张伟
国华能源投资有限公司 北京 100007
摘要：应用PVSYST和SKELION 软件进行模拟优化一个屋顶光伏系统，改善优化北坡发电量较低的情况。
本文的案例，是山东潍坊的某个工商业屋顶分布式项目，其中有一座建筑是连续起伏的南北坡屋面，建筑由连续六跨结构组成，屋面相对水平面的倾角为6度，坡度为10.5%。屋面上有避雷带和天沟，没有障碍物对光伏组件形成遮挡影响。
设计院对于该建筑屋顶的光伏系统设计中，对光伏组件的布置采用了和彩钢瓦一样平铺的设计，这样在南坡上的光伏组件组件的朝向南方（组件倾角6°，方位角0度），在北坡上的光伏组件朝向正北（组件倾角6°，方位角180度）。平铺方案。在针对该项目的优化过程中，通过PVsyst软件查询得知，光伏组件表面接收到的辐射量。
1）北坡光伏组件接收到的辐射量1297.6kWh/m2，相对于水平面总辐射量1356.2kWh/m2减少4.3%。
2）南坡光伏组件接收到的辐射量1409.5kWh/m2，相对水平面辐射量增加3.9%。
南北坡的光伏组件分别接入不同的40kW的组串式逆变器，逆变器逆变后输出的交流电经过五进一出的交流汇流箱汇流后，输出至1000kVA的箱式变压器，升压至10kV并网。该屋顶供安装265Wp多晶硅光伏组件2772块，容量734.58kWp。该屋顶上的光伏方阵与相邻的另一栋建筑屋面上的光伏方阵共同接入一台箱变，组成一个光伏子系统。
彩钢瓦上光伏组件通常都是平铺设计，是由于彩钢瓦的承载能力比较小，平铺有利于提供屋面的利用率。如果组件在南北坡均采用朝南的非平铺的起一定倾角设计，会造成光伏支架增加重量，加大夹具的抗拉拔里，且降低屋顶的利用率。因此对于5%的屋面坡度，几乎所有的彩钢瓦屋顶都是采用组件平铺在屋面上安装，较少彩钢瓦承载能力较大、质量很好的屋面上采用光伏组件与屋面形成一定角度安装，而且这个角度一般都在5-10度左右，角度较小，减少风荷载。相对比彩钢瓦屋面，本项目的混凝土屋面承载能力较大，光伏支架采用混凝土预制块作为基础配重，屋面的坡度较大，在北坡上光伏组件平铺于屋面，对于光伏组件发电十分不利。
由于该屋顶对应的1MW光伏子系统容量稍小，子系统容量不足1MW，因此要保证光伏组件容量不减少同时保留检修通道的情况下，因此需要对原有设计方案进行优化。
以下是原设计方案组件平铺局部示意图
从设计院提供的施工图设计方案分析，如果光伏组件平铺在南北坡上，竖向三排设计光伏阵列，阵列宽度为4990mm（1650*3+2*20，1650mm为组件长度，20mm为组件间的间隙），测量建筑南坡和北坡坡面长度为7541mm，剩余空间宽度为2551mm，还可以再布置一排光伏组件，将光伏阵列设计为竖向四排或者两个竖向双排，剩余屋面宽度为881mm。如此设计虽然可以提升33%的容量，该屋顶的光伏组件安装容量达到979.44kWp。但由于南坡和北坡结合处的天沟存在，运维中检修、清洗光伏组件等操作在屋面上行走不方便，而且北坡光伏组件单瓦发电量较少的情况得不到改善。
优化该类型屋顶的光伏组件布置设计方案，主要是不减少光伏组件容量的条件下，北坡的光伏组件不采用组件平铺和方位角朝北设计。还应进一步明确一下，连续南北坡的连栋屋顶，光伏阵列的布置应随南坡北坡周期循环设置，不能像地面电站一样，可以将光伏阵列间距根据需要增加或者减少，不受限制。
首先，设计院提供的施工图设计，光伏组件竖向三排作为一个光伏阵列，在光伏支架的安装、光伏组串的接线、光伏电缆布线、日后的运维等多个方面施工和清洗组件带来不方便，因此需要改变光伏阵列的设计，可以将光伏阵列改为竖向双排设计，光伏阵列的宽度将有4990mm减少到3320mm。
如果南坡和北坡的光伏组件都采用屋面倾角的6度角设计，那么只需要将北坡改为组件6度倾角，南坡不变。将6度角设计绘制在图纸上，南坡两排竖向双排的光伏支架单元，北坡一排竖向双排的光伏支架单元，以及进行阵列间距计算，南坡的光伏组件属于平铺，对北坡不产生阴影遮挡，对坡光伏阵列对后面的南坡光伏组件也不产生阴影遮挡，光伏阵列间距的冗余量较多。进一步优化光伏阵列的倾角，达到提高光伏阵列倾斜面接收到的辐射量最大，同时前排光伏阵列对后排光伏阵列不形成遮挡，寻求这一平衡的阵列最优倾角和最优间距。
我们以不同的光伏组件安装倾角（如15°、13°、10°等不同倾角）布置光伏阵列，并进一步检验光伏阵列间距是否合适。
根据前文的描述，我们已经知道，南坡竖向双排光伏阵列的前后阵列间距可以通过公式计算，波峰处或者波谷处，光伏阵列间距的确定是设计的关键，设计方法可以通过上文提出的公式计算，或者直接通过高差核算是否合适。可以直接在CAD图纸中看两者的剖面图，相对高差H和相对水平距离d（前排阵列上端到后排阵列的下端）。当两个间距都满足阴影长度计算值d’（南北方向阴影系数2.564倍相对高差，d’=2.564*H）≤相对水平距离d即可。为了方便描述，定义南坡前后两排阵列间距为d1，南坡第二排阵列和北坡阵列波峰处阵列间距为d2，北坡阵列和南坡第一排阵列波谷处的阵列间距为d3。通过剖面图测量相对高差和相对水平间距，以及判断d>d’是否满足。
本文经过不同倾角设计，发现当光伏组件倾角>12°时，不能满足前后阵列冬至日真太阳时9：00-15：00阴影不遮挡要求。经过测量和对比可以得到结论，当以光伏阵列11度倾角布置，以11度倾角设计光伏阵列间距，能满足冬至日真太阳时9：00-15：00阴影不遮挡要求。间距的计算方法此处不再描述。
通过上述几步对光伏阵列倾角不同的设计值以及通过CAD将光伏阵列在屋顶剖面图测量、计算理论阴影值、对比是否满足阴影不遮挡要求，数据证实以11度倾角设计可以满足要求。那么，是否以11度倾角设计该屋顶的光伏电站为最佳方案?
4 PVsyst软件建模优化分析
接下来，我们通过PVsyst软件建模分析，建模依据上图11度倾角确定模型内的光伏阵列间距。光伏系统容量按照两跨建筑的光伏组件布置容量150kW设计，采用280Wp光伏组件，每22块串联为一串，8串并联接入一台50kW的华为组串式逆变器，共配置组件528块，逆变器3台。
1）在PVsyst内建立双坡面的建筑（House + 2-sided roof），建筑宽度设置15米，长度设置50米，高度5米，屋顶角度6度，屋檐展开宽度0米。将建筑方向设置为东西方向，即修改方位角为90度，即完成单跨简直的设计。模型中复制、粘贴建立三个单跨建筑。
2）光伏阵列设计
光伏阵列均采用竖向双排，以11度倾角安装2X44块光伏组件，阵列长宽可通过by modules布置为3.34mX44.5m。南坡光伏阵列为前后两排，相对位置可以在软件中一次性设置。如建模空间内设置PV table as sheds，设置两排阵列（Number of sheds设置为2），组件倾角11度，横向倾斜度为6度（补充释义：transverse slope 横向坡度/斜率，软件内定义为南北向的坡度，设置为6度；注意另一项baseline slope为基线坡度/斜率，软件定义为东西方向的坡度，这里的坡度均是用坡面和水平面之间的角度表示），阵列间距Pitch3.86米。设置北坡的光伏阵列，阵列排数为1（Number of sheds设置为1），组件倾角11度。
3）光伏阵列在屋顶上布置
将前两步设计完成的光伏阵列单体和建筑单跨的单体组合在一起，并根据南北坡上光伏阵列的位置调整模型中的光伏阵列位置。如果所示，第二跨建筑的南坡起点位于Y轴上；北坡阵列的Y、Z位置，根据图纸测量确定Y轴距离南坡前端7.96米，高度包含建筑高度5米和图纸测量组件高出波谷最低点0.74米，以及组件高出屋面10cm，计算为5.84米。其他类同。这儿建模设计了三跨建筑，第一跨建筑的南坡没有利用，是考虑到连栋建筑多跨中南坡组件不受前面遮挡的阵列实际上只有最南面的一个坡面，建模选择多跨建筑中间的一段，有利于模拟结果的更准确性。
论文作者:张伟
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第29期
论文发表时间:2019/8/27
标签：光伏论文; 阵列论文; 组件论文; 倾角论文; 屋面论文; 间距论文; 平铺论文; 《建筑细部》2018年第29期论文;