II 類“很豐富帶”，適合開展光伏電站的建設。當地太陽能資源情況如表1。

北京氣象站實測年的總輻射日變化見圖2。可以看出，總輻射呈現出明顯的日變化趨勢，從6:00(北京時間)開始出現一定強度的太陽輻射，在中午13:00 的時候太陽輻射強度達到最大值，而后開始逐漸的減弱。一天中太陽輻射強度較大的時段主要集中在中午前后的10:00～15:00。

當地太陽能資源情況 表1

圖2 北京氣象站實測年的總輻射日變化

本項目為辦公樓，總建筑面積約3萬m2，地上8層，地下2層，建筑總高度38m。項目屋頂建筑形式為平屋頂，屋頂面積2 500m2。光伏系統采用單晶295Wp電池組件，發電并網，自發自用，安裝單位平均電價：0.94元/kWh。

4 組件串聯數計算

光伏組件串聯數量計算，按照GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》中組串計算公式：

(1)

式中，Vdcmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V；Vmppt min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Vmppt max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Voc為光伏組件開路電壓，V；Vpm為光伏組件工作電壓，V；Kv為光伏組件開路電壓溫度系數；K′v為光伏組件工作電壓溫度系數；t′為光伏組件工作條件下的極限最高溫度，℃；t為光伏組件工作條件下的極限最低溫度，℃；N為光伏組件串聯數(N取整)。

經過計算該項目組件串聯數為20，選擇N=20。

5 最佳傾角計算

固定式光伏方陣在某一傾角下傾斜面所接收到的年總輻射量最大，則稱該傾角為最佳傾角。最佳傾角的計算方法有好多種，可以通過多種方法的計算結果進行綜合考慮后最終確定，目前較為常用的是根據國家標準推薦值或軟件仿真結果。GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》中給出了北京地區并網發電系統的最佳傾角參考值為32.8°。通過PVsyst 光伏設計軟件的仿真后得出當地的最佳傾角為33°。可以看出兩者相差不大，綜合考慮后，在本項目設計中選定最佳傾角為33°。

6 組件安裝間距計算

分布式光伏發電系統一般需要分前后多排安裝光伏組件。分布式光伏發電系統中，固定式支架南北間距確定原則為：一年中冬至日太陽高度角最低，方陣間距D應大于冬至日真太陽時上午9:00 和下午3:00時的陰影的最大長度，保證在該時段不發生陰影遮擋，則光伏陣列一年之中太陽能輻射較佳利用范圍內就不會發生陰影遮擋。計算最小間距的原理圖如圖3。

圖3 計算組件支架最小間距的原理圖

圖3中，L為光伏板斜面長度；D為兩排支架之間距離；β為方陣傾角；αs為太陽高度角；γs為太陽方位角。光伏方陣陣列間距或可能遮擋物與方陣底邊垂直距離應不小于D，其中方陣間距D的計算公式為：

D=Lcosβ+Lsinβ(cosωtanψ-tanδ)/

(tanδtanψ+cosω)

(2)

式中，L為組件斜面長度；D為兩排方陣之間的距離；β為方陣傾角；ψ為緯度，場區中心緯度36.73°；δ為太陽赤緯，冬至日δ=-23.45°；ω為時角，9:00和15:00對應的ω分別為45°和-45°。

組件采用雙排布置，通過上述公式計算得出不同安裝傾角的組件陰影長度。

7 裝機容量統計

掌握了最佳傾角的概念及組件安裝間距的計算方法后，就可以開展下一步工作了。為了分析不同傾角下光伏系統安裝容量及發電量，按照從平鋪安裝到最佳傾角(33°)的順序，分別計算各自的安裝容量及發電量情況，考慮到組件檢修空間及運維清洗的需要，不選擇0°傾角的方案，因此計算傾角從5°開始，按照每增加5°傾角為一檔，分別計算組件安裝傾角為：5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°和最佳傾角33°等八種情況。

通過組件排布設計后，可以統計出組件在不同安裝傾角情況下的裝機容量如表2。

不同傾角裝機容量統計表 表2

8 發電量計算

確定了系統安裝容量后，就要對發電量進行計算。光伏電站的年發電量會隨著組件設備的老化而逐年遞減，通常光伏系統壽命按25年計算，因此計算發電量應按照25年全壽命期進行逐年計算。年發電量的統計不僅要考慮裝機容量，還要考慮安裝地點的峰值日照時數、組件衰減，系統效率和遮擋等因素。為了簡化說明，本文按照不同傾角下25年平均發電量進行分析。

根據PVSyst 光伏系統設計軟件得出不同傾角下25年光伏電站的年均發電量如表3。

不同傾角25年年均發電量統計表 表3

9 效益分析

光伏電站的建設成本包括組件和其他電氣設備的成本，一般電站建設成本在5～8 元/W，本文按照6 元/W的建設成本考慮。通過計算，得出不同傾角下的項目建設成本、總收益和度電成本，見表4。

不同傾角建設成本、總收益和度電成本 表4

通過表4 可以得出以下結論。

(1)組件安裝在最佳傾角的情況下，可以得到最高的發電效率，同時其度電成本最低，單位投入資金可以實現收益最大化；但此時安裝容量較小。

(2)組件安裝的傾角越小，前一排組件給后一排組件造成的遮擋越小，相同面積安裝的組件越多，同時發電量也隨之上升，其中采用10 °傾角時，其總發電量最多，凈收益最大。當然，組件的安裝角度也不能太小，因為要考慮到檢修通道以及組件清洗時水需要流下的情況，故組件上面的積雪下落也要求傾斜角不能太小。

(3)在屋頂面積有限的情況下，為了充分利用有限的資源條件，光伏發電系統并非簡單的按照最佳傾角安裝即可，而是應該具體分析不同傾角安裝條件下的裝機容量及發電量，從而得到最合理的裝機方案。

10 結束語