基于Smart Design的校园光伏电站仿真研究

刘垚　周湘杰　陈嘉贵　黄静

关键词：光伏发电；Smart Design；设计与仿真

中图分类号：TM615 文献标识码：A

0 引言

光伏发电是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能的一种清洁、可再生的能源利用方式。光伏发电具有无污染、无噪声、无运动部件、维护简单、使用寿命长、安全可靠、不受地域限制等优点[1-3]，是应对气候变化以及实现碳达峰、碳中和的重要手段之一。

为了实现我国提出的力争2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的目标[4]，我国将大力发展可再生能源，提升光伏发电比例。根据国家发展改革委等九部门发布的《“十四五”可再生能源发展规划》，到2030 年，非化石能源消费占比达到25% 左右，风电和太阳能发电总装机容量达到12 亿kW 以上[5]。为了贯彻落实国家关于碳达峰、碳中和的重大战略决策部署，湖南省制定了《湖南省碳达峰实施方案》，大力促进具备条件的风电和光伏发电快速规模化发展，到2030 年，新能源发电总装机容量达到4 000 万kW 以上。

Smart Design 是华为技术有限公司将20 多年积累的数字信息技术、互联网技术与光伏技术进行跨界融合，推出的智能光伏设计软件。这是一款基于云计算、大数据、人工智能等技术的光伏电站设计平台，能够完成光伏发电系统的设计和仿真分析，为工程建设提供参考。

本文以株洲市某高校图书馆屋顶建设工商业光伏电站项目为例，基于Smart Design 对校园光伏电站进行设计和仿真分析，评估发电量、经济效益和社会贡献等指标。

1 项目选址

1.1 太阳能资源评估

株洲市是湖南省重要的工业城市，也是我国光伏发电的潜在市场之一。根据中国气象局发布的《中国太阳能资源分布图》，株洲市的年平均日照时数為1 400 ～ 1 500 h，年平均太阳总辐射量为4 200 ～ 4 500 MJ/m²，年平均太阳能利用系数为0.4 ～ 0.5，属于中等水平的太阳能资源区域。本项目以株洲市某高校图书馆屋顶作为光伏电站设计和仿真研究的对象，其坐标为北纬27.90°，东经113.16°，海拔为76 m。该建筑物高为20 m，屋顶的长约为50 m，宽约为35 m，面积约为1 750 m2，且屋顶空旷无遮挡，有利于光伏电站的正常工作。

1.2 气象参数

Smart Design 可通过卫星定位，自动搜索附近的气象站，本项目使用的气象站是Zhuzhou CH（湖南株洲气象站），与图书馆的距离为8.3 km。本文气象数据的来源为Meteonorm（一款气象数据查看软件），获取的1991 —2000 年株洲市气象数据包括月水平面总辐射量、月水平面直接辐射量、月水平面散射辐射量、月最高气温、月最低气温（表1）。

2 校园光伏电站模型设计

2.1 建筑物3D 建模

通过输入坐标，选取图书馆及周边区域的2D平面，使用软件进行设计区域的选择，生成3D 模型。该模型长约为50 m，宽约为35 m，面积约为1 750 m2。建筑物3D 模型如图1 所示。

2.2 光伏板排布

光伏板排布需要对建模区域进行光伏板的选择和设置。本文采用的光伏板是隆基绿能科技股份有限公司的LR5-72HBD-540，其单块面板的峰值功率为540 Wp，符合当前主流的安装功率。光伏板具体参数如表2 所示。

设置光伏板首先需要选择固定支架，纵向排列，方位角为0°，方阵倾斜角为19°。光伏方阵前后间距示意图如图2 所示。

光伏方阵的一列是由单个光伏面板横向串联而成，因此光伏方阵宽度与光伏板长度一致。已知光伏板长度（方阵宽度）为2 278 mm，当地的纬度为北纬27.90°，方阵行间距计算公式如下：

2.3 电气设计

当进行电气配置时，设定的超配比（光伏组件总容量与总的光伏逆变器额定有功功率容量的比值）目标值为110%，配置华为优化器MERC-1100W-P 共147 个，用于提高光伏组件发电效率和稳定性。优化器MERC-1100W-P 具体参数如表3所示。

并网电压为220 V/380 V， 功率因数为1.0。利用软件中的组串规划功能进行电气设计，配备1 台SUN2000-40KTL-M3 和2 台SUN2000-50KTLZHM3逆变器，保证电路的正常发电与并网，逆变器参数如表4 所示。

光伏电站电气连接示意图如图4 所示，3 台逆变器各控制4 个最大功率点跟踪（maximum powerpoint tracking，MPPT）控制器，共配置147 个优化器，连接293 块光伏板，光伏电站电气连接具体参数如表5 所示。

3 仿真分析

3.1 发电量预测

在不考虑损失的理想情况下，本次仿真设计的校园光伏电站容量为158.22 kW，年发电量为153 722.72 kW·h， 光伏电站月度发电量如图5所示。

3.2 经济效益评估

设定光伏电站初装成本价格单价为3 元/W，初装的光伏设备包括光伏板、逆变器、优化器、线缆、支架等，每年的运维成本取市场价格（0.07 元/W），电价设置参照湖南省电网购电价平均单价[0.609 元/（kW·h）]。仿真结果显示，光伏电站运行25 年的累计净利润约为211 万元，成本约为75 万元，投资回收期为4.76 年，投资收益率为178.59%。

3.3 社会贡献评估

仿真设计软件的结果显示，在25 年的全生命周期内，二氧化碳减排量为73 018 t，节约标准煤为61 489 080 t。

4 结论

通过使用Smart Design 光伏设计软件，对某高校图书馆屋顶进行了工商业电站设计和仿真研究，对发电量、经济效益和社会贡献进行分析，得出如下结论。

（1）株洲市的固定支架最佳倾角为19°，本次使用的竖直放置光伏组件方阵净间距为1.26 m。

（2）本光伏电站容量为158.22 kW，并网电压为220 V/380 V， 共使用293 块隆基绿能LR5-72HBD-540 光伏板、147 个MERC-1100W-P 功率优化器、1 台SUN2000-40KTL-M3 和2 台SUN2000-50KTL-ZHM3 逆变器。

（3）预计光伏电站年发电量为153 722.72 kW·h，运行25 年的累计净利润约为211 万元，成本约为75 万元，投资回收期为4.76 年，投资收益率为178.59%，二氧化碳减排量为73 018 t。本次设计仿真的项目对工程建设具有一定的参考意义。