太陽能屋頂光伏發電系統設計及效益分析

廖世凱，李 琛

（國網孝感供電公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，傳統能源的供應日趨緊張，而傳統能源的不可再生性更是加重了人類社會對經濟可持續發展的擔憂。人類對新能源的需求與日俱增，渴望用可再生能源來代替資源有限、污染環境的常規能源。太陽能作為一種定性的清潔能源，以其獨有的優勢成為人們關注的焦點，具有廣闊的應用前景。太陽能屋頂光伏發電是人們對太陽能利用的一種方式，是一種環保、清潔的可再生能源。它對于優化能源戰略、改善電源結構、提高電源保障、節能減排、提高環境質量是非常有利的。

本文以湖北孝感地區農業光伏科技大棚屋頂光伏并網發電系統為實際案例，介紹屋頂光伏發電系統最佳方案設計過程，分析太陽能屋頂光伏發電工程的發展前景和經濟效益。

1 屋頂光伏發電系統

1．1 系統簡介

屋頂光伏發電系統由光伏組件、直流匯流箱、并網逆變器、計量裝置、交流配電裝置及遠程監控數據傳輸系統等部分組成。

目前，光伏組件主要分為晶體硅太陽能電池組件和非晶薄膜電池組件。晶體硅太陽能電池組件用高透光率低鐵鋼化玻璃、抗老化EVA和優良耐火性背板熱壓密封而成，光電轉換效率達到14%～17%，具有效率高、壽命長、安裝方便、抗風、抗冰雹能力強等特性。非晶薄膜電池組件用只有幾微米厚的半導體材料，厚度不足晶體硅電池的百分之一，光電轉換效率達到6%～6．5%。這些半導體薄層可以附著在如玻璃、活性塑料或不銹鋼薄板等廉價的基片上。非晶薄膜電池組件具有卓越的弱光發電性、隔熱保溫性和防孤島效應等優點。在同樣發電量和相同功率的情況下，非晶硅太陽能薄膜電池的成本低于晶體硅太陽能電池，被認為是當前最有可能實現發電成本接近上網電價的技術。

1．2 屋頂光伏發電系統的構成及原理［1，2］

屋頂光伏發電系統由光伏組件、組件支架、逆變器、防雷匯流箱、交流保護開關、直流開關和電能計量等裝置組成，當逆變器的輸出電壓和并網電壓不相等時，還需另外配置升壓變壓器轉變為同步的交流電后并入電網。

屋頂光伏發電系統是將太陽能電池組件安裝在屋頂，當有陽光時，逆變器將光伏組件所發的直流電轉變成正弦交流電，產生的交流電可以直接作為電源驅動負荷，也可切換到外部公用電網，實現小型光伏系統并網運行。在陰雨天或夜晚，太陽電池組件沒有產生電能或者產生的電能不能滿足負載需求時由電網供電。為保證系統安全可靠運行，需綜合考慮防雷系統、保護系統、通信系統的設計。光伏發電系統組成原理圖如圖1。

圖1 太陽能光伏發電系統組成原理框圖

2 案例設計

2．1 項目簡介

該工程項目是湖北孝感地區農業光伏科技大棚屋頂光伏發電系統設計方案，建立在孝感地區農業光伏科技大棚屋頂，可利用面積為33．69×104m2，裝機容量為15 MW。其中晶體硅太陽能電池組件裝機容量為14．7572 MW，非晶薄膜電池組件裝機容量為0．2428 MW。

2．2 自然條件

湖北孝感地區日照充分，太陽能資源富足，屬太陽能資源的三類地區，是我國太陽能資源較豐富的地區。根據孝感地區多年氣象資料分析，其日照小時數年 平 均 為2 350～2 700 h。 年 太 陽 能 總 輻 射 為5 582 MJ／m2左右。因此，適合建立太陽能屋頂光伏發電工程。

2．3 光伏組件的選擇

光伏組件目前主要有晶硅組件、薄膜組件及聚光組件等，晶硅組件的性價比高，薄膜組件存在轉換率低的缺點，聚光組件價格較高。

晶硅組件又分為單晶硅組件、多晶硅組件、高效組件。根據相關試驗研究結果［3］，同等條件下單晶硅組件的發電量最高。所以本設計采用晶硅組件，試驗數據如表1所示。

表1 不同材料的光伏組件性能比較

2．4 總平面布置

該工程項目涉及了103棟建筑物，根據屋頂形狀、屋頂載荷限制及發電量、光伏組件的安裝方式等因素，確定光伏系統組件的傾斜角度，在條件允許的情況下得到最大的發電量。屋頂組件可以采用傾斜角度0°和15°兩種安裝方式。

2．5 光伏組件方陣布局設計

2．5．1 傾角支架方式確定

并網光伏發電系統中，光伏組件支架分可變傾角和固定傾角兩種，最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角。由于可變傾角支架投入較大，維護復雜，適用于大型光伏發電系統；而固定傾角支架相對簡單，適用于屋頂等小型光伏發電系統。

2．5．2 傾角計算［4，5］

太陽能電池組件安裝角度會對其發電量產生較大的影響。為了增加光伏電站的年發電量，電池板應朝向正南方向，并與地平面保持一定夾角，相關計算如下：

（1）按公式計算孝感地區中午時分太陽高度角α和方位角γ

式中，Φ為經度，孝感地區為北緯30．56°；δ為太陽赤緯角，冬至日為－23．5°；ω為時角，9：00時角為45°。

計算可知：

故孝感地區太陽高度角α為20．83°。

sinγ＝cos（－23．5）sin45／cos20．83＝0．6938

故孝感地區太陽方位角γ為46．07°。

（2）最佳傾角確定

傾斜面光伏陣列表面的太陽輻射量：

計算日輻射量的公式：

式中，Rβ為 傾斜方陣面上的太陽總輻射量；D為散射輻射量，假定D與斜面傾角無關；S為水平面上的太陽直接輻射量；β為光伏陣列傾角；α為孝感地區中午時分的太陽高度角。

根據孝感地區氣象局提供的太陽能輻射數據，按上述公式計算不同傾斜面的太陽輻射量，得出光伏矩陣傾角為36°時，傾斜面上所接受的太陽輻射量最大，相應的發電量也就最多。本設計傾角采用36°夾角設計。

2．5．3 確定光伏組件陣列間距

光伏陣列間距的確定原則是冬至日當天9：00至15：00，光伏陣列不會互相遮擋，一般按以下陣列間距公式確定最小間距：

式中，D為光伏組件陣列間距；H為陣列高度；α＝20．83°；γ＝46．07°。

本項目采用固定傾角方式，組件支架長度為1．642 m，孝感地區最佳傾角為36°，可以得出陣列高度H＝1．642×sin36＝0．97 m。

陣列間距D＝cos 46．07×0．97／tan20．83＝1．77。

2．5．4 系統組成及設計

設計人員經過現場勘測、可行性研究和經濟效益論證，提出該項目采用分散發電、單點并網、就地和集中監控的技術方案。即整個光伏發電系統由若干個分光伏發電系統組成，每套光伏系統配有完善的通訊監控系統，包括1套數據采集單元及1套計算機監控設備，數據采集單元采集環境參數與逆變器運行參數，將光照強度、環境溫度、風速等環境變量和系統的電壓、電流、相位、功率因數、頻率、發電量等系統變量通過RS485傳輸給監控系統，實現就地監控。設立光伏發電系統控制中心，各發電系統通過遠程通訊傳輸到控制中心，實現對全系統的遠程監控，同時方便區域的電網調度管理。

2．5．5 光伏組件陣列的布置和安裝

為了解決屋面的承重能力、防水能力、組件抗風、防雷及陰影遮擋等問題，本設計采用鋁合金支架將所有組件連接為一個整體，固定在屋頂的承重梁上，支架與屋面防雷系統相連，有效解決了承重、防水、抗風及防雷問題。

3 效益分析［6］

該工程總投資為3．8億元，政府財政補貼為1．9億元，主要技術及經濟指標如表2所示。

表2 主要技術及經濟指標

由上述經濟指標可知，該農業光伏科技大棚項目為國家扶持的光伏發電示范工程，享受政府投資補貼50%的優惠政策，因而經濟效益較好。該項目建成后，每年減少CO2排放量20 901 t，每年減少SO2排放量630 t，每年減少氮化物排放量310 t，對于湖北省發展新能源和城鎮化建設影響深遠。

4 結 論

太陽能屋頂光伏發電工程對于優化能源戰略、改善電源結構、提高電源保障、節能減排、提高環境質量是非常有利的。本文結合實例對屋頂光伏發電系統的具體設計方法進行了簡單的探討，闡述了設計思路和過程，為今后開展屋頂光伏發電系統設計提供參考。此外通過經濟效益和節能減排效益的分析可以看出，雖然屋頂光伏發電系統的一次投資比較大，但是能享受政府投資補貼50%的優惠政策，同時光伏發電可以減輕礦物能源燃燒給環境造成的污染，從而使太陽能屋頂光伏發電工程能夠帶來巨大的社會效益和經濟效益。

［1］ 楊洪興，周 偉．太陽能建筑一體化技術與應用［M］．北京：中國工業出版社，2009．

［2］ 沈 輝，曾祖勤．太陽能光伏發電技術［M］．北京：化學工業出版社，2005．

［3］ 李寧峰．屋頂太陽能光伏發電系統的設計［J］．江蘇電機工程，2011，（03）：43－45．

［4］ 朱超群．估計南向破面總輻射最佳傾角的表示式［J］．南京大學學報（自然科學），1997，33（4）：33－36．

［5］ 楊金煥，毛家俊，陳中華．不同方位傾斜面上太陽能輻射量及最佳傾角的計算［J］．上海交通大學學報，2002，36（07）：1032－1037．

［6］ 沈 陽，朱先峰．光伏屋頂系統設計方法及效益分析［J］．太陽能，2009，（11）：50－51．