屋顶光伏发电系统的设计与研究

朱 潋, 马羚媛

(重庆电力高等专科学校, 重庆 400050)

0 引 言

在国家“双碳”目标的大背景下,全社会对于清洁能源的需求越来越大,主流清洁能源包括水力发电、风力发电、核能发电、潮汐发电、光伏发电等。其中,光伏发电由于自身具备安装简单、适应范围广、投入成本低等特点,被我国各个省份大面积推广,并且国家已经明确新建建筑应安装太阳能系统[1]。目前,在建筑群屋顶建设光伏电站的情况越来越多,如在农村、厂区、住宅小区等利用屋顶、阳台等区域搭建小型的分布式光伏发电系统[2]。光伏发电系统主要有固定倾角式及追光式[3-4]。固定倾角式即为光伏板的安装角度固定,而追光式则是增加光敏元件感知太阳光强,可以实现光伏板跟随太阳光转动而转动,保证太阳光可以随时垂直照射光伏板,从而提高发电效率[5-7]。但追光系统本身需要电能且其自动控制系统的稳定性也有待提高,故目前没有大面积推广。

在建筑群屋顶建设小型的分布式光伏发电系统时应考虑本建筑群用电负荷类型及本系统所需的建筑面积。由于建筑群屋顶被诸多设备房间占用,像通信基站、空调外机、水管、风机房、电梯机房、油烟井等,这些建筑物都会对光伏板的运行产生遮光影响[8- 9]。如何在有限的面积内合理规划光伏发电设备及根据本建筑群负荷确定最少的光伏安装设备是本文重点研究的内容。本文提供的理论依据及解决方案可以在建筑物设计之初确定光伏发电设备的安装位置,有效解决后期无法安装的问题。

1 理论计算

针对已知建筑群的负荷类型及负荷大小,从理论上计算本建筑群所需光伏板数量、对应的蓄电池容量及所需要的安装面积。

1.1 末端容量计算

建筑群的负荷类型及对应的工作时间如表1所示。由此可以计算出本建筑群总负载。

表1 建筑群的负荷类型及对应的工作时间

本建筑群的总负载W0如下所示:

(1)

1.2 蓄电池容量计算

光伏板在有日照的时间段内正常输出电能给蓄电池储能,在晚上无光照情况下需要蓄电池代替光伏板给设备供电[10-11]。储能电池一天所需要的容量应按下式计算[12]:

(2)

式中:cc——储能电池容量;

F——储能电池放电效率的修正系数(通常为1.05);

U——储能电池的放电深度(0.5～0.8);

Ka——包括逆变器等交流回路的损耗率(通常为0.7～0.8)。

储能电池的容量应考虑阴雨天气影响,留有一定富余容量,则修正后储能电池的容量应按下式计算:

cc0=cc(1+η0)

(3)

式中:η0——储能电池富余容量修正系数(通常取0.25～0.35)。

1.3 光伏板数量计算

在有日照的时间内,单个光伏板输出容量为

c0=P4h4η1

(4)

式中:h4——峰值日照时数;

P4——单个光伏板输出功率;

η1——综合效率系数(0.8～0.85)。

要满足式(3)中储能电池容量要求,则需要光伏板数量n为

(5)

1.4 安装面积计算

对于固定角度的光伏阵列来说,为了达到最大输出电能,其板面安装角度应与太阳光直射角度垂直,此角度即为光伏组件倾斜面上全年接收辐射量最大时的倾角[13-16],不同区域太阳直射角度对应的光伏安装倾角也各不相同。单块光伏板安装图如图1所示。单列光伏板所需安装面积为

图1 单块光伏板安装图

S0=L0d0

(6)

S1=S0cosα

(7)

式中:S1——单个光伏板所需安装面积;

S0——单个光伏板面积;

α——光伏板倾斜角;

L0——光伏板长度;

d0——光伏板宽度。

对于光伏阵列来说还应考虑周围光伏板的影响。光伏阵列安装图如图2所示,此时光伏阵列单列长度为

图2 光伏阵列安装图

L=md0

(8)

式中:m——单列光伏板数量。

则单块光伏板投影宽度为

a=L0cosα

三是强化24小时应急值守。有关部门要立即进入应急状态，加强应急值守，相关人员必须保持全天候通信畅通。加强与地震灾区的联系，随时掌握水利工程最新情况和水利抗震救灾需求，做好前方工作组的支撑和保障，并及时向国务院抗震救灾指挥部报告有关信息。

(9)

由式(9)得出阵列光伏板投影宽度为

(10)

由式(10)得出光伏板间隔宽度为

(11)

由式(11)得出光伏阵列间隔宽度为

(12)

由式(7)、式(11)、式(12)得出光伏阵列宽度为

(13)

式中:Ww——光伏阵列总宽度;

a——单块光伏板投影宽度;

a0——光伏阵列投影宽度;

b——光伏板间隔宽度;

b0——光伏阵列间隔宽度;

n——光伏板总数量;

此时光伏板间隔的安装面积为

(14)

光伏阵列面积为

(15)

在实际安装过程中,每组光伏阵列还应考虑检修通道的宽度,故式(15)所得理论计算值,还应根据不同安装环境做相应修正。

2 案例分析

2.1 蓄电池容量计算

某建筑群的负荷类型及对应的工作时间如表2所示。

表2 某建筑群的负荷类型及对应的工作时间

由式(1)得出储能电池一天所需要的容量为

W0=W1+W2+W3=5.13 kWh

14.364 kWh

2.2 光伏板数量计算

某光伏板产品参数如表3所示。

表3 某光伏板产品参数

从城市气象部门得到本地区光伏板最佳倾角α=8°,峰值日照时数h4=2.38 h,则由式(4)得出单块光伏板输出电量为

c0=P4h4η1=0.56×2.38×0.8=

1.066 kWh

由式(5)得出需要光伏板的数量为

因此,取值14块。

2.3 安装面积计算

由式(8)得出14块光伏板采用5×3阵列安装,其光伏阵列单列长度为

L=md0=5×1.134=5.67 m

由式(13)得出光伏阵列宽度为

2.278=6.857 m

由式(15)得出安装面积应为

由以上计算可知,需要6 m×7 m矩形场地作为光伏阵列安装位置。光伏阵列在建筑屋顶安装图如图3所示。图3中阴影部分对应光伏设备的安装位置。

图3 光伏阵列在建筑屋顶安装图

3 结 语

本文提供了一种已知末端负荷的情况下,计算储能电池容量、光伏板安装数量及安装面积的方法,为光伏系统的设计与研究提供了一定的参考价值。针对屋顶设置光伏设备,为了保证其电子设备安全稳定地运行,还需考虑其整个系统的防雷问题。光伏设备的金属部分能否像其他金属体一样直接与接闪带相连及其电子设备如何处理雷电流产生的浪涌保护等方面的问题,还需做进一步的研究。