屋顶分布式光伏电站优化设计

2018-03-06崔旭萌张彦昌

电力勘测设计 2018年1期

石巍，崔旭萌，张彦昌

(1.中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071；2.北京理工大学，北京 100081)

1 概述

屋顶分布式光伏发电，是指利用已建或新建建筑物屋顶，做为光伏发电的承载体。目前主要利用的屋顶结构有混凝土屋面、轻钢屋面和瓦屋面，轻钢屋面和瓦屋面一般采取组件顺坡布置方式，混凝土屋面可以采取组件最佳倾角布置或考虑一定倾斜角度的平铺布置方式。但是究竟采用哪一种布置方式更加合理呢？本文采用度电成本的方法对此进行分析。

2 度电成本

平准化度电成本(Levelized Cost of Energy)，就是对项目生命周期内的成本和发电量进行平准化后计算得到的发电成本，即生命周期内的成本现值/生命周期内发电量现值。

3 混凝土屋面组件布置方案

3.1 混凝土屋面组件布置形式

通常混凝土屋面组件布置方案通常有4种(图1～图4)：一是单块竖排布置；二是两块竖排布置；三是两块横排布置；四是三块横排布置。

3.2 正南向的布置方案

武汉市某工厂厂区内有10栋厂房，厂房屋顶均为混凝土上人屋面，尺寸为150 m×40 m，单个厂房屋顶面积6000 m2。其中5栋厂房为正南朝向，另外5栋厂房为正南偏西20°朝向。

图1 组件单块竖排布置

图组件两块横排布置

图4 组件三块横排布置

图5 组件单块竖排布置10 kV并网度电成本分析曲线(一)

图6 组件单块竖排布置380 V并网度电成本分析曲线(一)

3.2.1 设计原则

首先我们在5栋正南朝向的厂房屋顶布置方案进行分析。确定设计原则如下：

(1)组件布置按照《光伏发电站设计规范》(GB50797－2012)的要求，在冬至日早上9点至15点之间没有阴影遮挡。

(2)屋顶东南西北四个方向各留出1 m的距离作为检修运维通道，同时也兼顾了女儿墙的阴影遮挡。

(3)南北方向每排之间预留1 m的距离作为检修运维通道，东西方向每个组串之间(10～15 m)预留1 m的距离作为检修运维通道。

(4)组件采用285 Wp单晶硅电池组件，尺寸为1650 mm×991 mm×40 mm。

(5)采用PVsyst软件进行阴影分析和发电量计算，武汉地区的最佳安装倾角为22°。

(6)并网电压分别按10 kV和380 V进行分析。

3.2.2 成本分析

下面我们按4种组件布置方案，对正南朝向的5栋厂房屋顶按6°～22°的不同倾斜角进行度电成本分析。

(1)组件单块竖排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图5、图6。

从图5和图6可以看出，组件采用单块竖排布置方案时，总的装机规模一致，造价基本一致，但发电量不一致，导致度电成本随着组件倾斜角度的变小而变大。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.49元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4539元/kWh。

(2)组件两块竖排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图7、图8。

图7 组件两块竖排布置10 kV并网度电成本分析曲线(一)

图8 组件两块竖排布置380 V并网度电成本分析曲线(一)

从图7和图8可以看出，组件采用两块竖排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是随着倾斜角变小，装机规模变大，单位造价降低，度电成本减小。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4609元/kWh；380V并网时，最小度电成本为0.4322元/kWh。

(3)组件两块横排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图9、图10。

图9 组件两块横排布置10 kV并网度电成本分析曲线(一)

图10 组件两块横排布置380 V并网度电成本分析曲线(一)

从图9和图10可以看出，组件采用两块横排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是先随着倾斜角变小，发电量减少而缓慢增大，然后随着装机规模变大，单位造价降低而陡降，最后随着倾斜角变小，发电量减少而增大。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4775元/kWh；380V并网时，最小度电成本为0.4442元/kWh。

(4)组件三块横排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图11、图12。

图11 组件三块横排布置10 kV并网度电成本分析曲线(一)

图12 组件三块横排布置380 V并网度电成本分析曲线(一)

从图11和图12可以看出，组件采用三块横排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是先随着倾斜角变小，发电量减少而缓慢增大，然后随着装机规模变大，单位造价降低而陡降，最后随着倾斜角变小，发电量减少而增大。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4680元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4369元/kWh。

综合以上4种组件布置形式的度电成本分析，列出每种形式的最低度电成本见表1。

表1 各种组件布置形式的最低度电成本

3.2.3 小结

综合以上度电成本分析和表1，我们可以得出如下结论：

(1)武汉地区倾斜角对总辐射量影响较小。最佳倾斜角22°时较倾斜角6°时增加约3%的总辐射量。

(2)单位造价对度电成本的影响较大。在发电量影响较小时，装机容量的增加可以将公共部分的造价水平摊低，因而降低了单位造价。

(3)屋顶的东西向长度对组件的布置形式影响较大，屋顶的南北向长度对组件采用的倾斜角影响较大。本项目的屋顶长度适合于采用组件两块竖排布置方案，宽度适合于采用8°倾斜角。

3.3 正南偏西20°的布置方案

3.3.1 成本分析

设计原则和2.2中的一致。下面我们按4种组件布置方案，对正南偏西20°朝向的5栋厂房屋顶按6°～22°的不同倾斜角进行度电成本分析。

(1)组件单块竖排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图13、图14。

图13 组件单块竖排布置10 kV并网度电成本分析曲线(二)

图14 组件单块竖排布置380 V并网度电成本分析曲线(二)

从图13和图14可以看出，组件采用单块竖排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是先随着倾斜角变小，发电量减少而缓慢增大，然后随着装机规模变大，单位造价降低而陡降，最后随着倾斜角变小，发电量减少而增大。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4908元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4546元/kWh。

(2)组件两块竖排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图15、图16。

图15 组件两块竖排布置10 kV并网度电成本分析曲线(二)

图16 组件两块竖排布置380 V并网度电成本分析曲线(二)

从图15和图16可以看出，组件采用两块竖排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是随着倾斜角变小，装机规模变大，单位造价降低，度电成本减小。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4638元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4349元/kWh。

(3)组件两块横排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图17、图18。

图17 组件两块横排布置10 kV并网度电成本分析曲线(二)

图18 组件两块横排布置380 V并网度电成本分析曲线(二)

从图17和图18可以看出，组件采用两块横排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是随着倾斜角变小，装机规模变大，单位造价降低，度电成本减小。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4804元/kWh；380V并网时，最小度电成本为0.4470元/kWh。

(4)组件三块横排布置，并网电压分别为10 kV、380 V，见图19、图20。

图19 组件三块横排布置10 kV并网度电成本分析曲线(二)

图20 组件三块横排布置380 V并网度电成本分析曲线(二)

从图19和图20可以看出，组件采用三块横排布置方案时，东西方向的布置列数基本一致，南北方向的布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是随着倾斜角变小，装机规模变大，单位造价降低，度电成本减小。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4721元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4406元/kWh。

(5)组件两块竖排朝正南向布置

考虑到除了以上4种组件布置形式外，还可以采用组件朝正南向布置，与屋顶形成20°的偏角。这种情况主要按组件两块竖排的布置形式进行分析，并网电压分别为10 kV、380 V，见图21、图22。

图21 组件两块竖排布置10 kV并网度电成本分析曲线(三)

图22 组件两块竖排布置380 V并网度电成本分析曲线(三)

从图21和图22可以看出，组件采用朝正南向的两块竖排布置方案时，组件布置列数随着倾斜角的变小而变大，装机规模也变大。因此，度电成本的变化趋势是随着倾斜角变小，装机规模变大，单位造价降低，度电成本减小。其中10 kV并网时，最小度电成本为0.4780元/kWh；380 V并网时，最小度电成本为0.4457元/kWh。

综合以上5种组件布置形式的度电成本分析，列出每种形式的最低度电成本见表2。