屋顶光伏项目安装倾角的选择

劳大实

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

1 分布式光伏发电系统的特点

分布式光伏电站通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的发电系统，一般接入低于35kV或更低电压等级的电网，其采用光伏组件将太阳能直接转换为电能。目前应用最为广泛的分布式光伏电站系统是建在建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目通常就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。与传统的集中式光伏发电相比，分布式光伏电站具有线路传输损耗小、占地面积小和运行灵活等优势。

2 分布式光伏电站设计分析

由于建筑屋顶空间条件十分有限，光伏组件采用不同安装倾角时，受组件遮挡影响，系统安装容量有明显区别，同时其发电效率也随之变化。因此，分布式光伏电站的建设成本、项目收益与光伏组件安装倾角具有直接关系。分布式光伏电站的初步设计方法见图1。

图1 分布式光伏电站初步设计方法

下面根据某一个具体的分布式光伏电站，不同倾角的设计方案来分析说明组件安装倾角与项目发电量及收益的关系。

3 光伏电站基本条件

本项目办公楼所处位置为北京市通州区，太阳能资源丰富，多年平均总辐射为 5 049MJ/m2。根据我国太阳能资源区划标准，该地区接近II 类“很丰富带”，适合开展光伏电站的建设。当地太阳能资源情况如表1。

北京气象站实测年的总辐射日变化见图2。可以看出，总辐射呈现出明显的日变化趋势，从6:00(北京时间)开始出现一定强度的太阳辐射，在中午13:00 的时候太阳辐射强度达到最大值，而后开始逐渐的减弱。一天中太阳辐射强度较大的时段主要集中在中午前后的10:00～15:00。

当地太阳能资源情况 表1

图2 北京气象站实测年的总辐射日变化

本项目为办公楼，总建筑面积约3万m2，地上8层，地下2层，建筑总高度38m。项目屋顶建筑形式为平屋顶，屋顶面积2 500m2。光伏系统采用单晶295Wp电池组件，发电并网，自发自用，安装单位平均电价：0.94元/kWh。

4 组件串联数计算

光伏组件串联数量计算，按照GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中组串计算公式：

(1)

式中，Vdcmax为逆变器允许最大直流输入电压，V；Vmppt min为逆变器MPPT电压最小值，V；Vmppt max为逆变器MPPT电压最大值，V；Voc为光伏组件开路电压，V；Vpm为光伏组件工作电压，V；Kv为光伏组件开路电压温度系数；K′v为光伏组件工作电压温度系数；t′为光伏组件工作条件下的极限最高温度，℃；t为光伏组件工作条件下的极限最低温度，℃；N为光伏组件串联数(N取整)。

经过计算该项目组件串联数为20，选择N=20。

5 最佳倾角计算

固定式光伏方阵在某一倾角下倾斜面所接收到的年总辐射量最大，则称该倾角为最佳倾角。最佳倾角的计算方法有好多种，可以通过多种方法的计算结果进行综合考虑后最终确定，目前较为常用的是根据国家标准推荐值或软件仿真结果。GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中给出了北京地区并网发电系统的最佳倾角参考值为32.8°。通过PVsyst 光伏设计软件的仿真后得出当地的最佳倾角为33°。可以看出两者相差不大，综合考虑后，在本项目设计中选定最佳倾角为33°。

6 组件安装间距计算

分布式光伏发电系统一般需要分前后多排安装光伏组件。分布式光伏发电系统中，固定式支架南北间距确定原则为：一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距D应大于冬至日真太阳时上午9:00 和下午3:00时的阴影的最大长度，保证在该时段不发生阴影遮挡，则光伏阵列一年之中太阳能辐射较佳利用范围内就不会发生阴影遮挡。计算最小间距的原理图如图3。

图3 计算组件支架最小间距的原理图

图3中，L为光伏板斜面长度；D为两排支架之间距离；β为方阵倾角；αs为太阳高度角；γs为太阳方位角。光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离应不小于D，其中方阵间距D的计算公式为：

D=Lcosβ+Lsinβ(cosωtanψ-tanδ)/

(tanδtanψ+cosω)

(2)

式中，L为组件斜面长度；D为两排方阵之间的距离；β为方阵倾角；ψ为纬度，场区中心纬度36.73°；δ为太阳赤纬，冬至日δ=-23.45°；ω为时角，9:00和15:00对应的ω分别为45°和-45°。

组件采用双排布置，通过上述公式计算得出不同安装倾角的组件阴影长度。

7 装机容量统计

掌握了最佳倾角的概念及组件安装间距的计算方法后，就可以开展下一步工作了。为了分析不同倾角下光伏系统安装容量及发电量，按照从平铺安装到最佳倾角(33°)的顺序，分别计算各自的安装容量及发电量情况，考虑到组件检修空间及运维清洗的需要，不选择0°倾角的方案，因此计算倾角从5°开始，按照每增加5°倾角为一档，分别计算组件安装倾角为：5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°和最佳倾角33°等八种情况。

通过组件排布设计后，可以统计出组件在不同安装倾角情况下的装机容量如表2。

不同倾角装机容量统计表 表2

8 发电量计算

确定了系统安装容量后，就要对发电量进行计算。光伏电站的年发电量会随着组件设备的老化而逐年递减，通常光伏系统寿命按25年计算，因此计算发电量应按照25年全寿命期进行逐年计算。年发电量的统计不仅要考虑装机容量，还要考虑安装地点的峰值日照时数、组件衰减，系统效率和遮挡等因素。为了简化说明，本文按照不同倾角下25年平均发电量进行分析。

根据PVSyst 光伏系统设计软件得出不同倾角下25年光伏电站的年均发电量如表3。

不同倾角25年年均发电量统计表 表3

9 效益分析

光伏电站的建设成本包括组件和其他电气设备的成本，一般电站建设成本在5～8 元/W，本文按照6 元/W的建设成本考虑。通过计算，得出不同倾角下的项目建设成本、总收益和度电成本，见表4。

不同倾角建设成本、总收益和度电成本 表4

通过表4 可以得出以下结论。

(1)组件安装在最佳倾角的情况下，可以得到最高的发电效率，同时其度电成本最低，单位投入资金可以实现收益最大化；但此时安装容量较小。

(2)组件安装的倾角越小，前一排组件给后一排组件造成的遮挡越小，相同面积安装的组件越多，同时发电量也随之上升，其中采用10 °倾角时，其总发电量最多，净收益最大。当然，组件的安装角度也不能太小，因为要考虑到检修通道以及组件清洗时水需要流下的情况，故组件上面的积雪下落也要求倾斜角不能太小。

(3)在屋顶面积有限的情况下，为了充分利用有限的资源条件，光伏发电系统并非简单的按照最佳倾角安装即可，而是应该具体分析不同倾角安装条件下的装机容量及发电量，从而得到最合理的装机方案。

10 结束语