住宅楼屋顶分布式光伏电站安装型式对比分析

2022-10-13吴振南邵增会许继峥

中国资源综合利用 2022年9期

吴振南，邵增会，许继峥

（河北建设集团安装工程有限公司，河北保定 071000）

为实现“3060”的目标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，我国着力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，大力提升风电、光伏装机容量。利用建筑光伏一体化，降低碳排放，进一步实现住宅楼零碳排放是现阶段的唯一途径。建筑光伏一体化形式主要为屋顶分布式光伏、光伏幕墙、光伏阳光房和光伏路灯车棚，但光伏幕墙造价高，发电效率较低，实用性不强，应用面较小，不适用于住宅安装，因此住宅楼屋顶分布式光伏组件安装型式选择就显得尤为重要。保定市某住宅楼屋顶面积为600 m，长为40 m，宽为15 m。下面结合具体案例，对比分析住宅楼屋顶分布式光伏电站的安装型式。

1 住宅楼屋顶光伏组件安装型式对光伏发电量的影响

排除光伏组件及电力设备自身缺陷因素，影响光伏发电量的主要因素为组件的方位角和倾角。

1.1 组件方位角选择

方位角就是光照在地面上的投影和地平面上正南方向线之间的角度。取正南方向为起始点（即0°），向西为正，向东为负。当组件朝正南方时，光伏组件发电量最大。当偏离正南方向30°时，组件的年发电量减少10%～15%；当偏离正南方向60°时，组件的年发电量减少20%～30%。综合考虑，组件安装方位角选为0°，即朝向正南，光伏组件年发电量最大。

1.2 组件倾角对比分析

1.2.1 组件倾角对年均辐射量的影响

通过PVSYST 软件计算保定市区光伏组件不同倾角的平均日辐射量，并记录不同倾角条件下的年均辐射量变化，如图1所示。由图1可知，光伏组件安装需要考虑排水、雪压承载等自然条件的影响，最小安装倾角为5°，此时年均辐射量最小，随着安装倾角增加，年均辐射量逐渐增大，当年均辐射量达到最大值时，此安装倾角为最佳倾角，安装倾角继续增加，年均辐射量会随之减少。保定市区组件最佳倾角为31°～33°，此时辐射量最大，为1 483（kW·h）/m。光伏组件最低倾角为5°～10°，辐射量为1 357～1 408（kW·h）/m，相比最佳倾角，光照辐射量降低5.07%～8.50%。

图1 不同倾角对应的年均辐射量（保定市）

1.2.2 组件倾角对组件间距的影响

组件间距计算需要考虑遮挡物阴影的长度，一般确定的原则是，冬至日09:00—15:00，太阳照射时后排的光伏电池方阵不应被遮挡。影长计算公式为

式中：是两排阵列的间距，m；是阵列倾斜面长度，m；是阵列倾角，°；是当地地理纬度，°。

式（1）可以改写为

式中：为太阳高度角，°。

太阳高度角用公式可以表示为

式中：是太阳赤纬角，冬至日的太阳赤纬角为-23.26°；是时角，09:00 的时角为-45°。

投影公式参数关系示意图如图2所示。根据保定市经纬度信息，经计算，平地情况下光伏阵列前后排净间距与阵列真实高度的比值为2.806，即南北阴影倍率为2.806。以420 组件为例，组件长、宽分别为2.05 m、1.05 m，通过式（2）计算各个角度的组件前后排间距，如图3所示。

图2 投影公式参数关系示意图

图3 不同倾角的组件间距

由图3可以看出，组件间距与组件角度成线性关系，安装间距随安装倾角增加而增大。倾角为5°时，组件前后排中心间距最小为2.54 m，组件安装倾角增加至32°（最佳倾角）时，组件前后排中心间距为4.79 m。当光伏组件方阵间距大于上述数值时，可以保证冬至日09:00—15:00 两排方阵前排不对后排造成遮挡。

1.2.3 组件倾角对组件发电量的影响

在该住宅楼屋顶排布光伏组件，采用单晶硅电池组件，单块组件额定峰值功率为420 W，组件长、宽分别为2.05 m、1.05 m，组件双排排布，18 块为一组串。光伏组件发电量的计算公式为

式中：为光伏组件发电量；为光照辐射总量；为装机容量；为系统效率；为组件衰减系数。

从太阳辐射总量来看，不同倾角对应不同的年均辐射量，可根据图1确定。光伏组件东西向排布与安装倾角无关，组串间距为0.5 m；南北向排布需要考虑安装倾角，其排布间距可根据图3选取。经计算，不同倾角的光伏组件装机容量如图4所示。当光伏组件安装面积一定时，随着光伏组件安装倾角增加，光伏安装容量呈阶梯式下降。安装倾角为5°～6°时，光伏装机容量最大，为90.72 kW；安装倾角为7°～18°时，装机容量为75.6 kW，下降17%；安装倾角为19°～39°时，装机容量为60.48 kW，下降33%。装机容量下降比例与住宅楼屋顶南北向宽度有关，一般住宅楼南北向宽为15～25 m，经计算，相比最佳倾角，最小倾角装机容量增加50%～67%。

图4 不同安装倾角对应的装机容量

影响光伏系统效率的主要因素有灰尘及雨雪遮挡、温度、逆变器和变压器功率损耗、光伏组件串并联不匹配、交直流部分线缆功率损耗、跟踪系统精度和其他杂项损失。不考虑气候极端变化等不可预见自然现象，光伏电站的系统效率约为80%。不考虑组件每年衰减，根据上述辐射量、装机容量和系统效率，光伏组件理论发电量的计算结果如图5所示。当安装倾角为最小倾角（6°）时，年均发电量最大，不考虑组件衰减的理论年发电量为9.94 万kW·h；安装倾角为最佳倾角（32°）时，组件光照辐射量最高，年发电量为7.18 万kW·h。与最佳倾角相比，最小倾角装机容量增加50%，年均发电量提升40%，光照辐射量降低7.62%。安装角度为17°时，装机容量为75.6 kW，最大发电量为8.78 万kW·h，与最佳倾角相比，装机容量提升25%，年均发电量提升20%，光照辐射量降低2%。

图5 不同安装倾角对应的年均发电量

2 住宅楼屋顶光伏组件安装倾角对经济收益的影响

目前，普通家庭常用电器有电冰箱、热水器、饮水机、电饭煲、抽油烟机、路由器和手机等。经测算，每个家庭日耗电量约为3.5 kW·h。公共区域用电设备有电梯、增压水泵和安防系统。每部电梯每天耗电量约为27.5 kW·h，平均每小时耗电量为1.146 kW·h，年均耗电量为3 345.8 kW·h；增压水泵年均耗电量约为2 000 kW·h；住宅楼安防系统年均耗电量约为12 500 kW·h。该住宅楼按2 个单元计算，一层4 户（24 层），入住率为80%，保守估计，整栋住宅楼年均用电量（白天）为11.96 万kW·h。

2.1 成本计算

该住宅楼屋顶分布式光伏电站组件利用固定式支架安装，组件安装方位角选择正南，以保证发电量最大化，18块电池板为一串，接入逆变器。采用分块发电、多支路并网的积木式技术方案，系统由多个光伏发电单元组成，每个光伏发电单元分别经过逆变器、并网柜后接入住宅楼已有变压器的低压侧。因住宅楼较高，电缆比例增加，光伏电站施工总承包单价约为4 元/W。

2.2 不同安装倾角发电量计算

光伏系统效率按80%计算，光伏组件衰减率首年为2.5%，以后每年衰减0.6%，光伏组件寿命为25年。经计算，安装倾角为32°时，装机容量为60.48 kW，年均发电量为6.48 万kW·h，25年总发电量为161.98 万kW·h。按照火电煤耗标准（1 kW·h 电能消耗标准煤305 g），每年可节约标准煤约19.76 t，每年可减少CO排放量约59.29 t、SO排放量约1.94 t、氮氧化物排放量约0.97 t。安装倾角为6°时，装机容量最大，为90.72 kW，年均发电量为8.98 万kW·h，25年总发电量为224.46 万kW·h。按照火电煤耗标准，每年可节约标准煤约27.38 t，每年可减少CO排放量约82.15 t、SO排放量约2.69 t、氮氧化物排放量约1.35 t。即使按最大发电量计算，一栋住宅楼屋顶光伏组件年均发电量也不足住宅楼年均用电量（白天）的76%，光伏组件的发电量全部用于住宅楼业主的日常生活。

2.3 不同安装倾角收益对比

光伏电站建成后，发电售卖给住宅楼用户并供公共区域使用。分布式光伏电站施工总承包单价约为4 元/W，电价为0.468 元/（kW·h）。保定市居民用电为0.52 元/（kW·h），优先使用光伏电站所发电量，给予折扣优惠。经分析对比，6°倾角投资财务内部收益率为8.18%，投资回收期为9.65年，资本金财务内部收益率为14.59%，项目资本金财务内部收益率高于资本金基准收益率（7%）。25年总发电利润为41.21 万元。32°倾角投资财务内部收益率为8.75%，投资回收期为9.30年，资本金财务内部收益率为18.57%，项目资本金财务内部收益率高于资本金基准收益率（7%）。25年总发电利润为32.91 万元。

选取最佳倾角（32°）安装时，资本金收益率最高，但25年总发电利润要低于选取最小倾角（6°）安装时的发电利润。选用最小倾角安装时，项目资本金财务内部收益率高于资本金基准收益率。同时，每年可减少大量的灰渣及烟尘排放，节约用水，并减少相应的废水排放，节能减排效益显著。发电量越高，节能减排效益约显著。综合考虑发电量、资本金财务内部收益率、25年总利润和社会效益，住宅楼屋顶分布式光伏电站光伏组件安装选用固定式支架和最小倾角，方位角朝向正南。