光伏發電系統在工業建筑中的應用與節能分析

摘 要：為了響應國家雙碳政策，實現碳中和目標，提高可再生能源利用率，建筑行業已將太陽能光伏發電作為節能減排的主要手段之一。作為清潔可再生能源，太陽能與各類建筑的合理融合勢必成為建筑行業重要的研究和發展方向。鑒于此，基于發展背景，分析光伏系統設計環節及主要影響因素，結合實際案例解析工業建筑分布式光伏發電設計重點，采用PVsyst等仿真軟件對項目進行模擬分析，仿真得出具體數據，并綜合評估工業建筑光伏系統的能源收益與碳減排效果，以期為新能源技術發展與普及提供有價值的數據參考。

關鍵詞：光伏發電系統；新能源；工業建筑；PVsyst；碳減排

中圖分類號：TM615；TU852" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.006

0" " 引言

作為新能源的代表，太陽能憑借著取之不竭、用之不盡的特點，迅速成為全世界最重要的能源發展方向之一。隨著時代與技術更迭，與太陽能相關的各類產業如雨后春筍般涌現，光伏發電系統也應運而生。憑借著清潔、穩定、安全等優點，光伏發電技術迅速與各行業融合，其中建筑行業因其建設使用的能源消耗占比大，成為光伏發電發展的主要載體之一。

據統計，2023年我國日照條件豐富地區，太陽能最佳斜面輻照總量超過1 800 kW·h/m2，年日照時長超過1 500 h。鑒于此，各級政府出臺了各類激勵政策，鼓勵新建建筑屋面同步建設光伏發電系統，截至2023年8月，我國光伏發電的裝機容量已經超過5.2億kW。

利用建筑屋面建立分布式光伏電站，不僅響應了國家對于碳中和的號召，還能重塑能源結構，更提高了綠色建筑標準。相較于民用建筑，工業建筑一般具有屋面可利用面積大、空曠無遮擋等特點，這些特點與光伏組件的布置要求相符。本文結合實際案例，分析工業建筑光伏發電系統的設計重點，并采用PVsyst軟件進行建模和系統仿真，得出該項目全年發電量等數據，并對該項目的節能減排效果進行評估，以期為推動光伏系統推廣及深入研究提供參考。

1" " 項目條件分析

對于不同海拔、維度，在不同氣候條件下的太陽輻照量都不同，在設計初期，需要考慮不同地區的輻照量，結合當地氣候進行綜合分析，制定初步設計方案；同時掌握各類國家標準規范，綜合考慮各類系統影響因素，通過模擬軟件分析系統發電量及節能減排效果。

某項目位于廣西壯族自治區崇左市，北回歸線以南，屬南亞熱帶季風氣候，該地區氣候溫和，年日照時數1 600 h，年無霜期長達340天。項目所在地坐標為北緯22°26'，東經107°23'，海拔130 m。設計前采用Meteonorm分析項目氣象資料，再根據GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》判定，確定項目位于太陽能輻射豐富地區，適合建立太陽能發電系統。

項目為工業園區內一幢BAPV光伏形式的工業廠房，屋面鋪設固定式光伏組件。系統采用“自發自用，余電上網”模式。廠房平屋面朝向正南，屋面面積為3 070 m2，建筑高度27 m，共四層，周邊無遮擋物，屋面可利用面積大，自身遮擋少，組件排布條件良好。

2" " 太陽能系統方案設計

2.1" " 組件安裝分析

組件安裝通常考慮其方位角及傾角，方位角通常按照正南或偏西5°～10°考慮；傾角則需要衡量經緯度、海拔、陰影遮擋等因素，設計時需要通過公式計算，并采用軟件對其進行仿真，調整最佳的組件傾角與安裝間距，確保組件不受到其他建筑或前排組件陰影遮擋。利用公式計算出建筑屋面女兒墻及機房在冬至日09：00—15：00的陰影遮擋情況，并使用天正日照日影棒圖及PVsyst全天陰影動畫進行復核，確定屋面可利用面積為2 673 m2。如圖1所示，按照公式D≥H×cot αs×cos γ，計算出光伏組件之間無遮擋最小間距為0.9 m[1]。其中，γ為組件方位角。

2.2" " 光伏陣列排布

本項目采用單晶硅光伏電池，組件型號為LR5-

72HTH-560M，效率為21.7%。組件尺寸2 278 mm×1 134 mm×35 mm，每組最大功率560 W，開路電壓51.61 V，短路電流13.94 A，峰值功率電壓43.46 V，峰值功率電流12.89 A。通過組件參數，結合該項目所在地經緯度，采用PVsyst調整光伏組件最佳傾角為17°。組件陣列采用固定式支架安裝，面朝正南。根據前文計算出的組件最小間距，共鋪設702塊光伏組件，總裝機容量為393 kWp。再通過PVsyst建模布置光伏組件，采用全天陰影動畫分析陰影情況并進行調整，確保冬至日09：00—15：00組件無陰影遮擋，最終布置模型如圖2所示，未布置處為女兒墻及屋面機房陰影遮擋區域[2]。

2.3" " 逆變器選型

光伏組串以并聯形式接入逆變器，串、并聯數量需要通過逆變器的最大輸入電壓及MPPT電壓輸入范圍來計算，因此在計算前，需先根據平面布置圖及總裝機容量，確定逆變器型號[3]。本項目采用分區并網形式，總裝機容量為393 kWp，選用三臺華為SUN2000-110KTL-M2型逆變器，容配比為1.19，逆變器最大輸入電壓1 100 V，工作電壓范圍200～1 000 V，滿載MPPT電壓范圍540～800 V，額定輸入電壓600 V，額定有功功率115 kW，最大有功功率121 kW，額定輸出電壓220/380 V，額定輸出電流167.2 A。

2.4" " 組串并網設計

光伏組串串聯數量根據GB 50797—2012《光伏電站設計規范》[4]中6.4.2公式（6.4.2-2）進行計算。

≤N≤

式中：N為光伏組件的串聯數（N取整數）；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值；Vpm為光伏組件的工作電壓；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫；Kv′為光伏組件的工作電壓溫度系數。

將組件及逆變器數據代入公式，并在PVsyst軟件中模擬，當N取18，并聯組串數為39時，系統超配損失最低，發電效率最佳。在設計光伏陣列時，需要計算組串的輸出電壓，使其滿足逆變器輸入端的電壓范圍，通過公式U=Umpp×n計算（U為光伏陣列輸出電壓；Umpp為組件最大功率工作電壓；n為光伏陣列中組件總數），如圖3所示，該系統選用560 Wp單晶硅組件，每18塊組件串聯，39個組串并聯，共702塊組件，接入3臺110 kW逆變器[5]。

702塊光伏組件分為3個陣列，通過光電轉換，將產生的直流電通過專用電纜PV1-F-1×4 mm2輸送至3個110 kW逆變器，逆變器將直流電轉變為交流電并輸送至廠區新增低壓并網柜，并網柜接入廠區1 000 kVA變壓器低壓側，從而實現“自發自用，余電上網”的目標。

3" " 系統仿真分析

3.1" " 發電量分析

確定組件以及逆變器各項參數后，使用PVsyst通過實際項目模型對系統整體進行仿真分析。

該系統組件數量為702塊，總標稱功率393 kW，項目年總發電量為396 095 kW·h，年單位發電量為1 008 kW·h/kWp，系統效率為84.56%。

轉換為單位發電量損失如圖4所示，日有效發電量為2.76 kW·h/kWp，即1 kWp光伏組件每天可以轉換2.76 kW·h電[6]。

3.2" " 損失分析

在光伏系統運行時，系統各階段因素都會導致發電量的損失，包括天氣、溫度、組件角度、串并聯方案、逆變選型等，采用PVsyst軟件對具體損失流向進行模擬，得出數據：因溫度升高導致的發電量損失為6.43%，輻照強度導致的損失為1.26%，安裝、組串配置導致的損失為2.15%。轉換為單位發電量損失如下：光伏陣列的采光損失為每天0.46 kW·h/kWp，逆變器系統損失為每天0.05 kW·h/kWp。因此，在進行系統配置時，要考慮組件溫度衰減、最佳傾角及最佳串并聯數量，通過PVsyst進行模擬并調整，選取最佳方案以減少發電量損失。

3.3nbsp; " 碳減排仿真分析

作為全球最大的火力發電國家，中國2023年火力發電量占全年總發電量的69.5%，能源消耗及排放量巨大。根據報告顯示，2023年全國供電標準煤耗平均值為302.7 g標準煤/（kW·h），該數據表示1 kW·h電平均需要消耗302.7 g標準煤，同時消耗4 L純凈水，產生0.997 kg二氧化碳、0.015 kg氮氧化物、0.03 kg二氧化硫以及0.272 kg碳粉塵[7]。該類物質對于人類健康、環境、溫室效應、空氣質量等都會產生一定的影響。通過換算，本文所設計的光伏發電系統通過PVsyst仿真，按照項目年總發電量396 095 kW·h，計算出每年碳減排效果如表1所示。

3.4" " 能效分析

根據項目仿真數據得知，裝機容量為393 kWp的光伏發電系統，每年可為企業提供39萬kW·h的發電量，以廣西崇左市峰值工業電價為標準，每年可為企業節約25萬元以上的用電費用；而采用“自發自用，余電上網”并網模式，也能在企業用電量較低時將電能輸入電網，為企業增加經濟效益。該系統全生命周期一般超過25年，按照目前光伏安裝維護成本計算，6～8年可收回投資成本，經濟效益良好。

仿真數據顯示，393 kWp的小型光伏發電系統每年可節約超百噸標準煤，減少四百多噸的二氧化碳及其他有害物質排放，而對于兆級以上的大型光伏發電站，其在全生命周期內的節能減排效果將更為顯著。由此得知，全面普及光伏發電系統，可減少各類有害物質排放對空氣造成的污染，對環境及不可再生資源進行有效保護；同時對于促進我國能源結構的轉變升級，減少中國對于傳統能源的過度依賴，實現可持續發展具有重要意義。

4" " 結束語

本文以實際項目為例，采用Meteonorm確定項目地氣候數據，并結合PVsyst軟件進行建模、設備選型、仿真，分析了分布式光伏發電項目在實際工程設計中的重點，模擬項目年光伏發電量、系統效率、損失流向等具體數據，明確光伏發電系統的能源收益及碳減排效果，為推動光伏行業發展，保護不可再生資源及生態環境，實現碳中和目標提供了數據支持。

[參考文獻]

[1] 張斐.南方工業廠房屋頂光伏一體化構造研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

[2] 吳奕奇，薛劍飛，王佳妮.基于校園屋頂的分布式光伏發電系統設計[J].現代建筑電氣，2021，12（7）：69-74.

[3] 韓志華，劉秦.分布式光伏發電系統電氣設計分析[J].光源與照明，2023（1）：133-135.

[4] 光伏電站設計規范：GB 50797—2012[S].

[5] 張強.建筑“光儲直柔”配電系統設計要點淺析[J].現代建筑電氣，2023，14（12）：17-24.

[6] 劉裕舸.校園屋頂分布式光伏發電系統方案設計[J].紅水河，2023，42（1）：69-74.

[7] 蔡煥寧.太陽能光伏發電系統在民用建筑中的應用分析[J].建筑電氣，2018，37（2）：45-50.

收稿日期：2024-04-09

作者簡介：張云柯（1987—），男，陜西西安人，工程師，從事建筑電氣及新能源研究工作。