黃越 白喜來 王欣 石征錦

摘要 文章以丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，就應(yīng)用SkechUP、PVsyst軟件開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)進(jìn)行了探討，在光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用上述軟件能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)過程更接近于工作實(shí)際，為學(xué)生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電技術(shù)；SketchUp；PVsyst

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.044

我國電源結(jié)構(gòu)中新能源主力是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電，從目前的應(yīng)用規(guī)模、發(fā)展速度和發(fā)展前景來看，太陽能光伏發(fā)電可能是未來發(fā)展最快、最有發(fā)展前途的一種新能源利用技術(shù)[1]。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國光伏行業(yè)在高級(jí)管理、高端研發(fā)、工程技術(shù)、信息化和復(fù)合型人才方面的需求將持續(xù)增加[2]。然而，高校在太陽能光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)仿真方面，多以理論分析為主。例如借助Matlab/Simulink軟件，搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]，但這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)不直觀，滿足不了行業(yè)設(shè)計(jì)需求，也不適合面向產(chǎn)業(yè)需求的人才培養(yǎng)要求。為此，本文以丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)提出教學(xué)改革，提出一種應(yīng)用SkechUP與PVsyst軟件相結(jié)合的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的方法，讓設(shè)計(jì)項(xiàng)目表達(dá)更加直觀、具體，使得工程設(shè)計(jì)更貼近行業(yè)實(shí)際應(yīng)用。研究表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用SkechUP、PVsyst軟件，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)過程更接近于工作實(shí)際，在為學(xué)生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

1基礎(chǔ)實(shí)例訓(xùn)練教學(xué)設(shè)計(jì)——地面光伏電站設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)實(shí)例訓(xùn)練部分安排設(shè)計(jì)了四個(gè)實(shí)驗(yàn)。分別為：PVSYST基本認(rèn)識(shí)及軟件安裝、地理位置選擇和氣候數(shù)據(jù)建立與修正、PVSYST光伏電站模擬基本操作方法、PVSYST光伏電站詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了思考題。例如對(duì)比哈爾濱、甘肅武威兩地光伏電站設(shè)計(jì)，分析相同安裝方式、相同組件方陣容量、逆變器時(shí)，發(fā)電量的區(qū)別（注意兩地都要采用最佳傾斜角設(shè)置）。整理文檔，說明設(shè)計(jì)的步驟和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)要求：建立哈爾濱和武威兩地氣候數(shù)據(jù)。分別建立兩個(gè)相同的90kW（范圍+5%）最佳固定傾角的地面光伏電站，逆變器數(shù)量8―10個(gè)左右。

2提升階段——基于SketchUP與PVsyst的丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PVsyst是一款專業(yè)的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)等方面均可使用，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[4]。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，綜合實(shí)訓(xùn)前期，學(xué)生根據(jù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教程練習(xí)一些基礎(chǔ)案例，通過對(duì)基礎(chǔ)案例的練習(xí)迅速熟悉軟件的應(yīng)用，并將理論課所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐。綜合實(shí)訓(xùn)后期為提升階段，加入基于SkechUP與PVsyst的三維建模和近場(chǎng)陰影仿真。三維建模設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)，讓設(shè)計(jì)更富有獨(dú)創(chuàng)性、創(chuàng)新性，且與工程實(shí)際更貼近，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)方案的可讀性。

本文結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)案例練習(xí)及學(xué)生設(shè)計(jì)的丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例討論SketchUP與PVsyst軟件在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐。

2.1工程概況

工程項(xiàng)目位于遼寧省丹東市臨港工業(yè)園區(qū)中某工廠屋頂。廠內(nèi)有廠房?jī)勺麄€(gè)廠區(qū)構(gòu)成類似兩個(gè)L的形狀，工廠周圍較為開闊，僅有3根電線桿影響光伏板采光，北側(cè)有一員工食堂，計(jì)劃在兩個(gè)廠房屋頂鋪設(shè)光伏方陣，員工食堂屋頂可留作以后開發(fā)。該地位于北緯40.13°，年最高氣溫為34℃，歷史最低氣溫曾經(jīng)達(dá)到-23℃。屬于太陽能資源分布中等地區(qū)，具備太陽能開發(fā)利用條件，可利用廠房屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。采用自發(fā)自用，余量上網(wǎng)模式。通過380V低壓并網(wǎng)，并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)于箱式變電站低壓端光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)配電柜內(nèi)。

2.2基于SkechUP的實(shí)際安裝場(chǎng)地情況3D建模仿真

PVsyst軟件具有三維建模和近場(chǎng)陰影仿真功能，但是PVsyst軟件三維建模功能一般，支持導(dǎo)入基于SketchUP的模型文件（3DS格式）。SketchUp是一款三維繪圖軟件，該軟件易于操作，3D建模效果好。

通過SkechUP建模得到的工廠模型與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際非常貼近，光伏組件的布設(shè)可在SkechUP環(huán)境中完成，也可以在PVsyst軟件中布設(shè)完成。由于SkechUP軟件沒有光伏系統(tǒng)相關(guān)組件，可以嘗試添加太陽能組件插件skelion v5.2.6。插件安裝成功即可在SkechUP仿真環(huán)境中布設(shè)光伏組件。本次設(shè)計(jì)采用的方案是將模型文件導(dǎo)入PVsyst軟件后再布設(shè)光伏組件。

2.3系統(tǒng)構(gòu)成概述

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)容量為322kW，整個(gè)系統(tǒng)共需要920個(gè)350Wp的單晶硅組件。分成2個(gè)方陣，分布在兩個(gè)廠房屋頂。設(shè)計(jì)為每20個(gè)光伏組件構(gòu)成一個(gè)光伏組串，兩個(gè)屋頂各安裝光伏組件460塊，各構(gòu)成23組光伏串，按照當(dāng)?shù)刈罴褍A角設(shè)計(jì)光伏方陣角度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用4臺(tái)額定功率70kW的華為SUN2000-70KTL-INM03相智能型光伏逆變器，每臺(tái)帶6個(gè)MPPT，可有效減小組串不匹配。逆變器將光伏組件所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成380V的三相交流電，通過交流匯流箱、并網(wǎng)配電柜后并入箱式配電柜的380V三相交流電網(wǎng)中。

2.4系統(tǒng)連接

根據(jù)上面的組件布局進(jìn)行逆變器mppt的分配，共4個(gè)逆變器，每個(gè)逆變器帶有6個(gè)mppt輸入。串連組件數(shù)為20，并聯(lián)組串?dāng)?shù)為46個(gè)。采用每個(gè)mppt接入兩個(gè)組串，剩余的一個(gè)mppt備用。

2.5 PVsyst仿真

2.5.1朝向參數(shù)選取

丹東處于北回歸線以北，緯度為40.13°。在PVsyst軟件中，組件安裝類型采用固定朝向安裝方式。當(dāng)采光面傾角為38°，系統(tǒng)的方位角設(shè)定為0°時(shí)，輻射總量損失最小。

2.5.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)選取

按照設(shè)計(jì)方案廠房屋頂實(shí)際可用于安裝組件的面積為1680m2，PVsyst可根據(jù)預(yù)設(shè)面積估算系統(tǒng)的容量配置，在“預(yù)設(shè)工具”旁輸入面積1680m2，在數(shù)據(jù)庫中選擇光伏組件，選擇生產(chǎn)廠家“l(fā)ongi Solar”標(biāo)稱功率為350Wp型，“預(yù)設(shè)工具”會(huì)給出理論上的最大系統(tǒng)容量的參考值322.7Wp。在“選擇逆變器型號(hào)”中選擇逆變器型號(hào)，本設(shè)計(jì)選擇了4臺(tái)70kW的逆變器配置?！瓣嚵性O(shè)計(jì)”中選擇串聯(lián)組件數(shù)20，并聯(lián)組串?dāng)?shù)46。經(jīng)過上述步驟，完成了新建項(xiàng)目必須要設(shè)置的三部分內(nèi)容，包括“地理位置和氣象數(shù)據(jù)”“組件安裝方式”和“系統(tǒng)設(shè)置”，然后點(diǎn)擊“確定”確認(rèn)完成。接下來設(shè)置近場(chǎng)遮擋和3D陰影仿真、系統(tǒng)損耗等。

2.5.3近場(chǎng)遮擋和3D陰影仿真

①模型導(dǎo)入及陰影分析。將SkechUP中已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入到PVsyst近處遮擋中建模/透視圖部分即可。導(dǎo)入后，再按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求布設(shè)光伏電池板。最終完成后的模型如圖2所示。

三維場(chǎng)景中包含了陰影遮擋物和有效的輻射接收區(qū)域，廠房一、廠房二南側(cè)的高壓輸電線路塔和電線桿對(duì)太陽能光伏板造成了局部遮擋。

②組件布局。按照設(shè)計(jì)方案排布組件，為方便接線，將同一陣列同一逆變器的組串劃分到同一區(qū)域，以減少線路帶來的損耗和成本，同時(shí)也可減少施工難度。

③損失。每個(gè)項(xiàng)目有自身的特點(diǎn)，存在著不同的損失參數(shù)，可以在“損失”進(jìn)行細(xì)化設(shè)置。系統(tǒng)損耗主要包括熱損失、歐姆損耗、組件質(zhì)量、不匹配、污穢損失、LAM損、廠用電、組件衰減、不可利用率和光譜校正等。通過PVsyst軟件計(jì)算可得到本系統(tǒng)的損失為：3.19%遠(yuǎn)方遮擋、10.82%的近處遮擋輻照度損失，4.6%的陣列損失及1.34%的逆變器轉(zhuǎn)換過程中造成的損失。

2.6仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)所有參數(shù)設(shè)置完畢后，在項(xiàng)目窗口點(diǎn)擊運(yùn)行仿真，并輸出仿真報(bào)告，該光伏發(fā)電系統(tǒng)每年能夠產(chǎn)生電量372MWh，系統(tǒng)效率為79.6%。由仿真報(bào)告可得出系統(tǒng)在一年中的發(fā)電能力，年實(shí)際工廠用電量分別由陣列輸出和電網(wǎng)提供。628.25MWh的工廠用電量經(jīng)過工廠屋頂最大利用面積的光伏太陽發(fā)電后，只需由電網(wǎng)提供277.51MWh的電量。其中并網(wǎng)電量為21.13MWh，3、4、5三個(gè)月為系統(tǒng)發(fā)電能力最高的時(shí)間段，此時(shí)正值春季，丹東地區(qū)溫度通常不超過20℃，溫度適宜，同時(shí)伴有“春旱”，降水較少，天氣晴朗，發(fā)電量較高。6、7、8、9四個(gè)月丹東地區(qū)溫度普遍較高，一般在25℃～30℃左右，溫度偏高，太陽能光伏板光電轉(zhuǎn)換能力下降，逆變器散熱條件也變差，同時(shí)7、8、9、10月正值雨季，多陰天，因此發(fā)電能力較3、4、5月有所下降。1、2、11、12這四個(gè)月正值冬季，由于北方溫度低，需要供暖，在這四個(gè)月天氣多霧霾，同時(shí)冬季下雪，積雪覆蓋太陽能板，也對(duì)太陽能板發(fā)電有明顯影響，因此這四個(gè)月發(fā)電量明顯偏低。

3課程設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)行業(yè)越來越離不開計(jì)算機(jī)工程模擬。在這里將SkechUP軟件與PVsyst軟件應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)是實(shí)踐教學(xué)的一種有益嘗試。將工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目首選地址確定為家鄉(xiāng)，可以激發(fā)學(xué)生服務(wù)家鄉(xiāng)新能源建設(shè)的熱情，學(xué)以致用，也實(shí)現(xiàn)了面向產(chǎn)業(yè)需求培養(yǎng)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的復(fù)合型、個(gè)性化實(shí)踐能力的培養(yǎng)，該教學(xué)方案的實(shí)施取得了較好的教學(xué)效果，為學(xué)生走向工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。

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