太陽能光伏發電系統綜合實訓課程教學改革與實踐

黃越 白喜來 王欣 石征錦

摘要 文章以丹東市工廠屋頂并網光伏供電系統設計為例，就應用SkechUP、PVsyst軟件開展太陽能光伏發電系統綜合實訓進行了探討，在光伏發電系統綜合實訓中應用上述軟件能夠激發學生的學習熱情，提高設計效率，設計過程更接近于工作實際，為學生走向工作崗位打下良好的基礎。

關鍵詞 光伏發電技術；SketchUp；PVsyst

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.044

我國電源結構中新能源主力是風力發電和太陽能發電，從目前的應用規模、發展速度和發展前景來看，太陽能光伏發電可能是未來發展最快、最有發展前途的一種新能源利用技術[1]。隨著光伏產業的高速發展，我國光伏行業在高級管理、高端研發、工程技術、信息化和復合型人才方面的需求將持續增加[2]。然而，高校在太陽能光伏發電實驗仿真方面，多以理論分析為主。例如借助Matlab/Simulink軟件，搭建實驗模型[3]，但這樣的設計結果呈現不直觀，滿足不了行業設計需求，也不適合面向產業需求的人才培養要求。為此，本文以丹東市工廠屋頂并網光伏供電系統設計為例，對太陽能光伏發電系統綜合實訓提出教學改革，提出一種應用SkechUP與PVsyst軟件相結合的計算機輔助設計光伏發電系統的方法，讓設計項目表達更加直觀、具體，使得工程設計更貼近行業實際應用。研究表明，在光伏發電系統綜合實訓中應用SkechUP、PVsyst軟件，能夠激發學生的學習熱情，提高設計效率，設計過程更接近于工作實際，在為學生走向工作崗位打下良好的基礎。

1基礎實例訓練教學設計——地面光伏電站設計

基礎實例訓練部分安排設計了四個實驗。分別為：PVSYST基本認識及軟件安裝、地理位置選擇和氣候數據建立與修正、PVSYST光伏電站模擬基本操作方法、PVSYST光伏電站詳細設計方法。每個實驗項目還設計了思考題。例如對比哈爾濱、甘肅武威兩地光伏電站設計，分析相同安裝方式、相同組件方陣容量、逆變器時，發電量的區別（注意兩地都要采用最佳傾斜角設置）。整理文檔，說明設計的步驟和系統結構。設計要求：建立哈爾濱和武威兩地氣候數據。分別建立兩個相同的90kW（范圍+5%）最佳固定傾角的地面光伏電站，逆變器數量8―10個左右。

2提升階段——基于SketchUP與PVsyst的丹東市工廠屋頂并網光伏供電系統設計

PVsyst是一款專業的光伏系統設計軟件，在基礎研究與應用開發等方面均可使用，在國內外得到了廣泛的應用[4]。在教學設計上，綜合實訓前期，學生根據實訓指導教程練習一些基礎案例，通過對基礎案例的練習迅速熟悉軟件的應用，并將理論課所學的內容進行實踐。綜合實訓后期為提升階段，加入基于SkechUP與PVsyst的三維建模和近場陰影仿真。三維建模設計仿真環節，讓設計更富有獨創性、創新性，且與工程實際更貼近，增強了設計方案的可讀性。

本文結合太陽能光伏發電系統綜合實訓基礎案例練習及學生設計的丹東市工廠屋頂并網光伏供電系統設計實例討論SketchUP與PVsyst軟件在太陽能光伏發電系統綜合實訓課程中的應用與實踐。

2.1工程概況

工程項目位于遼寧省丹東市臨港工業園區中某工廠屋頂。廠內有廠房兩座，整個廠區構成類似兩個L的形狀，工廠周圍較為開闊，僅有3根電線桿影響光伏板采光，北側有一員工食堂，計劃在兩個廠房屋頂鋪設光伏方陣，員工食堂屋頂可留作以后開發。該地位于北緯40.13°，年最高氣溫為34℃，歷史最低氣溫曾經達到-23℃。屬于太陽能資源分布中等地區，具備太陽能開發利用條件，可利用廠房屋頂安裝光伏發電系統。采用自發自用，余量上網模式。通過380V低壓并網，并網點設于箱式變電站低壓端光伏發電系統并網配電柜內。

2.2基于SkechUP的實際安裝場地情況3D建模仿真

PVsyst軟件具有三維建模和近場陰影仿真功能，但是PVsyst軟件三維建模功能一般，支持導入基于SketchUP的模型文件（3DS格式）。SketchUp是一款三維繪圖軟件，該軟件易于操作，3D建模效果好。

通過SkechUP建模得到的工廠模型與工程現場實際非常貼近，光伏組件的布設可在SkechUP環境中完成，也可以在PVsyst軟件中布設完成。由于SkechUP軟件沒有光伏系統相關組件，可以嘗試添加太陽能組件插件skelion v5.2.6。插件安裝成功即可在SkechUP仿真環境中布設光伏組件。本次設計采用的方案是將模型文件導入PVsyst軟件后再布設光伏組件。

2.3系統構成概述

該項目設計容量為322kW，整個系統共需要920個350Wp的單晶硅組件。分成2個方陣，分布在兩個廠房屋頂。設計為每20個光伏組件構成一個光伏組串，兩個屋頂各安裝光伏組件460塊，各構成23組光伏串，按照當地最佳傾角設計光伏方陣角度。系統設計使用4臺額定功率70kW的華為SUN2000-70KTL-INM03相智能型光伏逆變器，每臺帶6個MPPT，可有效減小組串不匹配。逆變器將光伏組件所產生的直流電轉換成380V的三相交流電，通過交流匯流箱、并網配電柜后并入箱式配電柜的380V三相交流電網中。

2.4系統連接

根據上面的組件布局進行逆變器mppt的分配，共4個逆變器，每個逆變器帶有6個mppt輸入。串連組件數為20，并聯組串數為46個。采用每個mppt接入兩個組串，剩余的一個mppt備用。

2.5 PVsyst仿真

2.5.1朝向參數選取

丹東處于北回歸線以北，緯度為40.13°。在PVsyst軟件中，組件安裝類型采用固定朝向安裝方式。當采光面傾角為38°，系統的方位角設定為0°時，輻射總量損失最小。

2.5.2系統設計參數選取

按照設計方案廠房屋頂實際可用于安裝組件的面積為1680m2，PVsyst可根據預設面積估算系統的容量配置，在“預設工具”旁輸入面積1680m2，在數據庫中選擇光伏組件，選擇生產廠家“longi Solar”標稱功率為350Wp型，“預設工具”會給出理論上的最大系統容量的參考值322.7Wp。在“選擇逆變器型號”中選擇逆變器型號，本設計選擇了4臺70kW的逆變器配置。“陣列設計”中選擇串聯組件數20，并聯組串數46。經過上述步驟，完成了新建項目必須要設置的三部分內容，包括“地理位置和氣象數據”“組件安裝方式”和“系統設置”，然后點擊“確定”確認完成。接下來設置近場遮擋和3D陰影仿真、系統損耗等。

2.5.3近場遮擋和3D陰影仿真

①模型導入及陰影分析。將SkechUP中已經設計好的模型導入到PVsyst近處遮擋中建模/透視圖部分即可。導入后，再按照系統設計要求布設光伏電池板。最終完成后的模型如圖2所示。

三維場景中包含了陰影遮擋物和有效的輻射接收區域，廠房一、廠房二南側的高壓輸電線路塔和電線桿對太陽能光伏板造成了局部遮擋。

②組件布局。按照設計方案排布組件，為方便接線，將同一陣列同一逆變器的組串劃分到同一區域，以減少線路帶來的損耗和成本，同時也可減少施工難度。

③損失。每個項目有自身的特點，存在著不同的損失參數，可以在“損失”進行細化設置。系統損耗主要包括熱損失、歐姆損耗、組件質量、不匹配、污穢損失、LAM損、廠用電、組件衰減、不可利用率和光譜校正等。通過PVsyst軟件計算可得到本系統的損失為：3.19%遠方遮擋、10.82%的近處遮擋輻照度損失，4.6%的陣列損失及1.34%的逆變器轉換過程中造成的損失。

2.6仿真結果分析

系統所有參數設置完畢后，在項目窗口點擊運行仿真，并輸出仿真報告，該光伏發電系統每年能夠產生電量372MWh，系統效率為79.6%。由仿真報告可得出系統在一年中的發電能力，年實際工廠用電量分別由陣列輸出和電網提供。628.25MWh的工廠用電量經過工廠屋頂最大利用面積的光伏太陽發電后，只需由電網提供277.51MWh的電量。其中并網電量為21.13MWh，3、4、5三個月為系統發電能力最高的時間段，此時正值春季，丹東地區溫度通常不超過20℃，溫度適宜，同時伴有“春旱”，降水較少，天氣晴朗，發電量較高。6、7、8、9四個月丹東地區溫度普遍較高，一般在25℃～30℃左右，溫度偏高，太陽能光伏板光電轉換能力下降，逆變器散熱條件也變差，同時7、8、9、10月正值雨季，多陰天，因此發電能力較3、4、5月有所下降。1、2、11、12這四個月正值冬季，由于北方溫度低，需要供暖，在這四個月天氣多霧霾，同時冬季下雪，積雪覆蓋太陽能板，也對太陽能板發電有明顯影響，因此這四個月發電量明顯偏低。

3課程設計應用效果

隨著光伏產業的快速發展，光伏系統設計等相關行業越來越離不開計算機工程模擬。在這里將SkechUP軟件與PVsyst軟件應用于太陽能光伏發電系統綜合實訓是實踐教學的一種有益嘗試。將工程設計項目首選地址確定為家鄉，可以激發學生服務家鄉新能源建設的熱情，學以致用，也實現了面向產業需求培養電氣工程及其自動化專業學生的復合型、個性化實踐能力的培養，該教學方案的實施取得了較好的教學效果，為學生走向工作崗位打下了良好的基礎。

參考文獻

[1]朱永強.新能源與分布式發電技術（第3版）[M].北京：北京大學， 2022.

[2]李文.2025年光伏行業從業者需求量將超55萬[N].中國工業報， 2022-07-14（03）.

[3]孫章，陳湘，閻鐵生，等.光伏發電技術實驗教學改革[J].科技視界， 2020（16）：45-47.

[4]王林青，王軍軍.PVSYST軟件在光伏發電技術課程設計中的應用[J].科教論壇，2019（8）：46-47.