分布式光伏發電系統設計流程及效益分析

摘 要：

隨著“雙碳”目標的深入開展，建筑光伏發電系統的應用越加廣泛。以某工業廠房屋頂的光伏發電項目為例，提出了進行屋頂光伏發電系統的設計流程，并做出了具體的效益分析。結果可為建筑光伏發電系統設計提供參考。

關鍵詞：

設計流程; 碳排放; 建筑光伏一體化; 光伏發電; 效益分析

中圖分類號： TU852

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0063-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.011

0 引 言

隨著現代社會對電力供應安全可靠性要求的提高，能源和環境問題日益突出，其中最大的問題就是碳排放問題。對于從事建筑電氣工程設計人員而言，充分利用好太陽能資源，設置建筑光伏發電系統，可以有效地降低建筑物的碳排放，又能提供有效的綠色電力，值得推廣。

建筑光伏一體化是將太陽能發電設施與建筑有機結合，有構件型建筑光伏一體化（BIPV）和安裝型建筑光伏一體化（BAPV）兩種［1］。由于光伏組件方陣與建筑的結合不占用更多的地面空間，光伏發電系統在城市中可以較為廣泛地應用。

本工程僅以BAPV、光伏組件540 Wp為例提供屋頂分布式光伏發電系統的設計流程及效益分析等，供同行們參考。

1 項目概況及設計方案

該項目為單層工業廠房，層高15 m，建筑面積約2 790 m2，廠房屋頂面積約為2 727 m2，女兒墻高1.5 m，位于陜西省西安市。北緯34.3°，東經107.40°，水平面太陽年總輻射量為46.651×108 J/m2·a（1 295.85 kW·h/m2·a），年日照時數為1 200～2 200 h，年平均峰值日照時數為3.59 h。

1.1 年發電量和安裝容量

太陽能光伏發電系統由光伏組件、逆變器及交、直流匯流箱（柜）等設備組成。太陽能通過光伏組件轉化為直流電能，再通過逆變器轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波交流電能。

根據氣象條件計算工業廠房屋頂光伏的發電量，光伏發電系統的預測發電量可按下式計算［2］：

Ep=HA（PA/Ea）K

（1）

式中： Ep——年發電量;

HA——水平面年太陽能總輻射量;

PA——光伏組件安裝容量;

Ea——標準條件下輻照度;

K——綜合效率系數，包括光伏組件類型修正系數、轉換效率修正系數、光伏組件的位置修正系數、光照利用率和光伏發電電氣系統效率等。

本工程光伏組件安裝最佳傾角約為29.3°，組件采用縱向布置，正南朝向，經計算每行排列安裝間距為1.87 m，考慮余量取2 m。布置光伏組件512塊，安裝容量PA約為276 kWp，故年發電量Ep為285 936 kWh/a，取285 MW/a（K取0.8）。光伏組件參數如表1所示。

1.2 光伏組件方陣

1.2.1 光伏組件的串并聯設計

根據安裝容量和建設要求，該光伏發電系統采用并網系統。光伏組件的串聯匹配主要依據所配置的逆變器的最大直流輸入電壓和逆變器正常工作電壓輸入范圍（MPPT電壓輸入范圍）來確定。組件串最大開路電壓不超過逆變器的最大直流輸入電壓，組件串的最大工作電壓不能超出逆變器的MPPT電壓的輸入范圍［5］。在光伏組件的串聯數量確定后，光伏組件的并聯匹配依據逆變器的最大直流輸入電流和逆變器的最大輸入功率來確定［3］。

1.2.2 并網逆變器

本工程安裝容量為276 kWp，擬初步選擇4臺70 kW并網逆變器，每臺逆變器接入組件128片，并網逆變器參數如表2所示。

根據計算，每臺逆變器接入組件數量128片，總功率69.12 kW，采用16片構成1組件串，每2組串并聯，共8個組串構成光伏方陣，經智能型防雷直流匯流箱接入逆變器。4臺逆變器共計32個組串，共計512片，容量為276 kWp。屋頂光伏組件布置、接線及基礎布置圖如圖1所示。

1.3 并網要求及接入方式

1.3.1 并網要求

分布式光伏發電系統根據容量及并網電壓等級要求，可以實施單點并網或多點并網。并網點要設置在易于操作、可閉鎖且具有明顯開斷點的位置，以確保電力設施檢修維護人員的人身安全［3］。

1.3.2 系統接入功率及接入方式

分布式光伏發電系統接入電網功率應根據接入電壓等級、接入點實際情況控制。具體能接入多大功率需根據電網實際運行情況、電能質量控制、防孤島保護等方面論證。一般接入功率總容量要控制在所接主變、配變接入側線圈額定容量的30%以內。光伏發電系統總容量不宜超過上一級變壓器額定容量的25%［2］。當光伏系統容量較大時，還應分析光伏系統岀力變化引起的線路功率和節點電壓的波動情況。并網電壓接入等級可根據裝機容量進行初步選擇，容量S≤8 kW接入220 V電網;8＜S≤500 kW接入380 V電網;500＜S≤6 000 kW（6 MW）接入10 kV電網;S＞6 000 kW（6 MW）接入35 kV電網［4］。接入方式一般有專線接入、T接接入、用戶側接入3種方式［3］。

根據本工程安裝容量，采用自發自用余電上網形式。光伏電站安裝容量為276 kWp，該廠變壓器容量為2 000 kVA，可以采用一點接入方式，將接入點設置在變配電室的低壓母線側。需注意的是，在采用并網系統后，要在發電側和電能計量點分別配置和安裝專用的電能計量裝置。電氣主接線系統圖如圖2所示。并網柜布置圖如圖3所示。

1.4 屋頂分布式光伏荷載

選定布置好組件之后，對于建筑屋頂的結構

荷載也是需考慮的因素之一。構成屋頂光伏發電系統的結構荷載主要由支架總荷載T和基礎荷載J組成，而支架總荷載T的計算如下：T=G+W+

S+K（順風時）;T=G-W+S+K（逆風時）。其中：G為固定載荷，包括組件自身重量和其他重量，G=GM+GM1+GM2（GM為組件質量，包含組件

邊框;GM1為支架自身重量;GM2為其他重量（如支架掛逆變器、匯流箱等）。W為風壓載荷，為加在組件上的風壓（WM）和加在支撐物上的風壓（WK）的總和。S為積雪載荷，積雪在垂直面上產生的垂直荷載。K為地震的載荷，水平作用在支撐物上的地震力［5］。顯然支架總荷載與安裝地點的環境條件、支架的材質均有關系，若光伏組件采用250 mm×250 mm×300 mm混凝土基礎，則該混凝土基礎的單位面積結構荷載約為0.18 kN/m2。因此，在確定荷載時，應與建筑、結構專業配合，并結合生產廠商提供的資料，經結構專業驗算后得出屋頂光伏系統的荷載。

1.5 其他需考慮的因素

除了以上主要設計部分之外，須設置光伏電站監測系統，對發電總量、發電功率、通信、安防等數據監測，確保一直處于穩定運行狀態。還應該做好屋頂光伏發電系統各構件的防雷接地、抗震以及線路敷設的路由、警示標志等設置。組件的布置應結合屋頂情況，不影響屋頂的消防疏散等。

2 效益分析

2.1 經濟效益

根據《國家發展改革委關于2018年光伏發電項目價格政策的通知》文件，《陜西省電網電價表》、《關于促進光伏產業持續健康發展的實施意見的通知》（市政辦發〔2018〕32號）有關要求，本工程滿足補貼政策。

本工程安裝容量為276 kWp，若按照綜合造價3元/W，則初期總投資為82.8萬元。

光伏發電系統設計壽命為25 a。多晶硅、單晶硅和薄膜電池組件自項目投產運行之日起，一年內衰減率分別不應高于2.5%、3%和5%，之后每年衰減不應高于0.7%［4］。

本工程選擇單晶硅組件，一年內衰減率3%，之后每年衰減0.7%，以此計算第二十五年安裝容量為

P25A=276×（1-3%）×（1-0.7%）23=227 kWp，衰減量不超過初始安裝容量的20%。25 a總發電量為6 396.063 MWh。年均發電量為255.842 MWh。年發電量如表4所示。

（1） 若該項目光伏發電自發自用余電上網的自用率為80%，上網電量為20%。

每年收益=每年發電自用電量×用電電價

（0.62元/kWh）+上網電量×光伏上網標桿電價（0.354 5元/度補貼20 a）;20 a年均收益約為145 018元;前6 a年均收益約為155 585元;前6 a總收益為93.35萬元。

（2） 若該項目光伏發電全部自用。

每年收益=每年發電量×用電電價（0.62元/kWh）;25 a年均收益約為158 622元;前5 a

年均收益約為770 963萬元;前5 a總收益為85.48萬元。

兩種方式的投資回收期測算如表5所示。

從以上分析可以看出，兩種方式的成本收回年限為5～6 a，光伏發電系統的使用壽命為25 a。還有19～20 a都是凈收益，可以看出工商業屋頂分布式光伏電站系統具有明顯的經濟效益。

2.2 環境效益分析

對環境沒有污染，是光伏發電的巨大優勢。我國電力供應中的火力發電在煤炭燃燒的過程中，會蓄積大量的有害氣體，如SO2、CO2等，對環境造成污染。光伏發電系統運行后，可實現“零”排放。節約碳排放統計表如表6所示。

3 結 語

隨著各地“雙碳”目標政策的深入實施，各

行業對可再生能源利用越發廣泛。建筑領域里結合建筑物的建筑光伏一體化發電系統也越來越多。從而節約了能源，有效利用清潔的太陽能，降低了碳排放，對我國完成碳排放的既定目標起到了推動作用。

［1］ 李英姿.建筑光伏一體化工程設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.民用建筑電氣設計標準：GB 51348—2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019.

［3］ 李鐘實，李皓，王志建，等.太陽能分布式光伏發電系統設計施工與運維手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社，2019.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑光伏系統應用技術標準：GB/T 51368—2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019.

［5］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.光伏發電站設計規范：GB 50797—2012［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

收稿日期： 2024-03-15

Design Procedure and Benefit Analysis of Distributed Photovoltaic System

DIE Yong1， CHEN Xu1， FANG Zhen1， ZHANG Haitao2， LI Dan3

［1.Shaanxi Architectural Design and Research Institute（Group） Co.， Ltd.， Xi’an 710018， China;

2.China United Northwest Institute for Engineering Design amp; Research Co.， Ltd.， Xi’an 710071， China;

3.Xi’an Haitang Vocational College， Xi’an 710038， China］

Abstract：

With the development of “double" carbon” strategy，the application of building photovoltaic power system is more and more extensive.This paper puts forward the design flow of the rooftop photovoltaic power generation system by taking the photovoltaic power generation project on the roof of an industrial factory building as an example，and makes a concrete benefit analysis.It can provides a reference for building photovoltaic power system.

Key words：

design procedure; Carbon emissions; building photovoltaic integration; photovoltaic power generation; benefit analysis