校园屋顶分布式光伏发电系统方案设计_刘裕舸.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 校园屋顶分布式光伏发电系统方案设计刘裕舸（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州）摘 要：为了充分利用校园建筑物屋顶，验证建筑物屋顶光伏项目具有实用性，通过采用 软件和气象数据库，对柳州地区气象数据分析和对校园建筑物进行三维建模、装机容量计算和评估系统的碳减排环保综合效益等，优化设计校园屋顶分布式光伏发电系统。通过模拟仿真发电系统的运行性能，得出：系统效率为，年发电量为 ，每年减排二氧化碳达到 。仿真结果为建筑物屋顶发电并网提供理论依据和技术验证，为光伏实际项目提供参考设计方案。关键词：校园屋顶；分布式发电系统；光伏发电系统；碳减排中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：(,):,:;引言太阳能是一种清洁、高效和永不枯竭的新能源，取之不尽，用之不竭。世界各国都将太阳能资源利用作为能源可持续发展战略的重要内容之一。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、故障率低、维护简便等优点。光伏发电系统在地形多变和分散居住的现实条件下，具有比较高效的发电效果。光伏发电作为我国可再生能源发电的主要方式之一，在推动我国能源转型上起到重要作用。年 月，我国向世界承诺“二氧化碳排放力争于 年前达到峰值，努力争取 年前实现碳中和”，反映出我国为减缓气候变暖、保护生态环境的决心。因此，光伏发电是我国实现碳达峰、碳 收稿日期：；修回日期：基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（）作者简介：刘裕舸（），男，广西南宁人，高级实验师，工程硕士，主要研究方向为智能信息处理、电力电子技术。：。红水河 年第 期中和目标的重要途径之一。为此，各级政府鼓励和扶持发展当地光伏发电产业，进一步提高可再生能源在电能市场中的比重。因此，光伏发电成为我国电能市场供给来源的一种重要补充方式，大力发展光伏发电具有重要意义。我国地理辽阔，有很多太阳能资源丰富的地区，年平均日照辐射量在 以上，年日照时长都在 以上。各地政府出台激励光伏产业发展的政策、技术迭代降低光伏发电的成本，对推动我国光伏发展规模呈快速增长的趋势起到重要作用。年 月，广西发改委印发广西可再生能源发展“十四五”规划，明确广西“十四五”可再生能源发展预期目标：至 年，可再生能源电力总量消纳责任权重达到国家要求；至 年，可再生能源并网装机规模达到 ，其中光伏发电要求达到 ；大力推进分布式光伏多场景融合发展，支持在可利用屋顶面积的建筑物如工业企业厂房、城市综合体、商场、学校、医院等建设分布式光伏发电项目；“十四五”期间，新增分布式光伏并网装机规模不低于 。本文结合柳州地区气候，以学校建筑物及周边环境为例，基于 软件对校园屋顶分布式光伏发电系统进行设计和分析，通过模拟系统运行得出系统效率和全年发电量等技术数据。结合各项发电指标数据，对光伏发电系统项目生命周期的碳减排等环保综合效益进行分析。柳州地区太阳能资源评估 选址广西柳州市属亚热带季风气候区，温度适宜、雨量充沛、日光充足，年平均日照时长超过 ，无霜期长达 以上。根据行业标准 太阳能资源评估方法划定的等级，柳州地区属于太阳能资源较丰富地区，适合开发利用太阳能，日照辐射量能够满足光伏系统设计要求。本项目基于柳州铁道职业技术学院校园实训楼屋顶作为分布式光伏发电的场地设计。建筑物位于北纬、东经，海拔 ；实训楼天台朝向偏东北，屋顶面积 。周围无高于该建筑物的遮挡物，有利于光伏阵列接受到更长时间的日照。气象数据导入 软件作为目前光伏系统设计领域最常用的辅助设计软件，能够完整地对光伏发电系统进行研究、设计和数据分析。软件支持通过、等软件导入气象数据。以 气象软件的数据为例，生成柳州市气象数据作为光伏发电系统的基础气象数据。在 软件数据库中，没有查询到柳州市的气象站点，因此无法直接导入气象数据。数据库允许通过新建气象站点，利用数据库中柳州市附近的气象站点（如桂林、南宁）数据插值计算得到当地的气象数据。利用 软件合成的柳州市气象数据参数包括月水平面总辐射量、月水平面直接辐射量、月水平面散射辐射量、月最高气温、月平均风速、相对湿度等，具体数据如表 所示。光伏系统模型设计 建筑物环境三维建模实训楼朝向方位角偏东北。实训楼模型如表 柳州市气象数据月份月水平面总辐射量（）月水平面直接辐射量（）月水平面散射辐射量（）月最高气温 月平均风速（）相对湿度 全年 注：为全年汇总值；为全年平均值。刘裕舸：校园屋顶分布式光伏发电系统方案设计图 所示，天台为平面，呈“”形，总面积约为 。因此，光伏阵列采用固定朝向方式安装，即阵列安装采光面朝向正南。为了光伏组件能够接收到太阳的最大辐射量，选择理想的倾角能够实现光伏组件发电量的最大化。通常倾角选择以所在地的纬度为基准作微调。柳州市的纬度范围是北纬，以此为基准确定光伏组件的倾角为，光伏组件铺设区域最大面积为 。图 实训楼三维模型 根据阵列方位角和倾角，采用 软件计算得出太阳在不同的方位角和高度时朝南方向的采光面阴影损失。线性阴影损失用于评估不同时间段光伏组件受直射光的遮挡程度，采光面的直射阴影曲线如图 所示。图 中，轴为太阳方位角，轴为太阳高度角；条采用数字标号的抛物线对应不同月份 日左右的太阳东起西落的运行轨迹；“”字螺旋形曲线代表一天中不同时间点的全年太阳轨迹，箭头表示轨迹运动方向；图下方所标的不同类型的虚线表示对应的阴影损失比例。当太阳方位角为 时，各阴影损失线对应着不同的太阳高度角，如图 所示。光伏阵列所接受到的太阳辐射量与阵列的倾角有着密切的关系，光伏阵列将太阳的水平面辐射能量接受到光伏阵列的倾斜面上才能实现光电转换。通常较简便的辐射量计算经验公式为 （）（）式中：为单位面积光伏阵列倾斜面上接受到的太阳年总辐射量；为单位面积水平面上太阳年直接总辐射量；为单位面积水平面太阳年总散射辐射量；为中午 时的太阳高度角；为光伏阵列倾角。参照表 中的气象数据及采用 软件模拟仿真，柳州市冬至日太阳轨迹 时太阳高度角为，单位面积水平面上太阳年直接总辐射量 为 ，单位面积水平面太阳年总散射辐射量 为 ，光伏阵列倾角为，根据式（）计算得到单位面积光伏阵列倾斜面上接受到的太阳年总辐射量 为 。计算光伏发电系统发电量时，需要将光伏阵列倾斜面上的太阳辐射量换算为太阳能峰值利用小时数，计算公式为 （）式中：为全年太阳能峰值利用小时数；为标准太阳辐射强度，取值 。根据式（）计算得出全年太阳能峰值利用小时数 为 。图 朝向阴影系数图 光伏系统设计 光伏组件的铺装分布式并网光伏发电系统单元由光伏阵列、并网逆变器等组成。根据实训楼建筑物的布局，选择屋顶式光伏阵列进行铺设。光伏组件采用单晶硅太阳能光伏组件，其优点是光电转换效率高达，使用寿命长，详细参数如表 所示。光伏阵列由 块 光 伏 组 件 构 成，组 件 有 效 面 积 为。光伏组件通过串联后，以并联组串方式接入逆变器输入端，因此，需要对光伏组件串联数量进行合理地分配。光伏组件串联个数的计算公式为 （）（）式中：为逆变器允许最大输入直流电压；为光伏组件开路电压；为光伏组件的开路电压温度系数；为光伏组件工作条件下的极端低温，通常为。根据式（）计算得出，串联组件数量为 块时，效果最佳。个并联组串形成一个完整的光伏阵列，接入逆变器进行并网发电。计算结果与采用 软件模拟的阵列设计组件与组串数量相符。光伏电池片在单位面积下的发电效率与电池片 红水河 年第 期表 光伏组件电气详细参数参数数值 最大功率 开路电压 短路电流 最大功率点的工作电流 最大功率点的工作电压 温度系数（）串联电阻 分流电阻 温度有关，组件单二极管模型的光电转换相对效率如图 所示。每平方米的光伏电池片温度在 时，电池片光电转换的相对效率为 。不同温度下光伏组件的工作电压和功率的曲线变化如图 所示。由图 可知，光伏组件的温度升高会造成其输出功率下降。图 组件光电转换的相对效率（光伏组件制造商为 ，型号为 。）图 不同温度下组件的电压功率曲线（光伏组件制造商为 ，型号为 。）光伏阵列是一种高效的太阳能发电系统，它需要考虑到前后光伏板安装距离的遮挡，造成光伏组件的热板效应，从而降低电池的寿命和输出功率。因此，需要在设计之初对光伏阵列间距进行计算。光伏阵列间距计算公式为 （）式中：为光伏阵列间距；为光伏阵列的安装倾角；为光伏组件及支架的斜面长度；为太阳方位角；为太阳高度角。通常，计算光伏阵列的间距，以冬至日 时不发生遮挡的有效发电量为基准。因为冬至日的太阳高度角最小，而光伏阵列的阴影最大。在冬至日，若光伏阵列之间没有出现太阳光线遮挡，那么全年的其他时间都不会出现遮挡的情况。通过采用 软件根据柳州市的气象数据模拟仿真柳州市冬至日太阳轨迹得到柳州当日太阳方位角为，太阳高度角为。根据式（）计算，光伏阵列间距为 。光伏板安装如图 所示。图 光伏板安装图 逆变系统并网逆变器是把直流电能转变成交流电的装置。光伏阵列将光电转换后的直流电转化成交流电传输送到电网，是并网光伏发电系统的核心部件。逆变系统采用华为技术有限公司生产的 型逆变器，该逆变器的主要电气参数如表 所示。表 逆变器主要电气参数参数指标 工作电压范围 输入端 最大效率 输出端三相交流 输出电压 输出电流 标称交流功率 最大交流功率 分布式并网光伏发电系统的每台逆变器标称交流功率（）为 ，需要设置 组逆变器，每台逆变器最大交流功率为 。个光伏串联组件分布在 个逆变器输入端，组串分布比例设置为，便于电缆铺设。系统组网屋顶分布式光伏发电系统主要由三部分组成：直流系统、并网逆变系统和电网，结构图如图 所刘裕舸：校园屋顶分布式光伏发电系统方案设计示。并网光伏发电系统的工作原理：光伏阵列通过光电转换产生直流电输送至逆变系统，逆变系统将直流电能转换成 低压交流电能，通过逆变器并网端口接入电网传输电能。图 光伏发电系统结构图 设计光伏阵列时，要考虑光伏串联组件的输出电压不能超过逆变器输入端的工作电压范围，每个光伏串联组件输出电压为 （）式中：为光伏串联组件输出电压；为最大功率点工作电压；为串联组件数量。通过计算得出光伏串联组件输出电压为。由表 可知，串联组件输出电压值在逆变器输入端工作电压范围内。系统发电效率分析光伏发电系统是利用光伏电池的光伏效应，将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。转换效率是反映系统综合发电性能的效率指标。因此，光伏发电系统的发电量与系统发电效率是紧密联系的，而系统发电效率又与光伏组件的光电转换效率有关。光伏组件的光电转换效率为（）式中：为光伏组件的输出电流；为光伏组件的输出电压；为光伏组件的有效面积；为光伏组件的单位面积入射光功率，通常取值标准为 下，。光伏发电系统效率是系统在太阳辐射能量照射下，系统输出并网功率与光伏阵列输出功率的比。光伏发电系统效率反映了系统在太阳辐射时进行光电转换产生电能的过程中所造成的电能损耗。光伏发电系统效率的计算方法有很多，比较典型的计算公式如下：（）式中：为光伏发电系统效率；为光伏组件的光电转换效率；为逆变器的转换效率，通常取值不低于；为交流并网效率，通常是交流线损和升压变压器的损失，以不低于 为标准。光伏发电系统效率低与很多因素相关，如光伏板污渍、组件串联超配损失、光伏组件温升损失、组件功率衰减、阵列阴影遮挡等。光伏发电系统的发电量由 个因素决定：装机容量、峰值日照小时数、系统效率。发电量表达式如下：（）式中：为光伏发电系统发电量；为装机容量，即系统标称功率；为峰值日照小时数。光伏发电系统的地理环境和装机容量确定后，提高发电量就必须通过系统设计优化来提高系统效率。仿真结果及碳排放效果评估 仿真结果根据上述光伏发电系统的设计方案，利用 软件仿真得出光伏发电系统的发电量达到 ，单一光伏组件日均发电量为 ，日均光伏阵列直流功率损失为 ，日均系统交流功率损失为 ，系统效率为。月度系统效率如图 所示。每月日均输出能量如图 所示：底层深黑色柱为当月日均发电量，即逆变器输出能量；中间白色柱为当月日均系统交流损失能量，即逆变器等损失能量；顶层浅灰色柱为当月日均光伏阵列损失能量。图 月度系统效率图 系统每月日均输出能量 红水河 年第 期 由于系统组件质量、天气、地理环境等因素都会造成系统发电量的部分损失。通过 软件仿真分析得出发电系统损失流向，系统能量损失主要有：温度导致的光伏能量损失为，由图 可知，电池组件温度升高造成其输出功率降低；光伏串联组件造成的失配损失为，因此，在进行系统配置时需要通过计算得到最佳的光伏串联组件数量，以降低因失配造成过多的能量损失；逆变器在工作时的损失为；太阳辐射强度造成的光电转换损失为；线缆损失为。由式（）计算得出该光伏发电系统首年发电量理论值为 ，与采用 软件仿真计算各种因素损失后的光伏发电系统发电量相比，误差为 。国家能源局综合司发布的文件（国能综新能 号文）规定：享受国家补贴的光伏发电项目采用的光伏组件和并网逆变器产品应满足光伏制造行业规范条件相关指标要求，多晶硅电池组件转换效率不低于，一年内衰减率不高于。通过 软件仿真计算，该发电系统的光伏阵列光电转换效率为。查询 数据库，得到光伏生产厂家标称单个光伏组件每年总的衰减系数为。单个光伏组件使用 衰减系数变化的仿真结果如图 所示。图 单个光伏组件使用 衰减系数变化曲线 碳减排效益分析据国家统计局最新数据，年 月广西壮族自治区规模以上工业企业火力发电量同比增长，达 亿，增速较 年同期高 个百分点，继续保持增长。广西发电企业大多数是以火力发电为主，其中燃煤发电占绝对主导。国际能源署（）发布全球能源回顾：碳排放报告显示，煤炭使用产生碳排放占全球二氧化碳排放增量的 以上。据统计，火力发电 消耗标准煤 ，同时排放 碳粉尘、二氧化碳（）、二氧化硫（）、氮氧化合物（）、纯净水。本文设计的光伏发电系统采用 软件经济评估仿真计算碳减排效益结果为年平均减少 排放 。以项目生命周期为 计算，共计减少碳排放 。光伏发电系统的环保综合效益如表 所示。表 光伏发电系统环保综合效益分析环保综合效益分析年均发电量和污染物减排量 发电量和污染物减排量预计发电量 标准煤 二氧化碳 碳粉尘 二氧化硫 氮氧化合物 纯净水 结语本文以柳州铁道职业技术学院实训楼为例，利用校园建筑物屋顶设计一套装机容量为 的分布式光伏发电系统。基于 气象软件生成的柳州地区气候数据，利用 软件进行建筑物三维建模，通过 仿真分析得出该光伏发电系统年发电量为 ，光伏阵列的光电转换率达到，系统效率 达到，发电系统整体性能良好。太阳能作为可持续利用的可再生能源，符合国家当前对新能源发电技术的推广趋势。光伏发电系统作为电力市场电能供给的补充方式之一，既能做到碳排放的减少，响应国家加快实现碳达峰、碳中和的要求，又能增加单位企业的额外收入。校园屋顶分布式光伏发电系统利用高校园区建筑物多、建筑物周边环境开阔、遮挡物少的特点，充分利用校园建筑物屋顶的平面，通过对发电系统合理计算和参数优化设计，能够有效地提高光伏发电系统的发电效率和发电量，同时也能够做到减少碳排放和产生一定的经济效益。参考文献：韩梦瑶，熊焦，刘卫东中国光伏发电的时空分布、竞争格局及减排效益自然资源学报，（）：牛高远，王以笑，龚晓伟，等基于 的分布式并网光伏发电系统效率分析与优化研究可再生能源，（）：广西壮族自治区发展和改革委员会广西可再生能源发展“十四五”规划（）：赵星竹，尹常永基于 的建筑屋顶光伏设计评估研究沈阳工程学院学报（自然科学版），（）：（下转第 页）丁 欣，邱 敏，陈君霞，等：型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究样频率和低开关频率的应用场景中，所提方案是一个潜在的候选方案。）本文采用极点配置法设计观测器参数和组合反馈控制参数，结果表明，为了获得良好的抗干扰性能，的高带宽是必要的。然而，通过仿真分析可知，观测器带宽的高增益将导致稳定裕度下降。因此，在自抗扰参数设计上，可以继续研究更适合的优化策略。参考文献：，（）：韩京清自抗扰控制器及其应用控制与决策，（）：许津铭，谢少军，张斌锋分布式发电系统中 滤波并网逆变器电流控制研究综述中国电机工程学报，（）：丁欣，罗昕，郑春强 光伏并网逆变器的反步法稳定控制器研究广西电力，（）：宋国杰，李国进，杨浩，等基于 坐标系下 型光伏并网逆变器的 状态反馈控制太阳能学报，（）：，（）：梁理程，丁欣，谢李兵，等基于状态观测器的单相并网逆变器复合控制 电源学报：陶帮正线性自抗扰控制器在 型并网逆变器系统中的应用研究广州：华南理工大学，王佐电力电子变换器系统先进控制理论及其应用研究南京：东南大学，宋国杰，李国进，杨浩，等基于李雅普诺夫函数的微电网下并网逆变器的自适应控制高电压技术，（）：吴云亚，谢少军，阚加荣，等逆变器侧电流反馈的 并网逆变器电网电压前馈控制策略中国电机工程学报，（）：，（）：曹永锋自抗扰控制在逆变器系统中的应用研究南京：南京航空航天大学，裘栋基于 的 并网逆变器控制策略研究南昌：南昌大学，许津铭分布式发电系统中 滤波并网逆变器运行鲁棒性研究南京：南京航空航天大学，（）：（责任编辑 秦凤荣）（上接第 页）陈毅湛，陈惠秋，冼丽娴，等基于高效 太阳电池屋顶光伏发电系统的设计及能效分析硅酸盐通报，（增刊）：乔永力，徐红伟，孙坚家庭并网光伏发电系统仿真研究与分析电源技术，（）：朱菊，王金梅，韩世军，等基于 的光伏电池转换效率仿真研究电源技术，（）：肖友鹏基于 的户用独立光伏发电系统优化设计电源技术，（）：（责任编辑 秦凤荣）