用PVSYST 模擬優(yōu)化屋頂分布式光伏設(shè)計(jì)案例分析

用PVSYST模擬優(yōu)化屋頂分布式光伏設(shè)計(jì)案例分析摘要：應(yīng)用PVSYST和SKELION軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化一個(gè)屋頂光伏系統(tǒng)，改善優(yōu)化北坡發(fā)電量較低的情況。本文的案例，是山東濰坊的某個(gè)工商業(yè)屋頂分布式項(xiàng)目，其中有一座建筑是連續(xù)起伏的南北坡屋面，建筑由連續(xù)六跨結(jié)構(gòu)組成，屋面相對(duì)水平面的傾角為6度，坡度為10.5%。屋面上有避雷帶和天溝，沒有障礙物對(duì)光伏組件形成遮擋影響。設(shè)計(jì)院對(duì)于該建筑屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)光伏組件的布置采用了和彩鋼瓦一樣平鋪的設(shè)計(jì)，這樣在南坡上的光伏組件組件的朝向南方（組件傾角6°，方位角0度），在北坡上的光伏組件朝向正北（組件傾角6°，方位角180度）。平鋪方案。在針對(duì)該項(xiàng)目的優(yōu)化過程中，通過PVsyst軟件查詢得知，光伏組件表面接收到的輻射量。1） 北坡光伏組件接收到的輻射量1297.6kWh/m2，相對(duì)于水平面總輻射量1356.2kWh/m2減少4.3%。2） 南坡光伏組件接收到的輻射量1409.5kWh/m2，相對(duì)水平面輻射量增加3.9%。南北坡的光伏組件分別接入不同的40kW的組串式逆變器，逆變器逆變后輸出的交流電經(jīng)過五進(jìn)一出的交流匯流箱匯流后，輸出至1000kVA的箱式變壓器，升壓至10kV并網(wǎng)。該屋頂供安裝265Wp多晶硅光伏組件2772塊，容量734.58kWp。該屋頂上的光伏方陣與相鄰的另一棟建筑屋面上的光伏方陣共同接入一臺(tái)箱變，組成一個(gè)光伏子系統(tǒng)。彩鋼瓦上光伏組件通常都是平鋪設(shè)計(jì)，是由于彩鋼瓦的承載能力比較小，平鋪有利于提供屋面的利用率。如果組件在南北坡均采用朝南的非平鋪的起一定傾角設(shè)計(jì)，會(huì)造成光伏支架增加重量，加大夾具的抗拉拔里，且降低屋頂?shù)睦寐省Ｒ虼藢?duì)于5%的屋面坡度，幾乎所有的彩鋼瓦屋頂都是采用組件平鋪在屋面上安裝，較少彩鋼瓦承載能力較大、質(zhì)量很好的屋面上采用光伏組件與屋面形成一定角度安裝，而且這個(gè)角度一般都在5-10度左右，角度較小，減少風(fēng)荷載。相對(duì)比彩鋼瓦屋面，本項(xiàng)目的混凝土屋面承載能力較大，光伏支架采用混凝土預(yù)制塊作為基礎(chǔ)配重，屋面的坡度較大，在北坡上光伏組件平鋪于屋面，對(duì)于光伏組件發(fā)電十分不利。由于該屋頂對(duì)應(yīng)的1MW光伏子系統(tǒng)容量稍小，子系統(tǒng)容量不足1MW，因此要保證光伏組件容量不減少同時(shí)保留檢修通道的情況下，因此需要對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。以下是原設(shè)計(jì)方案組件平鋪局部示意圖從設(shè)計(jì)院提供的施工圖設(shè)計(jì)方案分析，如果光伏組件平鋪在南北坡上，豎向三排設(shè)計(jì)光伏陣列，陣列寬度為4990mm（1650*3+2*20，1650mm為組件長(zhǎng)度，20mm為組件間的間隙），測(cè)量建筑南坡和北坡坡面長(zhǎng)度為7541mm，剩余空間寬度為2551mm，還可以再布置一排光伏組件，將光伏陣列設(shè)計(jì)為豎向四排或者兩個(gè)豎向雙排，剩余屋面寬度為881mm。如此設(shè)計(jì)雖然可以提升33%的容量，該屋頂?shù)墓夥M件安裝容量達(dá)到979.44kWp。但由于南坡和北坡結(jié)合處的天溝存在，運(yùn)維中檢修、清洗光伏組件等操作在屋面上行走不方便，而且北坡光伏組件單瓦發(fā)電量較少的情況得不到改善。優(yōu)化該類型屋頂?shù)墓夥M件布置設(shè)計(jì)方案，主要是不減少光伏組件容量的條件下，北坡的光伏組件不采用組件平鋪和方位角朝北設(shè)計(jì)。還應(yīng)進(jìn)一步明確一下，連續(xù)南北坡的連棟屋頂，光伏陣列的布置應(yīng)隨南坡北坡周期循環(huán)設(shè)置，不能像地面電站一樣，可以將光伏陣列間距根據(jù)需要增加或者減少，不受限制。首先，設(shè)計(jì)院提供的施工圖設(shè)計(jì)，光伏組件豎向三排作為一個(gè)光伏陣列，在光伏支架的安裝、光伏組串的接線、光伏電纜布線、日后的運(yùn)維等多個(gè)方面施工和清洗組件帶來不方便，因此需要改變光伏陣列的設(shè)計(jì)，可以將光伏陣列改為豎向雙排設(shè)計(jì)，光伏陣列的寬度將有4990mm減少到3320mm。如果南坡和北坡的光伏組件都采用屋面傾角的6度角設(shè)計(jì)，那么只需要將北坡改為組件6度傾角，南坡不變。將6度角設(shè)計(jì)繪制在圖紙上，南坡兩排豎向雙排的光伏支架單元，北坡一排豎向雙排的光伏支架單元，以及進(jìn)行陣列間距計(jì)算，南坡的光伏組件屬于平鋪，對(duì)北坡不產(chǎn)生陰影遮擋，對(duì)坡光伏陣列對(duì)后面的南坡光伏組件也不產(chǎn)生陰影遮擋，光伏陣列間距的冗余量較多。進(jìn)一步優(yōu)化光伏陣列的傾角，達(dá)到提高光伏陣列傾斜面接收到的輻射量最大，同時(shí)前排光伏陣列對(duì)后排光伏陣列不形成遮擋，尋求這一平衡的陣列最優(yōu)傾角和最優(yōu)間距。我們以不同的光伏組件安裝傾角（如15°、13°、10°等不同傾角）布置光伏陣列，并進(jìn)一步檢驗(yàn)光伏陣列間距是否合適。根據(jù)前文的描述，我們已經(jīng)知道，南坡豎向雙排光伏陣列的前后陣列間距可以通過公式計(jì)算，波峰處或者波谷處，光伏陣列間距的確定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)方法可以通過上文提出的公式計(jì)算，或者直接通過高差核算是否合適?？梢灾苯釉贑AD圖紙中看兩者的剖面圖，相對(duì)高差H和相對(duì)水平距離d（前排陣列上端到后排陣列的下端）。當(dāng)兩個(gè)間距都滿足陰影長(zhǎng)度計(jì)算值d’（南北方向陰影系數(shù)2.564倍相對(duì)高差，d’=2.564*H）寸相對(duì)水平距離d即可。為了方便描述，定義南坡前后兩排陣列間距為d1，南坡第二排陣列和北坡陣列波峰處陣列間距為d2，北坡陣列和南坡第一排陣列波谷處的陣列間距為d3。通過剖面圖測(cè)量相對(duì)高差和相對(duì)水平間距，以及判斷d>d’是否滿足。本文經(jīng)過不同傾角設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光伏組件傾角>12°時(shí)，不能滿足前后陣列冬至日真太陽時(shí)9：00-15：00陰影不遮擋要求。經(jīng)過測(cè)量和對(duì)比可以得到結(jié)論，當(dāng)以光伏陣列11度傾角布置，以11度傾角設(shè)計(jì)光伏陣列間距，能滿足冬至日真太陽時(shí)9：00-15：00陰影不遮擋要求。間距的計(jì)算方法此處不再描述。通過上述幾步對(duì)光伏陣列傾角不同的設(shè)計(jì)值以及通過CAD將光伏陣列在屋頂剖面圖測(cè)量、計(jì)算理論陰影值、對(duì)比是否滿足陰影不遮擋要求，數(shù)據(jù)證實(shí)以11度傾角設(shè)計(jì)可以滿足要求。那么，是否以11度傾角設(shè)計(jì)該屋頂?shù)墓夥娬緸樽?PVsyst軟件建模優(yōu)化分析接下來，我們通過PVsyst軟件建模分析，建模依據(jù)上圖11度傾角確定模型內(nèi)的光伏陣列間距。光伏系統(tǒng)容量按照兩跨建筑的光伏組件布置容量150kW設(shè)計(jì)，采用280Wp光伏組件，每22塊串聯(lián)為一串，8串并聯(lián)接入一臺(tái)50kW的華為組串式逆變器，共配置組件528塊，逆變器3臺(tái)。1）在PVsyst內(nèi)建立雙坡面的建筑（House+2-sidedroof），建筑寬度設(shè)置15米，長(zhǎng)度設(shè)置50米，高度5米，屋頂角度6度，屋檐展開寬度0米。將建筑方向設(shè)置為東西方向，即修改方位角為90度，即完成單跨簡(jiǎn)直的設(shè)計(jì)。模型中復(fù)制、粘貼建立三個(gè)單跨建筑。2） 光伏陣列設(shè)計(jì)光伏陣列均采用豎向雙排，以11度傾角安裝2X44塊光伏組件，陣列長(zhǎng)寬可通過bymodules布置為3.34mX44.5m。南坡光伏陣列為前后兩排，相對(duì)位置可以在軟件中一次性設(shè)置。如建?？臻g內(nèi)設(shè)置PVtableassheds，設(shè)置兩排陣列（Numberofsheds設(shè)置為2），組件傾角11度，橫向傾斜度為6度（補(bǔ)充釋義:transverseslope橫向坡度/斜率，軟件內(nèi)定義為南北向的坡度，設(shè)置為6度；注意另一項(xiàng)baselineslope為基線坡度/斜率，軟件定義為東西方向的坡度，這里的坡度均是用坡面和水平面之間的角度表示），陣列間距Pitch3.86米。設(shè)置北坡的光伏陣列，陣列排數(shù)為1（Numberofsheds設(shè)置為1），組件傾角11度。3） 光伏陣列在屋頂上布置將前兩步設(shè)計(jì)完成的光伏陣列單體和建筑單跨的單體組合在一起，并根據(jù)南北坡上光伏陣列的位置調(diào)整模型中的光伏陣列位置。如果所示，第二跨建筑的南坡起點(diǎn)位于Y軸上；北坡陣列的Y、Z位置，根據(jù)圖紙測(cè)量確