基于Smart Design的校園光伏電站仿真研究

劉垚　周湘杰　陳嘉貴　黃靜

關鍵詞：光伏發電；Smart Design；設計與仿真

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A

0 引言

光伏發電是利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能的一種清潔、可再生的能源利用方式。光伏發電具有無污染、無噪聲、無運動部件、維護簡單、使用壽命長、安全可靠、不受地域限制等優點[1-3]，是應對氣候變化以及實現碳達峰、碳中和的重要手段之一。

為了實現我國提出的力爭2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和的目標[4]，我國將大力發展可再生能源，提升光伏發電比例。根據國家發展改革委等九部門發布的《“十四五”可再生能源發展規劃》，到2030 年，非化石能源消費占比達到25% 左右，風電和太陽能發電總裝機容量達到12 億kW 以上[5]。為了貫徹落實國家關于碳達峰、碳中和的重大戰略決策部署，湖南省制定了《湖南省碳達峰實施方案》，大力促進具備條件的風電和光伏發電快速規模化發展，到2030 年，新能源發電總裝機容量達到4 000 萬kW 以上。

Smart Design 是華為技術有限公司將20 多年積累的數字信息技術、互聯網技術與光伏技術進行跨界融合，推出的智能光伏設計軟件。這是一款基于云計算、大數據、人工智能等技術的光伏電站設計平臺，能夠完成光伏發電系統的設計和仿真分析，為工程建設提供參考。

本文以株洲市某高校圖書館屋頂建設工商業光伏電站項目為例，基于Smart Design 對校園光伏電站進行設計和仿真分析，評估發電量、經濟效益和社會貢獻等指標。

1 項目選址

1.1 太陽能資源評估

株洲市是湖南省重要的工業城市，也是我國光伏發電的潛在市場之一。根據中國氣象局發布的《中國太陽能資源分布圖》，株洲市的年平均日照時數為1 400 ～ 1 500 h，年平均太陽總輻射量為4 200 ～ 4 500 MJ/m²，年平均太陽能利用系數為0.4 ～ 0.5，屬于中等水平的太陽能資源區域。本項目以株洲市某高校圖書館屋頂作為光伏電站設計和仿真研究的對象，其坐標為北緯27.90°，東經113.16°，海拔為76 m。該建筑物高為20 m，屋頂的長約為50 m，寬約為35 m，面積約為1 750 m2，且屋頂空曠無遮擋，有利于光伏電站的正常工作。

1.2 氣象參數

Smart Design 可通過衛星定位，自動搜索附近的氣象站，本項目使用的氣象站是Zhuzhou CH（湖南株洲氣象站），與圖書館的距離為8.3 km。本文氣象數據的來源為Meteonorm（一款氣象數據查看軟件），獲取的1991 —2000 年株洲市氣象數據包括月水平面總輻射量、月水平面直接輻射量、月水平面散射輻射量、月最高氣溫、月最低氣溫（表1）。

2 校園光伏電站模型設計

2.1 建筑物3D 建模

通過輸入坐標，選取圖書館及周邊區域的2D平面，使用軟件進行設計區域的選擇，生成3D 模型。該模型長約為50 m，寬約為35 m，面積約為1 750 m2。建筑物3D 模型如圖1 所示。

2.2 光伏板排布

光伏板排布需要對建模區域進行光伏板的選擇和設置。本文采用的光伏板是隆基綠能科技股份有限公司的LR5-72HBD-540，其單塊面板的峰值功率為540 Wp，符合當前主流的安裝功率。光伏板具體參數如表2 所示。

設置光伏板首先需要選擇固定支架，縱向排列，方位角為0°，方陣傾斜角為19°。光伏方陣前后間距示意圖如圖2 所示。

光伏方陣的一列是由單個光伏面板橫向串聯而成，因此光伏方陣寬度與光伏板長度一致。已知光伏板長度（方陣寬度）為2 278 mm，當地的緯度為北緯27.90°，方陣行間距計算公式如下：

2.3 電氣設計

當進行電氣配置時，設定的超配比（光伏組件總容量與總的光伏逆變器額定有功功率容量的比值）目標值為110%，配置華為優化器MERC-1100W-P 共147 個，用于提高光伏組件發電效率和穩定性。優化器MERC-1100W-P 具體參數如表3所示。

并網電壓為220 V/380 V， 功率因數為1.0。利用軟件中的組串規劃功能進行電氣設計，配備1 臺SUN2000-40KTL-M3 和2 臺SUN2000-50KTLZHM3逆變器，保證電路的正常發電與并網，逆變器參數如表4 所示。

光伏電站電氣連接示意圖如圖4 所示，3 臺逆變器各控制4 個最大功率點跟蹤（maximum powerpoint tracking，MPPT）控制器，共配置147 個優化器，連接293 塊光伏板，光伏電站電氣連接具體參數如表5 所示。

3 仿真分析

3.1 發電量預測

在不考慮損失的理想情況下，本次仿真設計的校園光伏電站容量為158.22 kW，年發電量為153 722.72 kW·h， 光伏電站月度發電量如圖5所示。

3.2 經濟效益評估

設定光伏電站初裝成本價格單價為3 元/W，初裝的光伏設備包括光伏板、逆變器、優化器、線纜、支架等，每年的運維成本取市場價格（0.07 元/W），電價設置參照湖南省電網購電價平均單價[0.609 元/（kW·h）]。仿真結果顯示，光伏電站運行25 年的累計凈利潤約為211 萬元，成本約為75 萬元，投資回收期為4.76 年，投資收益率為178.59%。

3.3 社會貢獻評估

仿真設計軟件的結果顯示，在25 年的全生命周期內，二氧化碳減排量為73 018 t，節約標準煤為61 489 080 t。

4 結論

通過使用Smart Design 光伏設計軟件，對某高校圖書館屋頂進行了工商業電站設計和仿真研究，對發電量、經濟效益和社會貢獻進行分析，得出如下結論。

（1）株洲市的固定支架最佳傾角為19°，本次使用的豎直放置光伏組件方陣凈間距為1.26 m。

（2）本光伏電站容量為158.22 kW，并網電壓為220 V/380 V， 共使用293 塊隆基綠能LR5-72HBD-540 光伏板、147 個MERC-1100W-P 功率優化器、1 臺SUN2000-40KTL-M3 和2 臺SUN2000-50KTL-ZHM3 逆變器。

（3）預計光伏電站年發電量為153 722.72 kW·h，運行25 年的累計凈利潤約為211 萬元，成本約為75 萬元，投資回收期為4.76 年，投資收益率為178.59%，二氧化碳減排量為73 018 t。本次設計仿真的項目對工程建設具有一定的參考意義。