住宅小区屋顶光伏发电系统的应用研究

龚 贺

GONG He

(慈溪市建设投资集团有限公司，浙江 慈溪315300)

1 工程概况

慈溪天和家园小区屋顶光伏并网发电系统是国家住宅工程中心2007年度国家太阳能建筑示范工程，该工程在国内首次实现了居民住宅小区屋顶光伏发电系统的应用。光伏发电系统的组件布置与住宅建筑较好的结合，发电系统的运行全过程实现了无人值守、自动化运行等一系列设计要求，稳定运行至今。电站从2007年1月1日开始运行，截止2013年12月31日，已累计运行7年共63292 h，累计发电259464 kWh，节省约95742 kg 标准煤，累计减排约226252 kg 二氧化碳、约6824 kg 二氧化硫、约3399 kg 氮氢化物、约61752 kg 碳粉尘，取得了良好的经济和社会效益。

慈溪位于我国东南沿海，经济较为发达，在全国的县级市里名列前茅。我国东南沿海经济发达地区尤其是人口稠密的江浙沪地区，拥有相似的地理位置和气候条件，土地资源稀缺，能源需求较强。因此在建筑屋顶推广太阳能发电系统，通过自发自用补偿建筑公共用电，通过短距离输电能缓解用电紧张状况，既不占用额外土地，又有显著的减排生态效益，更具现实意义。

2 屋顶光伏发电系统的组成

天和家园住宅小区占地面积64788 m2，建筑面积13.4 万m2。小区住宅整体布置方式为南北走向，周边均无高大建筑，日照充分无遮挡。太阳能光伏并网系统安装于小区20 号楼屋顶，总功率43575 Wp。其中西侧平台面积87 m2，采用锯齿型方阵，共安装组件36 块，方阵倾角为30°，功率6300 Wp。斜屋面总面积113.9 m2，与斜屋面平行安装组件87 块，方阵倾角为斜屋面坡度31°，功率15225 Wp;露台总面积233.44 m2，共安装有249 块光伏组件，因为方阵高于屋顶，考虑方阵安全性和屋面立面的美观性，方阵安装倾角采用了较小角度，倾角为7°，功率22050 Wp。见图1～4。

图1 平台方阵和斜屋面方阵

图2 露台方阵和斜屋面方阵

图3 20 号楼远观实景

图4 鸟瞰图

光伏组件选用TSM-175D 单晶硅组，转换效率高达15%，最大功率(175 ±5)%Wp。

换能设备采用德国某公司(SMA)生产的两种型号的并网逆变器:SMC6000TL 和SB5000TL，这两款逆变器的换能效率分别达到98%和96%。

慈溪市天和家园住宅小区43 kWp 光伏并网电站系统电气部分构成主要分三部分:直流部分、交流部分、管控部分;系统的基本原理方块图见图5［1］。

3 屋顶光伏发电系统的设计

并网光伏系统的工作原理是利用光伏组件将太阳能转换成直流电能，通过并网逆变器将直流电逆变成50 Hz、230/400 V 的三相或230 V 的单相交流电。逆变器的输出端通过配电柜与变电所内的变压器低压端(230/400 V)并联，对负载供电，并将多余的电能通过变压器送入电网。

3.1 设计原则

根据《光伏系统并网技术要求(GB/T 19939—2005)》［2］确定的电站建设及供电方案的设计原则如下:

(1)并网型光伏系统的设计应对环境条件、系统性能进行综合评价，确定使用合理的光伏子系统功率和功率调节系统容量，同时还考虑系统的可扩展性。

(2)系统设计应有冗余量，具有保护功能以满足系统可靠工作的要求，以提高系统运行可靠性。

(3)系统设计考虑建站地点的地理条件，如高海拔、海洋环境或潮湿环境等。用于海拔较高地区的系统，设计时充分考虑建站地点特殊的地理条件，如:海洋环境或潮湿环境等应考虑特别的系统耐候性设计。在地震多发地区的系统工程考虑相应的防震设计。

(4)设计使用的环境气象数据主要有:现场地理位置(包括:地点、纬度、经度和海拔等)、气象资料(包括:逐月太阳总辐射，直接辐射或散射辐射，年平均气温，最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速、冰雹、降雪、雷电等情况)。在无完整气象资料时，参考条件相似地点的气象资料或采用经验公式的方法进行估算。

图5 系统基本原理图

3.2 屋顶光伏发电系统的优化

光伏并网逆变器的效率是决定光伏并网发电系统整体效率的重要参数。通过对组件和逆变器的连接进行优化配置，根据每种型号的逆变器所要求的每路直流输入的功率、电压、电流的不同，对每路直流输入进行了详细的匹配计算，包括组件串联数，功率，各种温度下的电压、电流等，这种匹配使逆变器在环境变化的情况下能正常且最高效率地运行。

由于项目中的光伏组件分别安装在平屋面、斜屋面、露台上，在这三个地方安装的组件的安装倾角和所受光照情况都不一样，对这些不同点安装的组件进行分组串接，通过搭配不同技术特点的逆变器，以保证组件处于最佳工作状态。

部分组件因受建筑形态的影响，在部分时间段会出现局部被遮挡，影响组件的效率。通过使用多组串技术后，将不同时间段受光照不同的组件进行分组串接，再与多组串逆变器连接，逆变器通过本身带有的三路完全独立的MPPT 功率跟踪器，对这三路直流输入进行分别的最大功率跟踪，将来自三组不同光伏组件的能量合并到一起进行逆变转换。这种配置方式能够处理不同朝向和不同型号的光电组件，也可以弥补不同连接串中的光伏组件数量和部分阴影的影响，从而将遮光引起的能量损失减少到最小。这种技术因为将三路MPPT 集成到1 台逆变器内，相比一般的处理这种组件分组串接需要使用3 台三分之一总功率的小型逆变器的方法，具有更高的效率和更高的性价比。

系统采用的并网技术可以方便的进行系统的扩容。扩容只需增加相应数量的组件和逆变器，对系统输出的电能质量不会有任何的影响。这种多组串技术也方便组件的扩容安装。扩容后的系统无需对原有配置和软件做任何大的改动，监控系统可对增加部分做同样的监控，这也降低了扩容投资，为今后的扩容留有充足的余地。

4 太阳辐射量对光伏发电系统效率的影响研究

影响并网光伏电站发电量的主要因素可归纳为装机容量、综合效率、太阳辐射三方面［3］。对特定的光伏电站而言，在装机容量、电池组件的转换效率一定的情况下，影响并网光伏发电效率主要因素取决于太阳辐射量。而太阳辐射量又取决于诸多因素，如大气条件、太阳高度角、日照时间和海拔高度等。因此，对于一个特定不变的地区，光伏发电的效率与太阳辐射量、日照时间紧密相关。

慈溪属季风型气候。四季分明，冬夏稍长，春秋略短。年平均气温16.0℃，7月最高，平均28.2℃，1月最低，平均3.8℃。根据中国气象局风能太阳能资源评估中心有关慈溪地区的气象资料显示，本地区平均年日照时数2038 h，太阳年辐射量4000～4800 MJ/m2，相当于日辐射量3.2～3.8 kWh/m2，年日照百分率47%，属太阳能资源较丰富的地区。

4.1 太阳辐射强度对光伏系统发电效率的影响

太阳辐射强度直接影响了光伏组件的功率和转换效率［4］，不同辐射强度下光伏组件的效率不同，光伏发电效率与太阳辐射强度有着直接的线性关系。根据表1，慈溪地区气象中的平均太阳辐射强度，可以发现慈溪地区4、5、7、8、9月为太阳辐射较强月份，从表2 历年发电数据分析，如2009年4月10 号、4月15日分别发电197、195 kWh，2007年5月19日单日发电200 kWh，2007年8月7日单日发电201 kWh，均为该年较高者。而1、2、3、10、11、12月因太阳辐射强度较低，影响了发电效率。

表1 慈溪地区气象

表2 2007—2011年天和光伏电站月发电量(kWh)

4.2 太阳高度角对光伏发电系统效率的影响

太阳高度角即太阳能光伏方阵的倾角。慈溪市位于北纬30°02'—30°24'和东经121°02'—121°42'之间，最佳倾角为30°。本工程实践中根据建筑条件分别使用了7°、30°、31°三种不同的倾角设置，从历年数据中，可以发现安装倾角为30°的不受遮挡影响的平台方阵综合发电效率最高;倾角为31°的斜屋面方阵受立面阴影的缘故导致发电效率受了影响;倾角为7°的露台方阵综合发电效率最低。

4.3 日照时数对光伏发电系统效率的影响

日照时数是影响光伏发电效率的重要因素之一［4］。一般日照时间长，地面所获得的太阳能辐射量就多。从图6、图7 慈溪地区五年日照时数(数据来自慈溪市气象局)和相对应的发电效率可以看出，光伏系统发电效率与日照时数显示了较好的线性关系，即日照时间越长，光伏系统发电效率越高。

图6 2007—2011年日照时间

图7 2007—2011年月发电量

慈溪地处长江中下游地区，通常每年6月中旬到七月上中旬经常出现一段持续时间较长的阴沉多雨天气，又叫梅雨季节，雨期较长，雨量比较集中。虽然慈溪地区6月的太阳辐射量较大，但因为五年月平均日照时数仅130.9 h，因此从表3 可以发现历年来6月的发电量呈明显偏低。

表3 慈溪地区2007—2011年月日照时数/h

5 结 语

在当前日益严峻的环保和减排压力下，一直以来约束着我国光伏技术应用和推广的最大难题是高昂的成本。以天和家园光伏并网电站而言，2006年时项目总投资达到 300 万元，折合造价为70 元/Wp，发电成本达到3～4 元/kWh，是普通居民电价的8 倍左右。但随着光伏组件价格的进一步探底，2013年我国光伏系统的平均造价已经降低到10 元/Wp，更多保障光伏产业发展的法律和经济激励政策的推行，通过强制并网、分类电价、价格分摊等手段把政府推动与市场机制有机结合起来，建筑产业与光伏发电技术的完美结合将有着十分广阔的市场前景和灿烂的明天。

［1]王春明，王金全，徐晔，等.城市住宅小区屋顶并网光伏发电系统的实现［J］.解放军理工大学学报，2007(8):381 -386.

［2]龙文志.太阳能光伏建筑一体化［J］.中国建筑金属结构，2008(7):36 -44.

［3]刘玉一，孙银川，桑建人，等.影响太阳能光伏发电功率的环境气象因子诊断分析［J］.水电能源科学，2011(12):200 -202.

［4]毕二朋，胡明辅，袁江，等.光伏系统设计中太阳辐射强度影响的分析［J］.节能技术，2012(1):

45 -51.