太阳能屋顶光伏发电系统设计及效益分析

廖世凯，李 琛

（国网孝感供电公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，传统能源的供应日趋紧张，而传统能源的不可再生性更是加重了人类社会对经济可持续发展的担忧。人类对新能源的需求与日俱增，渴望用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。太阳能作为一种定性的清洁能源，以其独有的优势成为人们关注的焦点，具有广阔的应用前景。太阳能屋顶光伏发电是人们对太阳能利用的一种方式，是一种环保、清洁的可再生能源。它对于优化能源战略、改善电源结构、提高电源保障、节能减排、提高环境质量是非常有利的。

本文以湖北孝感地区农业光伏科技大棚屋顶光伏并网发电系统为实际案例，介绍屋顶光伏发电系统最佳方案设计过程，分析太阳能屋顶光伏发电工程的发展前景和经济效益。

1 屋顶光伏发电系统

1．1 系统简介

屋顶光伏发电系统由光伏组件、直流汇流箱、并网逆变器、计量装置、交流配电装置及远程监控数据传输系统等部分组成。

目前，光伏组件主要分为晶体硅太阳能电池组件和非晶薄膜电池组件。晶体硅太阳能电池组件用高透光率低铁钢化玻璃、抗老化EVA和优良耐火性背板热压密封而成，光电转换效率达到14%～17%，具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力强等特性。非晶薄膜电池组件用只有几微米厚的半导体材料，厚度不足晶体硅电池的百分之一，光电转换效率达到6%～6．5%。这些半导体薄层可以附着在如玻璃、活性塑料或不锈钢薄板等廉价的基片上。非晶薄膜电池组件具有卓越的弱光发电性、隔热保温性和防孤岛效应等优点。在同样发电量和相同功率的情况下，非晶硅太阳能薄膜电池的成本低于晶体硅太阳能电池，被认为是当前最有可能实现发电成本接近上网电价的技术。

1．2 屋顶光伏发电系统的构成及原理［1，2］

屋顶光伏发电系统由光伏组件、组件支架、逆变器、防雷汇流箱、交流保护开关、直流开关和电能计量等装置组成，当逆变器的输出电压和并网电压不相等时，还需另外配置升压变压器转变为同步的交流电后并入电网。

屋顶光伏发电系统是将太阳能电池组件安装在屋顶，当有阳光时，逆变器将光伏组件所发的直流电转变成正弦交流电，产生的交流电可以直接作为电源驱动负荷，也可切换到外部公用电网，实现小型光伏系统并网运行。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时由电网供电。为保证系统安全可靠运行，需综合考虑防雷系统、保护系统、通信系统的设计。光伏发电系统组成原理图如图1。

图1 太阳能光伏发电系统组成原理框图

2 案例设计

2．1 项目简介

该工程项目是湖北孝感地区农业光伏科技大棚屋顶光伏发电系统设计方案，建立在孝感地区农业光伏科技大棚屋顶，可利用面积为33．69×104m2，装机容量为15 MW。其中晶体硅太阳能电池组件装机容量为14．7572 MW，非晶薄膜电池组件装机容量为0．2428 MW。

2．2 自然条件

湖北孝感地区日照充分，太阳能资源富足，属太阳能资源的三类地区，是我国太阳能资源较丰富的地区。根据孝感地区多年气象资料分析，其日照小时数年 平 均 为2 350～2 700 h。 年 太 阳 能 总 辐 射 为5 582 MJ／m2左右。因此，适合建立太阳能屋顶光伏发电工程。

2．3 光伏组件的选择

光伏组件目前主要有晶硅组件、薄膜组件及聚光组件等，晶硅组件的性价比高，薄膜组件存在转换率低的缺点，聚光组件价格较高。

晶硅组件又分为单晶硅组件、多晶硅组件、高效组件。根据相关试验研究结果［3］，同等条件下单晶硅组件的发电量最高。所以本设计采用晶硅组件，试验数据如表1所示。

表1 不同材料的光伏组件性能比较

2．4 总平面布置

该工程项目涉及了103栋建筑物，根据屋顶形状、屋顶载荷限制及发电量、光伏组件的安装方式等因素，确定光伏系统组件的倾斜角度，在条件允许的情况下得到最大的发电量。屋顶组件可以采用倾斜角度0°和15°两种安装方式。

2．5 光伏组件方阵布局设计

2．5．1 倾角支架方式确定

并网光伏发电系统中，光伏组件支架分可变倾角和固定倾角两种，最佳倾角是指能获得全年最大光辐射量的组件倾角。由于可变倾角支架投入较大，维护复杂，适用于大型光伏发电系统；而固定倾角支架相对简单，适用于屋顶等小型光伏发电系统。

2．5．2 倾角计算［4，5］

太阳能电池组件安装角度会对其发电量产生较大的影响。为了增加光伏电站的年发电量，电池板应朝向正南方向，并与地平面保持一定夹角，相关计算如下：

（1）按公式计算孝感地区中午时分太阳高度角α和方位角γ

式中，Φ为经度，孝感地区为北纬30．56°；δ为太阳赤纬角，冬至日为－23．5°；ω为时角，9：00时角为45°。

计算可知：

故孝感地区太阳高度角α为20．83°。

sinγ＝cos（－23．5）sin45／cos20．83＝0．6938

故孝感地区太阳方位角γ为46．07°。

（2）最佳倾角确定

倾斜面光伏阵列表面的太阳辐射量：

计算日辐射量的公式：

式中，Rβ为 倾斜方阵面上的太阳总辐射量；D为散射辐射量，假定D与斜面倾角无关；S为水平面上的太阳直接辐射量；β为光伏阵列倾角；α为孝感地区中午时分的太阳高度角。

根据孝感地区气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式计算不同倾斜面的太阳辐射量，得出光伏矩阵倾角为36°时，倾斜面上所接受的太阳辐射量最大，相应的发电量也就最多。本设计倾角采用36°夹角设计。

2．5．3 确定光伏组件阵列间距

光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9：00至15：00，光伏阵列不会互相遮挡，一般按以下阵列间距公式确定最小间距：

式中，D为光伏组件阵列间距；H为阵列高度；α＝20．83°；γ＝46．07°。

本项目采用固定倾角方式，组件支架长度为1．642 m，孝感地区最佳倾角为36°，可以得出阵列高度H＝1．642×sin36＝0．97 m。

阵列间距D＝cos 46．07×0．97／tan20．83＝1．77。

2．5．4 系统组成及设计

设计人员经过现场勘测、可行性研究和经济效益论证，提出该项目采用分散发电、单点并网、就地和集中监控的技术方案。即整个光伏发电系统由若干个分光伏发电系统组成，每套光伏系统配有完善的通讯监控系统，包括1套数据采集单元及1套计算机监控设备，数据采集单元采集环境参数与逆变器运行参数，将光照强度、环境温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485传输给监控系统，实现就地监控。设立光伏发电系统控制中心，各发电系统通过远程通讯传输到控制中心，实现对全系统的远程监控，同时方便区域的电网调度管理。

2．5．5 光伏组件阵列的布置和安装

为了解决屋面的承重能力、防水能力、组件抗风、防雷及阴影遮挡等问题，本设计采用铝合金支架将所有组件连接为一个整体，固定在屋顶的承重梁上，支架与屋面防雷系统相连，有效解决了承重、防水、抗风及防雷问题。

3 效益分析［6］

该工程总投资为3．8亿元，政府财政补贴为1．9亿元，主要技术及经济指标如表2所示。

表2 主要技术及经济指标

由上述经济指标可知，该农业光伏科技大棚项目为国家扶持的光伏发电示范工程，享受政府投资补贴50%的优惠政策，因而经济效益较好。该项目建成后，每年减少CO2排放量20 901 t，每年减少SO2排放量630 t，每年减少氮化物排放量310 t，对于湖北省发展新能源和城镇化建设影响深远。

4 结 论

太阳能屋顶光伏发电工程对于优化能源战略、改善电源结构、提高电源保障、节能减排、提高环境质量是非常有利的。本文结合实例对屋顶光伏发电系统的具体设计方法进行了简单的探讨，阐述了设计思路和过程，为今后开展屋顶光伏发电系统设计提供参考。此外通过经济效益和节能减排效益的分析可以看出，虽然屋顶光伏发电系统的一次投资比较大，但是能享受政府投资补贴50%的优惠政策，同时光伏发电可以减轻矿物能源燃烧给环境造成的污染，从而使太阳能屋顶光伏发电工程能够带来巨大的社会效益和经济效益。

［1］ 杨洪兴，周 伟．太阳能建筑一体化技术与应用［M］．北京：中国工业出版社，2009．

［2］ 沈 辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术［M］．北京：化学工业出版社，2005．

［3］ 李宁峰．屋顶太阳能光伏发电系统的设计［J］．江苏电机工程，2011，（03）：43－45．

［4］ 朱超群．估计南向破面总辐射最佳倾角的表示式［J］．南京大学学报（自然科学），1997，33（4）：33－36．

［5］ 杨金焕，毛家俊，陈中华．不同方位倾斜面上太阳能辐射量及最佳倾角的计算［J］．上海交通大学学报，2002，36（07）：1032－1037．

［6］ 沈 阳，朱先峰．光伏屋顶系统设计方法及效益分析［J］．太阳能，2009，（11）：50－51．