基于PVsyst软件的屋顶光伏发电系统 发电量的研究

常建国，付梦菲

(河南省建筑科学研究院有限公司，郑州 450053)

0 引言

面对日益严峻的全球能源危机形势，开发和利用可再生能源将是未来能源发展的必然趋势，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径。太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽用之不竭、清洁可循环、无公害等优点，在国内外均得到了大力的开发利用。光伏发电作为太阳能的一种主要利用方式，其在日常生活中的应用也越来越广泛。屋顶光伏发电项目普遍要求屋顶的面积大、结构好、承重强，而农村地区拥有众多优质的屋顶资源，可充分利用该空间资源[1-4]。因地制宜地建设屋顶光伏发电项目，既响应了政府充分利用可再生能源的相关政策号召，又在某种程度上改善了中国电力供应不足等问题。本文以郑州市某农村房屋的屋顶为例，建立小型的屋顶光伏发电系统模型，通过对光伏组件安装倾角和光伏阵列间距进行优化设计，并利用PVsyst软件模拟屋顶光伏发电系统的发电量，得到该光伏发电系统发电量最大时的设计方式。

1 屋顶光伏发电系统发电量的模拟计算

以郑州市某农村房屋的屋顶为例，该房屋高4 m，南北朝向；屋顶尺寸为长20 m、宽10 m，在该屋顶安装光伏发电系统。

1.1 光伏组件安装倾角的优化设计

由于太阳辐照资源和太阳入射角的变化都会影响光伏组件的输出功率[5-6]，通常以软件模拟得到的光伏组件最佳安装倾角来安装光伏组件，使光伏组件以最大功率输出。由于项目所在地的经纬度不同，所采用的光伏组件最佳安装倾角也会不同。

太阳辐照的均匀性对光伏发电系统的整体发电量影响较大，对于负载均衡或近乎均衡的独立光伏发电系统而言，可以引入太阳辐照累积偏差δ，并对其进行量化处理。太阳辐照累积偏差可以表示为：

式中：Htβ为倾斜角为β的倾斜面上接收的月平均太阳辐照量；为倾斜角为β的倾斜面上接收的年平均太阳辐照量；Mi为一年中第i个月的天数。

由式(1)可知，太阳辐照累积偏差值的大小直接反映了全年太阳辐照的均匀性；太阳辐照累积偏差的值越小，说明太阳辐照的均匀性越好。根据负载均衡或近似均衡的独立光伏发电系统的设计要求，理想的工况是：通过选择合适的光伏组件安装倾角，从而使倾斜角为β的倾斜面上接收的年平均太阳辐照量为最大值、太阳辐照累积偏差为最小值。但在实际情况中，很难在同时满足这2个参数要求时对应同一个光伏组件安装倾角，因此在选择光伏组件最佳安装倾角时，不能单独考虑倾斜角为β的倾斜面上接收的年平均太阳辐照量为最大值或太阳辐照累积偏差为最小值，需在二者各自对应的光伏组件安装倾角之间择优。

综合考虑上述因素后，引进斜面辐照系数K，用于表示倾斜面上接收的太阳辐照量的综合特性。斜面辐照系数可表示为：

由于倾斜角为β的倾斜面上接收的年平均太阳辐照量和太阳辐照累积偏差都与光伏组件的安装倾角有关，所以当斜面辐照系数取极大值时，存在以下关系：

综上所述，利用PVsyst软件模拟屋顶光伏发电系统的发电量情况[4,7]。其中：光伏阵列方位角设定为0°；光伏组件朝南安装；采用固定倾角式光伏支架。考虑了上述与光伏组件安装倾角相关的各个参数后，将位于郑州市某屋顶的光伏发电系统的光伏组件安装倾角设置为30°。模拟结果显示：当光伏组件采用此安装倾角时，其输出功率损失最小，屋顶光伏发电系统的发电量可达到较好效果，具体如图1所示。由此可知，该地区的光伏组件最佳安装倾角为30°，并以此安装倾角作为本文分析郑州市屋顶光伏发电系统时的最佳安装倾角。

图1 PVsyst软件模拟得到的屋顶光伏发电系统发电量情况Fig. 1 Power generation of roof PV power generation system simulated by PVsyst software

1.2 最佳光伏阵列间距的确定

光伏阵列排布时，若前后排光伏阵列间距过小，前排光伏组件会对后排光伏组件产生一定的阴影遮挡，影响后排光伏组件接收的太阳辐照量，降低其输出功率；若此间距过大，会导致光伏发电系统占地面积增大，增加土地成本。因此，在对光伏阵列进行排布时，通常选取最佳光伏阵列间距。对于最佳光伏阵列间距的选取，通常在光伏阵列朝向、光伏组件最佳安装倾角确定后，保证在冬至日当地真太阳时09:00～15:00时段内前、后排光伏组件互不产生阴影遮挡[8]，此时得到的前后排光伏阵列间距即为最佳光伏阵列间距。

在光伏阵列方位角设定为0°、光伏组件安装倾角为30°的前提下，利用PVsyst软件模拟不同前后排光伏阵列间距时的阴影遮挡情况，对试算出的相对合理时间段(08:00～14:00)内的光伏阵列间距进一步优化，逐步得到09:00～15:00时的光伏阵列间距。根据模拟结果，最终选取最佳光伏阵列间距为3.3 m，模拟结果如图2所示。

图2 PVsyst软件模拟得到的最佳光伏阵列间距结果Fig. 2 Simulation results of optimal PV array spacing by PVsyst software

1.3 模型建立与计算分析

选取某品牌的多晶硅光伏组件，该光伏组件的尺寸为1650 mm×992 mm×35 mm，标称功率为270 W。依据上文确定的光伏组件布置朝向、安装倾角及前后排光伏阵列间距，可计算得到在长20 m、宽10 m的屋顶面积下能布置3个光伏阵列，共计54块光伏组件。由此可知，本屋顶光伏发电系统的总装机容量为14.58 kW，光伏组件总面积为88.39 m2。本屋顶光伏发电系统的光伏组件平面布置图如图3所示。

图3 本屋顶光伏发电系统的光伏组件平面布置图Fig. 3 Layout plan of PV modules in roof PV power generation system

根据上文确定的光伏组件最佳安装倾角、最佳光伏阵列间距，在PVsyst软件Near Shadings模块的Construction/Perspective功能下建立本屋顶光伏发电系统的3D模型。模拟时间选择冬至日，该天时光伏组件的阴影遮挡模拟结果如图4所示。

图4 冬至日时光伏组件的阴影遮挡模拟结果Fig. 4 Simulation results of shadow occlusion of PV modules on winter solstice

由图4可知：在冬至日全天的日照时间中，09:00～15:00时，光伏组件接收的太阳辐照量较大，阴影遮挡损失最小。因此可认为在此时间段内，前后排光伏组件无遮挡。

当该屋顶光伏发电系统的光伏组件安装倾角为30°、光伏阵列方位角为0°、前后排光伏阵列间距为3.3 m时，对其全年发电量情况进行模拟，模拟结果如图5所示。

图5 屋顶光伏发电系统的年发电量模拟结果Fig. 5 Simulation results of annual power generation of roof PV power generation system

由图5可知：该屋顶光伏发电系统的年发电量为18434 kWh，系统效率为84.2%。

2 不同因素对屋顶光伏发电系统发电量的影响

影响光伏发电系统发电量的因素主要有太阳辐照量、光伏组件安装倾角、光伏方阵方位角、前后排光伏阵列间距、光伏组件排布方式、光伏组件光电转换效率、组合损失、灰尘或积雪遮挡、温度特性、线路变压器损失、逆变器效率、阴影遮挡等[9]。在小型的屋顶光伏发电系统设计时，对于与光伏组件自身性能、逆变器特性有关的影响因素，以及灰尘遮挡、积雪遮挡等影响因素，可以通过选择高性能产品、加强光伏发电系统运行过程中的维护等手段提高系统发电量；除此之外，还可以通过优化光伏组件安装倾角、光伏阵列方位角、前后排光伏阵列间距等措施来实现屋顶光伏发电系统发电量的最大化。

2.1 太阳辐照量的影响

选取位于中国不同气候分区的5个城市，分别为严寒地区的沈阳市、寒冷地区的郑州市、夏热冬冷地区的杭州市、夏热冬暖地区的广州市，以及温和地区的昆明市，各个城市的太阳辐照量不同。以上文建立的位于郑州市的屋顶光伏发电系统模型为基础，在采用相同模型参数的情况下，利用PVsyst软件模拟得到不同城市建设此种屋顶光伏发电系统时的年发电量，模拟结果对比如图6所示。

图6 相同条件下5个城市的屋顶光伏发电系统的 年发电量对比Fig. 6 Comparison of annual power generation of roof PV power generation systems in five cities under the same conditions

由图6可知：沈阳市、郑州市、昆明市的屋顶光伏发电系统的年发电量远大于杭州市和广州市。根据GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》附录A中列举的中国主要城市的太阳能资源数据，沈阳市、郑州市、杭州市、广州市、昆明市5个城市的水平面年平均总太阳辐照量分别为4953.78、4866.19、4258.84、4420.15、5180.83 MJ/m2，倾 斜 面 年平均总太阳辐照量分别为6251.36、5313.67、4515.77、4636.22、5596.56 MJ/m2(对应的倾斜面修正系数分别为1.0671、1.0467、0.9362、0.8850、0.9216)。由于图6中各个城市的屋顶光伏发电系统的年发电量的变化趋势与其倾斜面年平均总太阳辐照量的变化规律相似，因此可得出：屋顶光伏发电系统的年发电量不仅与所在城市的倾斜面年平均总太阳辐照量相关，还与倾斜面修正系数密切相关。

2.2 光伏组件最佳安装倾角的影响

在屋顶面积、光伏组件总量及光伏阵列数量与郑州市屋顶光伏发电系统一致的情况下，利用PVsyst软件模拟得到其他4个城市建设屋顶光伏发电系统时的光伏组件最佳安装倾角，其中，沈阳市的为40°、杭州市的为23°、广州市的为22°、昆明市的为29° 。

在前后排光伏阵列间距均为3.3 m的前提下，对5个城市的屋顶光伏发电系统分别采用各自的光伏组件最佳安装倾角及30°安装倾角时的年发电量进行模拟，模拟结果对比如图7所示。

图7 相同前后排光伏阵列间距、不同光伏组件安装倾角下各城市的屋顶光伏发电系统的年发电量对比Fig. 7 Comparison of annual power generation of roof PV power generation systems in different cities under same spacing between front and rear PV array and different installation angles of PV modules

由图7可知：

1)在前后排光伏阵列间距均为3.3 m的前提下，在沈阳市，当光伏组件安装倾角取30°时，屋顶光伏发电系统的年发电量为19.85 MWh；而当其取40°时，屋顶光伏发电系统的年发电量为19.52 MWh。光伏组件采用最佳安装倾角时屋顶光伏发电系统的年发电量小于其采用30°时屋顶光伏发电系统的年发电量，主要是因为对于沈阳市而言，采用3.3 m的前后排光伏阵列间距会导致间距过小，光伏组件安装倾角为40°时对后排光伏组件的阴影遮挡较严重，导致其接收的太阳辐照量减少，因此整体发电量较低。

2)在前后排光伏阵列间距均为3.3 m时，杭州市、广州市、昆明市分别采用光伏组件最佳安装倾角时的屋顶光伏发电系统年发电量均高于光伏组件安装倾角采用30° 时的屋顶光伏发电系统年发电量。这主要是因为3.3 m的前后排光伏阵列间距大于这3个城市的最佳光伏阵列间距，从而可保证冬至日当地真太阳时09:00～15:00时段内后排光伏组件不被阴影遮挡，故光伏组件采用最佳安装倾角时的发电量较大。

2.3 前后排光伏阵列间距的影响

在保证上述4个城市采用光伏组件最佳安装倾角的前提下，分别利用PVsyst软件模拟得到冬至日当地真太阳时09:00～15:00时段内前后排光伏组件不被阴影遮挡时的间距，即最佳光伏阵列间距，具体如表1所示。

表1 不同城市的光伏组件最佳安装倾角及 最佳光伏阵列间距Table 1 Optimal installation angle of PV modules and optimal spacing between front and rear PV array in different cities

在采用光伏组件最佳安装倾角的前提下，利用PVsyst软件模拟得到分别采用相同前后排光伏阵列间距(3.3 m)及最佳光伏阵列间距时，各个城市的屋顶光伏发电系统的年发电量，模拟结果对比如图8所示。

图8 相同前后排及最佳光伏阵列间距时，各城市的屋顶光伏发电系统的年发电量对比Fig. 8 Comparison of annual power generation of roof PV power generation systems in different cities with the same and optimal spacing between front and rear PV arrays

由图8可知：

1)在沈阳市，采用最佳光伏阵列间距时，屋顶光伏发电系统的年发电量优于采用前后排光伏阵列间距为3.3 m时的年发电量，这主要是因为满足光伏组件最佳安装倾角40°和最佳光伏阵列间距4.8 m时，光伏组件得到的太阳辐照量最大，使屋顶光伏发电系统的年发电量达到最大化。

2)在采用光伏组件最佳安装倾角和最佳光伏阵列间距的前提下，杭州、郑州、昆明这3个城市的屋顶光伏发电系统的年发电量均小于采用前后排光伏阵列间距为3.3 m时的年发电量，主要是因为前后排光伏阵列间距为3.3 m时大于这3个城市的最佳光伏阵列间距，此时光伏组件可获得更多的太阳辐照量，故屋顶光伏发电系统的发电量也越高。

3 屋顶光伏发电系统最优设计的确定

在总装机容量及光伏组件安装倾角相同的条件下，前后排光伏阵列间距不同将导致光伏发电系统的占地面积不同。

针对上述5个城市的屋顶光伏发电系统而言，当前后排光伏阵列间距为3.3 m时，占据屋顶的面积同为200 m2；当上述5个城市的屋顶光伏发电系统均采用各自的光伏组件最佳安装倾角、最佳光伏阵列间距时，其所占据的屋顶面积分别为260、200、178、164和174 m2；由于屋顶光伏发电系统的总发电量与所占据的屋顶面积有很大关系，故系统设计时应综合考虑单位屋顶面积的光伏发电量，使屋顶面积得到最大化利用。在光伏组件最佳安装倾角的前提下，分别对比在相同前后排及最佳光伏阵列间距下各城市单位屋顶面积的年光伏发电量，具体如图9所示。

由图9可知：

1)在沈阳市，前后排光伏阵列间距为3.3 m时单位屋顶面积的年光伏发电量比采用最佳光伏阵列间距时的单位屋顶面积的年光伏发电量高21.54%。

图9 相同前后排及最佳光伏阵列间距下各城市 单位屋顶面积的年光伏发电量对比 Fig. 9 Comparison of annual PV power generation per unit roof area in different cities under the same and optimal spacing between front and rear PV array

2)在杭州市、广州市、昆明市这3个城市，采用最佳光伏阵列间距时单位屋顶面积年光伏发电量均高于采用前后排光伏阵列间距为3.3 m时单位屋顶面积的年光伏发电量。这主要是因为在这3个城市，在最佳光伏阵列间距情况下屋顶光伏发电系统所占的屋顶面积小于其前后排光伏阵列间距在3.3 m时所占的屋顶面积，而沈阳市的光伏发电系统在其光伏阵列间距及光伏组件安装倾角最优工况下占用的屋顶面积较大，导致其在采用最佳光伏阵列间距时的单位屋顶面积年光伏发电量低于采用3.3 m间距时。

4 结论

本文以郑州市某农村房屋的屋顶为例，建立小型的屋顶光伏发电系统模型，并利用PVsyst软件模拟了该系统在不同的光伏组件安装倾角及前后排光伏阵列间距时的发电量。以此模型为基础，对5个城市的屋顶光伏发电系统发电量设计进行了优化。研究结果显示：在光伏组件采用最佳安装倾角的前提下，在沈阳市，前后排光伏阵列间距为3.3 m时单位屋顶面积的年光伏发电量比采用最佳光伏阵列间距(4.8 m)时的单位屋顶面积的年光伏发电量高21.54%；对于杭州、广州、昆明这3个城市的光伏发电系统，采用最佳光伏阵列间距时单位屋顶面积年光伏发电量均高于采用前后排光伏阵列间距为3.3 m时单位屋顶面积的年光伏发电量。由此可知：单位屋顶面积下的最大年光伏发电量并非发生在光伏组件最佳安装倾角和最佳光伏阵列间距同时满足的安装方式下，还需综合考虑光伏发电系统所占用的屋顶面积合理设计光伏发电系统，使其在有限的空间资源上达到发电量最大。