基于PVsyst的校园屋顶光伏发电系统设计与分析

高云婕, 张 栓, 张 曼

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

“十三五”期间,新能源产业蓬勃发展,光伏在电力行业总装机容量上,所占的比重更是大幅度提升。《“十四五”公共机构节约能源资源工作规划》提出绿色改造行动,新建建筑全面执行绿色建筑标准[1]。对于已有建筑,《深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案》提出,鼓励有条件的公共机构建设连接光伏发电等微网系统[2]。事业单位、公立学校等公共建筑屋顶需尽快尽早加装光伏发电设施[3-4]。

分布式光伏电站是一种新型的电站,它将光伏组件安装在建筑物的屋顶或墙壁上,将光能转换成直流电能后进行汇流,再通过逆变器直接供用户使用或并入电网。它倡导就近发电、就近使用、就近并网的原则,非常适合建筑屋顶这种小型电站[5-7]。屋顶分布式电站一般建立在大型建筑、工业厂房或者公共建筑屋顶之上，这种电站产生的电量主要由屋顶用户使用,余电也可上网。

PVsyst是由日内瓦大学开发的一个软件包,该软件能够为模拟光伏电站系统提供一定的数据和设计方案,近年来为很多光伏电站设计工程师所使用。PVsyst软件可以对独立、并网和光伏水泵系统进行设计、仿真和优化,能对不同地区的气象数据进行精确分析和评价,使用者可以获得最优的技术和方案,为实际工程设计提供参考。

笔者以扬州市某高校生活区屋顶建设分布式光伏发电项目为例,基于PVsyst软件对该项目的光伏发电部分进行较为详细的设计分析。

1 项目概况

1.1 项目所在地太阳能资源

本项目建设地点位于江苏省扬州市,该地坐标为东经119.45°,北纬32.4°,属于亚热带季风性湿润气候向温热带季风气候的过渡区。由美国航空航天局(NASA)数据库获取了扬州市每月水平面总辐射、散射辐射和平均气温(表1),扬州市的年平均太阳能辐射总量为1417.1kWh·m-2,年平均温度为15.3℃,该地区光资源稳定,适合建立光伏电站,对环境友好,能产生良好的经济效益[8-9]。

表1 扬州地区月均气象数据

1.2 项目地址

项目以扬州市某高校生活区某宿舍楼屋顶为址,该宿舍楼楼顶空旷,未有任何的利用开发,且阳光充足,没有大型建筑物遮挡,适合安装中小型分布式光伏电站。楼栋分为南北两栋,南边一栋为三层,楼高约12m,北边一栋为六层,楼高约23m。每栋楼楼顶中间有一段水泥围墙,将一栋楼的楼顶分为两个部分,经测量,被分的两部分占地面积相同,所以两栋楼顶层空地面由四块相同大小的空地组成。楼顶空地长约48m,宽约12m,每块空地面积为576m2,故可用空地面为2304m2。初步估算,对该宿舍楼屋顶的空地面进行分布式光伏组件的安装,预计可安装120kW左右的光伏分布式电站。

2 光伏组件布局

2.1 方位角与倾斜角

光伏组件的摆放位置决定了全年接收到的光照辐射量,一定程度上也决定了全年的发电量,因此如何合理摆放光伏组件显得尤为重要。本项目采用固定式支架安装方式,为了获取最大的光照辐射量,组件的安装角度为正南方,即方位角为0°,最佳倾斜角依据PVsyst软件,以全年发电量最佳为依据,最终选取最佳倾角为29°。此时光伏组件斜面受太阳辐射与水平辐射最大值为1.10，相对优化的损失比为0，光伏组件接收的太阳辐射量最大达到了1554 kWh·m-2。

2.2 光伏阵列间距

为了避免前方组件的阴影遮挡后方的组件,组件之间要留出足够的间距[10],光伏组件在冬至日的上午9时到下午3时之间没有被前排组件所遮挡,计算公式为:

sinh=sinφsinξ+cosφcosξcosλ

(1)

(2)

(3)

其中h为太阳的高度角,φ为扬州的纬度取32.4°,ξ为太阳的赤纬角,选取冬至日-23.45°,λ为时角,取上午9:00时角为45°,根据公式(1),计算太阳高度角h为19.6°。根据公式(2),计算出太阳的方位角β为43.5°,L为组件和框架的总长度2.4m,θ为太阳电池的倾斜角29°。由公式(3)得D/L=0.987,则组件之间的间距D至少为2.36m。

本次项目安装场地的宽度为12m,为了后排组件不被遮挡,又要保证场地利用最大化,屋顶设计摆放三排光伏板,计算可得,组件之间的最大间距为2.8m。

将拟设定的间距2.8m输入至PVsyst软件中进行模拟,得到组件阴影遮挡情况，可将全年分为7个时间段,时间段1为夏至6月22日,时间段2为夏至日的前一个月和夏至后的一个月,即5月22日至6月21日和6月23至7月23日。依次类推,夏至前后二、三、四、五个月分别为时间段3、4、5、6。时间段7为冬至12月22日。冬至日的9时到15时的这段时间中,太阳照到光伏板后产生的阴影不会遮挡后一排光伏板。这样全年中的每一天9时至15时,前排光伏板均不会对后排光伏板产生阴影,太阳日出和日落前后时间会有不同程度的遮挡,但对电站影响不大,在可接受范围内,即选取的间距2.8m符合设计要求。

3 3D建模

根据本次项目所选用的地址实景进行建模,所选用的地址为该校生活区宿舍楼顶,楼层高度23 m,每栋楼之间的间距为35 m,楼栋之间,无论在任何季节都不会有阴影遮挡前一栋楼。在楼栋的顶层,有一道高约为70 cm的矮墙,将屋顶分为两个部分,所以在建模的时候,需要将屋顶分为两个部分进行建模。

经过计算确认后,此次设计的光伏发电系统规模为120kW,太阳能电池板共计需要480片,每块空地放置3排组件,一排40片组件,共计4块区域。

4 设备选型

4.1 光伏组件选型

目前光伏电站工程中,技术最为成熟的是晶硅类电池,晶硅电池分为单晶硅电池和多晶硅电池,由于单晶硅的转换效率高于多晶硅,本项目拟选用DS-A5-250型单晶硅太阳能电池,具体参数如表2所示。

表2 DS-A5-250光伏组件参数

由前面3D建模可知,该电站共需480块电池,因此该电站光伏组件实际占地面积为933 m2。

4.2 逆变器选型

本次项目拟使用Pvmaster II PVM450-120-EN型逆变器,其直流侧输出电压范围为450～850 V,如表3所示。根据软件计算得到:光伏组件共计480片,采用16串30并的连接方式,这样光伏组串在-10 ℃时的开路电压为774 V,小于逆变器的最大直流输出值,光伏组串在60 ℃和20 ℃时的最大功率点电压分别为464 V和560 V,皆处于逆变器直流输出电压范围之内。

表3 Pvmaster ⅡPVM450-120-EN逆变器参数

5 仿真结果及分析

5.1 发电量预测

将光伏电站的相关数据输入软件中,仿真的结果如表4,光伏阵列倾斜面的总辐射量为1539.3 kWh·m-2,光伏阵列倾斜面总有效辐射量为1443.8 kWh·m-2,光伏阵列总发电量为147741 kWh,本次设计的光伏电站年发电量为141836 kWh,阵列效率为10.28%,系统效率为9.87%。

表4 主要仿真结果

5.2 系统损耗

光伏发电系统的损耗包括了光损耗、污秽损耗、辐射损耗、组件衰减损耗、温度损耗、线缆损耗、逆变器损耗等。组件表面的有效辐射量为1446 kWh·m-2,光伏组件吸收的太阳能转化为电能,转换效率约为12.91%,阵列经转化后产生的总电量为174 MWh,能量经光伏组件等一系列的损耗后减少至147.8 MWh,再经过逆变器损耗后实际输出的电能为141.8 MWh。

该光伏系统的损耗如下：综合修正入射角度为6.2%，这是因为一天中太阳的入射角会不断变化，影响了光伏阵列的输出功率；光伏阵列的损失为15.1%，主要源自于光伏组件的温度、入射率、型号等；逆变器的转损损失为4%。以上能量损失可在光伏阵列上进一步提升，例如提高屋顶光伏组件的通风环境，定期清洁组件表面等，以提高发电效率。

6 结论

借助于光伏设计PVsyst软件,对某校园分布式屋顶进行仿真设计,研究了光伏阵列的布局、设备选型、3D建模,并对系统的发电量和损耗进行了分析,得出以下结论:(1)扬州地区固定式并网光伏阵列的方位角为0°,最佳倾斜角为29°,该屋顶组件间的间距约为2.8 m,这样可获得最大的全年发电量。(2)本次项目选取的是DS-A5-250型单晶硅太阳能电池,Pvmaster Ⅱ 450-120逆变器,一串16片组件,共30串,合计480片光伏组件。(3)本文仿真的校园屋顶分布式光伏电站为120 kW,经过一系列损耗后,预计全年可产生电能141836 kWh。该光伏项目具有可行性和经济性,仿真结果具有实际意义,为实际工程设计提供了一定的参考。