呂發(fā)明

（江西省電力設(shè)計院，江西南昌 330096）

0 引言

光伏方陣可分為固定式和跟蹤式兩大類，根據(jù)光伏方陣的安裝容量、安裝場地面積和特點以及經(jīng)濟(jì)性比較確定方陣的類型，屋頂光伏電站多采用固定式。在固定安裝的電池組件傾斜角設(shè)計時，從氣象部門獲得的太陽能總輻射量理論上是水平的，而實際光伏電池組件在安裝時通常會呈一定的傾角從而獲得更多的太陽能。根據(jù)國際上公認(rèn)的Retscreen的計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計算出不同傾斜面上的月平均太陽輻照量，然后進(jìn)行比較，得出全年最大太陽輻照量所對應(yīng)的傾角。但實際工程中這種計算出最佳的傾角對土地及場地使用利用率是比較低的，本文以江西南康家具交易市場屋頂光伏電站項目為例進(jìn)行綜合論證。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計原則

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

分布式光伏電源系統(tǒng)由太陽能電池陣列、逆變器、匯流箱、配電柜、環(huán)境監(jiān)測儀和數(shù)據(jù)采集器等組成。微氣象裝置和光伏組件安放在日照良好的樓頂，控制裝置（如逆變器、配電柜、數(shù)據(jù)采集器等）集中安裝在配電室內(nèi)，便于管理和維護(hù)；就地實施系統(tǒng)運(yùn)行控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)送入位于共青供電公司大樓內(nèi)的新能源服務(wù)器，通過104規(guī)約在可視化平臺中進(jìn)行集中展示。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計原則

光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計以使整個系統(tǒng)具有安全可靠性、先進(jìn)性和示范性等特性為基本原則，具體如下：

1）安全可靠性。為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置完整的監(jiān)控系統(tǒng)；采用多項自我保護(hù)和負(fù)載保護(hù)的安全措施；選用性能優(yōu)良、可靠性高的成熟技術(shù)產(chǎn)品；采用冗余技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全可靠性。

2）先進(jìn)實用性。選用的設(shè)備（防雷匯流箱、交直流配電柜等）為國內(nèi)或國際上先進(jìn)實用的技術(shù)和產(chǎn)品，建成后的系統(tǒng)易于使用和維護(hù)。

3）擴(kuò)充性和靈活性。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，擴(kuò)容簡單而靈活，增加數(shù)量的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)便于融入整個的在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

1.3 主要設(shè)備的設(shè)計與選

1）太陽能電池組件。

擬選用190Wp單晶硅太陽能電池組件，其工作電壓36.92V，開路電壓44.31V，并網(wǎng)逆變器直流工作電壓范圍通常為200～850V，考慮太陽能電池組件方陣排列效果及溫度系統(tǒng)影響，設(shè)置太陽能光伏電池組件串聯(lián)的組件數(shù)量Ns=12，單列串聯(lián)功率P=12×190=2280W。

2）光伏陣列傾角設(shè)計。

要設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)，只有水平面的輻射量是不夠的，必須計算出太陽電池方陣安裝傾斜面上的最大太陽能輻射量，這樣在安裝固定式光伏系統(tǒng)時，才會保證光伏系統(tǒng)的年最大發(fā)電量。從氣象站得到的資料,一般為水平面上的太陽輻射量,須換算成光伏陣列傾斜面的輻射量,才能進(jìn)行光伏系統(tǒng)發(fā)電量的計算。計算日輻射量的公式為：

式中

Rβ—傾斜方陣面上的太陽總輻射量；

D—散射輻射量,假定D與斜面傾角無關(guān)；

S—水平面上的太陽直接輻射量；

β—方陣傾角；

α—中午時分的太陽高度角。

對于北半球地理緯度=Φ的地區(qū),α與太陽赤緯角δ的關(guān)系如下:

α=90°-φ+δ

其中δ=23.45×sin[360×(284+N)/365](°)，N為一年中某日的日期序號，如1月1日的N=1，2月1日的N=32,12月31日的N=365等。根據(jù)以上公式計算可知：安裝傾角為20°為最佳傾角范圍，在該范圍內(nèi)太陽能輻照峰值小時數(shù)為：3.38kWh。

2 設(shè)計方案分析

2.1 光伏方陣

江西省南康市的緯度是26.2°，可得出并網(wǎng)光伏方陣最佳傾角為20°。根據(jù)南康方面提供的技術(shù)資料，本項目分A區(qū)、C區(qū)及E區(qū)三個區(qū)，理想狀態(tài)可用屋頂面積約72210m2，太陽電池組件安裝尺寸1640×992×40mm，考慮南北廣告牌影響，太陽電池方陣安裝時，底部離開地面3m。一般確定原則：冬至當(dāng)天9：00～15：00太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋。光伏方陣陣列不被遮擋間距應(yīng)不小于D。

計算公式如下：

式中：

φ為當(dāng)?shù)鼐暥?在北半球為正、南半球為負(fù))，該項目緯度取北緯26.2°；

L為光伏陣列傾斜面長度；

β為光伏陣列傾角。

該項目根據(jù)上式計算，20°和5°傾角傾斜安裝時，需保證在9∶00～15∶00時段內(nèi)前排電池板不會對后排產(chǎn)生影響。本工程地處北半球，最小間距確定原則是，冬至日的正常發(fā)電時間內(nèi)，后排的陣列不應(yīng)被前排陣列遮擋。正常發(fā)電時間根據(jù)太陽能輻射觀測數(shù)據(jù)確定。

南康家具交易市場屋面兩排太陽能光伏電池組件間距：

20°傾角傾斜安裝時為1786mm，5°傾角傾斜安裝時為457mm。

方案1：太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置見圖1。根據(jù)規(guī)范年峰值日照小時數(shù)約為1 350.11h，A、C、E區(qū)分別安裝太陽能電池板總數(shù)量為14658塊、8472塊、3339塊，共安裝太陽能電池板總數(shù)量為26469塊。

圖1 太陽能電池板按20°傾角正南正北方向布置圖

方案2：太陽能電池板按5°傾角正南正北方向布置，根據(jù)規(guī)范年峰值日照小時數(shù)約為1350.11h，A、C、E區(qū)分別安裝太陽能電池板總數(shù)量為18654塊、10984塊、4284塊，共安裝太陽能電池板總數(shù)量為33922塊。

2.2 發(fā)電量的計算

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范GB50797-2012》，光伏電站年發(fā)電量按下式（3）計算：

式中：HA—水平面太陽能總輻照量（kWh/m2，峰值小時數(shù)），根據(jù)上述南康市水平面太陽能輻照數(shù)據(jù)表，本光伏電站一年水平面太陽能總輻照量（即峰值小時數(shù)）為1300kWh/m2；20°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時數(shù)）為1350.11kWh/m2。

5°傾角方陣面上的一年太陽能總輻照量（即峰值小時數(shù)）為1320.91kWh/m2。

EP—上網(wǎng)發(fā)電量（kWh）

ES—標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1kWh/m2）

PAZ—組件安裝容量（kWp）。本光伏電站組件安裝20°傾角方陣時容量為6484.905kWp，發(fā)電量為857.53萬kWh，光伏電站組件安裝5°傾角方陣時容量為8310.89kWp，發(fā)電量為1097.79萬kWh。

K—綜合效率系數(shù)。

2.3 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

表1 兩種設(shè)計方案的對比

根據(jù)表1可得出方案二較方案一太陽能電池板數(shù)量增加了7453塊，總裝機(jī)容量增幅達(dá)28.16%，年均上網(wǎng)電量增加25.19%，工程總費(fèi)用增加28.16%，考慮一些公攤費(fèi)用及土地租用費(fèi)用，實際發(fā)生工程總費(fèi)用應(yīng)小于這個比例，綜合比較后方案二較優(yōu)。

3 結(jié)語

太陽能光伏屋頂發(fā)電電池組件布置受場地、環(huán)境的影響。光伏陣列傾角的選擇對項目的影響比較大，角度過大，裝機(jī)容量就會變小，年發(fā)電量就減少；角度過小，可能就會造成投資浪費(fèi)。隨著國家對土地資源利用要求的不斷提高，土地及屋頂場地資源的越來越稀缺，充分利用好現(xiàn)有土地資源，使光伏發(fā)電項目建成后達(dá)到社會效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化是我們追求的結(jié)果。

[1]GB50797-2012光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

[2]楊金煥.太陽能發(fā)電應(yīng)用技術(shù)-2版[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[3]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)-2版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.