太阳能光伏发电系统综合实训课程教学改革与实践

黄越 白喜来 王欣 石征锦

摘要 文章以丹东市工厂屋顶并网光伏供电系统设计为例，就应用SkechUP、PVsyst软件开展太阳能光伏发电系统综合实训进行了探讨，在光伏发电系统综合实训中应用上述软件能够激发学生的学习热情，提高设计效率，设计过程更接近于工作实际，为学生走向工作岗位打下良好的基础。

关键词 光伏发电技术；SketchUp；PVsyst

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.044

我国电源结构中新能源主力是风力发电和太阳能发电，从目前的应用规模、发展速度和发展前景来看，太阳能光伏发电可能是未来发展最快、最有发展前途的一种新能源利用技术[1]。随着光伏产业的高速发展，我国光伏行业在高级管理、高端研发、工程技术、信息化和复合型人才方面的需求将持续增加[2]。然而，高校在太阳能光伏发电实验仿真方面，多以理论分析为主。例如借助Matlab/Simulink软件，搭建实验模型[3]，但这样的设计结果呈现不直观，满足不了行业设计需求，也不适合面向产业需求的人才培养要求。为此，本文以丹东市工厂屋顶并网光伏供电系统设计为例，对太阳能光伏发电系统综合实训提出教学改革，提出一种应用SkechUP与PVsyst软件相结合的计算机辅助设计光伏发电系统的方法，让设计项目表达更加直观、具体，使得工程设计更贴近行业实际应用。研究表明，在光伏发电系统综合实训中应用SkechUP、PVsyst软件，能够激发学生的学习热情，提高设计效率，设计过程更接近于工作实际，在为学生走向工作岗位打下良好的基础。

1基础实例训练教学设计——地面光伏电站设计

基础实例训练部分安排设计了四个实验。分别为：PVSYST基本认识及软件安装、地理位置选择和气候数据建立与修正、PVSYST光伏电站模拟基本操作方法、PVSYST光伏电站详细设计方法。每个实验项目还设计了思考题。例如对比哈尔滨、甘肃武威两地光伏电站设计，分析相同安装方式、相同组件方阵容量、逆变器时，发电量的区别（注意两地都要采用最佳倾斜角设置）。整理文档，说明设计的步骤和系统结构。设计要求：建立哈尔滨和武威两地气候数据。分别建立两个相同的90kW（范围+5%）最佳固定倾角的地面光伏电站，逆变器数量8―10个左右。

2提升阶段——基于SketchUP与PVsyst的丹东市工厂屋顶并网光伏供电系统设计

PVsyst是一款专业的光伏系统设计软件，在基础研究与应用开发等方面均可使用，在国内外得到了广泛的应用[4]。在教学设计上，综合实训前期，学生根据实训指导教程练习一些基础案例，通过对基础案例的练习迅速熟悉软件的应用，并将理论课所学的内容进行实践。综合实训后期为提升阶段，加入基于SkechUP与PVsyst的三维建模和近场阴影仿真。三维建模设计仿真环节，让设计更富有独创性、创新性，且与工程实际更贴近，增强了设计方案的可读性。

本文结合太阳能光伏发电系统综合实训基础案例练习及学生设计的丹东市工厂屋顶并网光伏供电系统设计实例讨论SketchUP与PVsyst软件在太阳能光伏发电系统综合实训课程中的应用与实践。

2.1工程概况

工程项目位于辽宁省丹东市临港工业园区中某工厂屋顶。厂内有厂房两座，整个厂区构成类似两个L的形状，工厂周围较为开阔，仅有3根电线杆影响光伏板采光，北侧有一员工食堂，计划在两个厂房屋顶铺设光伏方阵，员工食堂屋顶可留作以后开发。该地位于北纬40.13°，年最高气温为34℃，历史最低气温曾经达到-23℃。属于太阳能资源分布中等地区，具备太阳能开发利用条件，可利用厂房屋顶安装光伏发电系统。采用自发自用，余量上网模式。通过380V低压并网，并网点设于箱式变电站低压端光伏发电系统并网配电柜内。

2.2基于SkechUP的实际安装场地情况3D建模仿真

PVsyst软件具有三维建模和近场阴影仿真功能，但是PVsyst软件三维建模功能一般，支持导入基于SketchUP的模型文件（3DS格式）。SketchUp是一款三维绘图软件，该软件易于操作，3D建模效果好。

通过SkechUP建模得到的工厂模型与工程现场实际非常贴近，光伏组件的布設可在SkechUP环境中完成，也可以在PVsyst软件中布设完成。由于SkechUP软件没有光伏系统相关组件，可以尝试添加太阳能组件插件skelion v5.2.6。插件安装成功即可在SkechUP仿真环境中布设光伏组件。本次设计采用的方案是将模型文件导入PVsyst软件后再布设光伏组件。

2.3系统构成概述

该项目设计容量为322kW，整个系统共需要920个350Wp的单晶硅组件。分成2个方阵，分布在两个厂房屋顶。设计为每20个光伏组件构成一个光伏组串，两个屋顶各安装光伏组件460块，各构成23组光伏串，按照当地最佳倾角设计光伏方阵角度。系统设计使用4台额定功率70kW的华为SUN2000-70KTL-INM03相智能型光伏逆变器，每台带6个MPPT，可有效减小组串不匹配。逆变器将光伏组件所产生的直流电转换成380V的三相交流电，通过交流汇流箱、并网配电柜后并入箱式配电柜的380V三相交流电网中。

2.4系统连接

根据上面的组件布局进行逆变器mppt的分配，共4个逆变器，每个逆变器带有6个mppt输入。串连组件数为20，并联组串数为46个。采用每个mppt接入两个组串，剩余的一个mppt备用。

2.5 PVsyst仿真

2.5.1朝向参数选取

丹东处于北回归线以北，纬度为40.13°。在PVsyst软件中，组件安装类型采用固定朝向安装方式。当采光面倾角为38°，系统的方位角设定为0°时，辐射总量损失最小。

2.5.2系统设计参数选取

按照设计方案厂房屋顶实际可用于安装组件的面积为1680m2，PVsyst可根据预设面积估算系统的容量配置，在“预设工具”旁输入面积1680m2，在数据库中选择光伏组件，选择生产厂家“longi Solar”标称功率为350Wp型，“预设工具”会给出理论上的最大系统容量的参考值322.7Wp。在“选择逆变器型号”中选择逆变器型号，本设计选择了4台70kW的逆变器配置。“阵列设计”中选择串联组件数20，并联组串数46。经过上述步骤，完成了新建项目必须要设置的三部分内容，包括“地理位置和气象数据”“组件安装方式”和“系统设置”，然后点击“确定”确认完成。接下来设置近场遮挡和3D阴影仿真、系统损耗等。

2.5.3近场遮挡和3D阴影仿真

①模型导入及阴影分析。将SkechUP中已经设计好的模型导入到PVsyst近处遮挡中建模/透视图部分即可。导入后，再按照系统设计要求布设光伏电池板。最终完成后的模型如图2所示。

三维场景中包含了阴影遮挡物和有效的辐射接收区域，厂房一、厂房二南侧的高压输电线路塔和电线杆对太阳能光伏板造成了局部遮挡。

②组件布局。按照设计方案排布组件，为方便接线，将同一阵列同一逆变器的组串划分到同一区域，以减少线路带来的损耗和成本，同时也可减少施工难度。

③损失。每个项目有自身的特点，存在着不同的损失参数，可以在“损失”进行细化设置。系统损耗主要包括热损失、欧姆损耗、组件质量、不匹配、污秽损失、LAM损、厂用电、组件衰减、不可利用率和光谱校正等。通过PVsyst软件计算可得到本系统的损失为：3.19%远方遮挡、10.82%的近处遮挡辐照度损失，4.6%的阵列损失及1.34%的逆变器转换过程中造成的损失。

2.6仿真结果分析

系统所有参数设置完毕后，在项目窗口点击运行仿真，并输出仿真报告，该光伏发电系统每年能够产生电量372MWh，系统效率为79.6%。由仿真报告可得出系统在一年中的发电能力，年实际工厂用电量分别由阵列输出和电网提供。628.25MWh的工厂用电量经过工厂屋顶最大利用面积的光伏太阳发电后，只需由电网提供277.51MWh的电量。其中并网电量为21.13MWh，3、4、5三个月为系统发电能力最高的时间段，此时正值春季，丹东地区温度通常不超过20℃，温度适宜，同时伴有“春旱”，降水较少，天气晴朗，发电量较高。6、7、8、9四个月丹东地区温度普遍较高，一般在25℃～30℃左右，温度偏高，太阳能光伏板光电转换能力下降，逆变器散热条件也变差，同时7、8、9、10月正值雨季，多阴天，因此发电能力较3、4、5月有所下降。1、2、11、12这四个月正值冬季，由于北方温度低，需要供暖，在这四个月天气多雾霾，同时冬季下雪，积雪覆盖太阳能板，也对太阳能板发电有明显影响，因此这四个月发电量明显偏低。

3课程设计应用效果

随着光伏产业的快速发展，光伏系统设计等相关行业越来越离不开计算机工程模擬。在这里将SkechUP软件与PVsyst软件应用于太阳能光伏发电系统综合实训是实践教学的一种有益尝试。将工程设计项目首选地址确定为家乡，可以激发学生服务家乡新能源建设的热情，学以致用，也实现了面向产业需求培养电气工程及其自动化专业学生的复合型、个性化实践能力的培养，该教学方案的实施取得了较好的教学效果，为学生走向工作岗位打下了良好的基础。

参考文献

[1]朱永强.新能源与分布式发电技术（第3版）[M].北京：北京大学， 2022.

[2]李文.2025年光伏行业从业者需求量将超55万[N].中国工业报， 2022-07-14（03）.

[3]孙章，陈湘，阎铁生，等.光伏发电技术实验教学改革[J].科技视界， 2020（16）：45-47.

[4]王林青，王军军.PVSYST软件在光伏发电技术课程设计中的应用[J].科教论坛，2019（8）：46-47.