摘 要：為了響應(yīng)國家雙碳政策，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，提高可再生能源利用率，建筑行業(yè)已將太陽能光伏發(fā)電作為節(jié)能減排的主要手段之一。作為清潔可再生能源，太陽能與各類建筑的合理融合勢必成為建筑行業(yè)重要的研究和發(fā)展方向。鑒于此，基于發(fā)展背景，分析光伏系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)及主要影響因素，結(jié)合實際案例解析工業(yè)建筑分布式光伏發(fā)電設(shè)計重點，采用PVsyst等仿真軟件對項目進行模擬分析，仿真得出具體數(shù)據(jù)，并綜合評估工業(yè)建筑光伏系統(tǒng)的能源收益與碳減排效果，以期為新能源技術(shù)發(fā)展與普及提供有價值的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；新能源；工業(yè)建筑；PVsyst；碳減排

中圖分類號：TM615；TU852" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.006

0" " 引言

作為新能源的代表，太陽能憑借著取之不竭、用之不盡的特點，迅速成為全世界最重要的能源發(fā)展方向之一。隨著時代與技術(shù)更迭，與太陽能相關(guān)的各類產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)也應(yīng)運而生。憑借著清潔、穩(wěn)定、安全等優(yōu)點，光伏發(fā)電技術(shù)迅速與各行業(yè)融合，其中建筑行業(yè)因其建設(shè)使用的能源消耗占比大，成為光伏發(fā)電發(fā)展的主要載體之一。

據(jù)統(tǒng)計，2023年我國日照條件豐富地區(qū)，太陽能最佳斜面輻照總量超過1 800 kW·h/m2，年日照時長超過1 500 h。鑒于此，各級政府出臺了各類激勵政策，鼓勵新建建筑屋面同步建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，截至2023年8月，我國光伏發(fā)電的裝機容量已經(jīng)超過5.2億kW。

利用建筑屋面建立分布式光伏電站，不僅響應(yīng)了國家對于碳中和的號召，還能重塑能源結(jié)構(gòu)，更提高了綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。相較于民用建筑，工業(yè)建筑一般具有屋面可利用面積大、空曠無遮擋等特點，這些特點與光伏組件的布置要求相符。本文結(jié)合實際案例，分析工業(yè)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計重點，并采用PVsyst軟件進行建模和系統(tǒng)仿真，得出該項目全年發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并對該項目的節(jié)能減排效果進行評估，以期為推動光伏系統(tǒng)推廣及深入研究提供參考。

1" " 項目條件分析

對于不同海拔、維度，在不同氣候條件下的太陽輻照量都不同，在設(shè)計初期，需要考慮不同地區(qū)的輻照量，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蜻M行綜合分析，制定初步設(shè)計方案；同時掌握各類國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，綜合考慮各類系統(tǒng)影響因素，通過模擬軟件分析系統(tǒng)發(fā)電量及節(jié)能減排效果。

某項目位于廣西壯族自治區(qū)崇左市，北回歸線以南，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，該地區(qū)氣候溫和，年日照時數(shù)1 600 h，年無霜期長達340天。項目所在地坐標(biāo)為北緯22°26'，東經(jīng)107°23'，海拔130 m。設(shè)計前采用Meteonorm分析項目氣象資料，再根據(jù)GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》判定，確定項目位于太陽能輻射豐富地區(qū)，適合建立太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

項目為工業(yè)園區(qū)內(nèi)一幢BAPV光伏形式的工業(yè)廠房，屋面鋪設(shè)固定式光伏組件。系統(tǒng)采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式。廠房平屋面朝向正南，屋面面積為3 070 m2，建筑高度27 m，共四層，周邊無遮擋物，屋面可利用面積大，自身遮擋少，組件排布條件良好。

2" " 太陽能系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1" " 組件安裝分析

組件安裝通常考慮其方位角及傾角，方位角通常按照正南或偏西5°～10°考慮；傾角則需要衡量經(jīng)緯度、海拔、陰影遮擋等因素，設(shè)計時需要通過公式計算，并采用軟件對其進行仿真，調(diào)整最佳的組件傾角與安裝間距，確保組件不受到其他建筑或前排組件陰影遮擋。利用公式計算出建筑屋面女兒墻及機房在冬至日09：00—15：00的陰影遮擋情況，并使用天正日照日影棒圖及PVsyst全天陰影動畫進行復(fù)核，確定屋面可利用面積為2 673 m2。如圖1所示，按照公式D≥H×cot αs×cos γ，計算出光伏組件之間無遮擋最小間距為0.9 m[1]。其中，γ為組件方位角。

2.2" " 光伏陣列排布

本項目采用單晶硅光伏電池，組件型號為LR5-

72HTH-560M，效率為21.7%。組件尺寸2 278 mm×1 134 mm×35 mm，每組最大功率560 W，開路電壓51.61 V，短路電流13.94 A，峰值功率電壓43.46 V，峰值功率電流12.89 A。通過組件參數(shù)，結(jié)合該項目所在地經(jīng)緯度，采用PVsyst調(diào)整光伏組件最佳傾角為17°。組件陣列采用固定式支架安裝，面朝正南。根據(jù)前文計算出的組件最小間距，共鋪設(shè)702塊光伏組件，總裝機容量為393 kWp。再通過PVsyst建模布置光伏組件，采用全天陰影動畫分析陰影情況并進行調(diào)整，確保冬至日09：00—15：00組件無陰影遮擋，最終布置模型如圖2所示，未布置處為女兒墻及屋面機房陰影遮擋區(qū)域[2]。

2.3" " 逆變器選型

光伏組串以并聯(lián)形式接入逆變器，串、并聯(lián)數(shù)量需要通過逆變器的最大輸入電壓及MPPT電壓輸入范圍來計算，因此在計算前，需先根據(jù)平面布置圖及總裝機容量，確定逆變器型號[3]。本項目采用分區(qū)并網(wǎng)形式，總裝機容量為393 kWp，選用三臺華為SUN2000-110KTL-M2型逆變器，容配比為1.19，逆變器最大輸入電壓1 100 V，工作電壓范圍200～1 000 V，滿載MPPT電壓范圍540～800 V，額定輸入電壓600 V，額定有功功率115 kW，最大有功功率121 kW，額定輸出電壓220/380 V，額定輸出電流167.2 A。

2.4" " 組串并網(wǎng)設(shè)計

光伏組串串聯(lián)數(shù)量根據(jù)GB 50797—2012《光伏電站設(shè)計規(guī)范》[4]中6.4.2公式（6.4.2-2）進行計算。

≤N≤

式中：N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N取整數(shù)）；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值；Vpm為光伏組件的工作電壓；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫；Kv′為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)。

將組件及逆變器數(shù)據(jù)代入公式，并在PVsyst軟件中模擬，當(dāng)N取18，并聯(lián)組串?dāng)?shù)為39時，系統(tǒng)超配損失最低，發(fā)電效率最佳。在設(shè)計光伏陣列時，需要計算組串的輸出電壓，使其滿足逆變器輸入端的電壓范圍，通過公式U=Umpp×n計算（U為光伏陣列輸出電壓；Umpp為組件最大功率工作電壓；n為光伏陣列中組件總數(shù)），如圖3所示，該系統(tǒng)選用560 Wp單晶硅組件，每18塊組件串聯(lián)，39個組串并聯(lián)，共702塊組件，接入3臺110 kW逆變器[5]。

702塊光伏組件分為3個陣列，通過光電轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)生的直流電通過專用電纜PV1-F-1×4 mm2輸送至3個110 kW逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑤斔椭翉S區(qū)新增低壓并網(wǎng)柜，并網(wǎng)柜接入廠區(qū)1 000 kVA變壓器低壓側(cè)，從而實現(xiàn)“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的目標(biāo)。

3" " 系統(tǒng)仿真分析

3.1" " 發(fā)電量分析

確定組件以及逆變器各項參數(shù)后，使用PVsyst通過實際項目模型對系統(tǒng)整體進行仿真分析。

該系統(tǒng)組件數(shù)量為702塊，總標(biāo)稱功率393 kW，項目年總發(fā)電量為396 095 kW·h，年單位發(fā)電量為1 008 kW·h/kWp，系統(tǒng)效率為84.56%。

轉(zhuǎn)換為單位發(fā)電量損失如圖4所示，日有效發(fā)電量為2.76 kW·h/kWp，即1 kWp光伏組件每天可以轉(zhuǎn)換2.76 kW·h電[6]。

3.2" " 損失分析

在光伏系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)各階段因素都會導(dǎo)致發(fā)電量的損失，包括天氣、溫度、組件角度、串并聯(lián)方案、逆變選型等，采用PVsyst軟件對具體損失流向進行模擬，得出數(shù)據(jù)：因溫度升高導(dǎo)致的發(fā)電量損失為6.43%，輻照強度導(dǎo)致的損失為1.26%，安裝、組串配置導(dǎo)致的損失為2.15%。轉(zhuǎn)換為單位發(fā)電量損失如下：光伏陣列的采光損失為每天0.46 kW·h/kWp，逆變器系統(tǒng)損失為每天0.05 kW·h/kWp。因此，在進行系統(tǒng)配置時，要考慮組件溫度衰減、最佳傾角及最佳串并聯(lián)數(shù)量，通過PVsyst進行模擬并調(diào)整，選取最佳方案以減少發(fā)電量損失。

3.3nbsp; " 碳減排仿真分析

作為全球最大的火力發(fā)電國家，中國2023年火力發(fā)電量占全年總發(fā)電量的69.5%，能源消耗及排放量巨大。根據(jù)報告顯示，2023年全國供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗平均值為302.7 g標(biāo)準(zhǔn)煤/（kW·h），該數(shù)據(jù)表示1 kW·h電平均需要消耗302.7 g標(biāo)準(zhǔn)煤，同時消耗4 L純凈水，產(chǎn)生0.997 kg二氧化碳、0.015 kg氮氧化物、0.03 kg二氧化硫以及0.272 kg碳粉塵[7]。該類物質(zhì)對于人類健康、環(huán)境、溫室效應(yīng)、空氣質(zhì)量等都會產(chǎn)生一定的影響。通過換算，本文所設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過PVsyst仿真，按照項目年總發(fā)電量396 095 kW·h，計算出每年碳減排效果如表1所示。

3.4" " 能效分析

根據(jù)項目仿真數(shù)據(jù)得知，裝機容量為393 kWp的光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可為企業(yè)提供39萬kW·h的發(fā)電量，以廣西崇左市峰值工業(yè)電價為標(biāo)準(zhǔn)，每年可為企業(yè)節(jié)約25萬元以上的用電費用；而采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”并網(wǎng)模式，也能在企業(yè)用電量較低時將電能輸入電網(wǎng)，為企業(yè)增加經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)全生命周期一般超過25年，按照目前光伏安裝維護成本計算，6～8年可收回投資成本，經(jīng)濟效益良好。

仿真數(shù)據(jù)顯示，393 kWp的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)每年可節(jié)約超百噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少四百多噸的二氧化碳及其他有害物質(zhì)排放，而對于兆級以上的大型光伏發(fā)電站，其在全生命周期內(nèi)的節(jié)能減排效果將更為顯著。由此得知，全面普及光伏發(fā)電系統(tǒng)，可減少各類有害物質(zhì)排放對空氣造成的污染，對環(huán)境及不可再生資源進行有效保護；同時對于促進我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變升級，減少中國對于傳統(tǒng)能源的過度依賴，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4" " 結(jié)束語

本文以實際項目為例，采用Meteonorm確定項目地氣候數(shù)據(jù)，并結(jié)合PVsyst軟件進行建模、設(shè)備選型、仿真，分析了分布式光伏發(fā)電項目在實際工程設(shè)計中的重點，模擬項目年光伏發(fā)電量、系統(tǒng)效率、損失流向等具體數(shù)據(jù)，明確光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源收益及碳減排效果，為推動光伏行業(yè)發(fā)展，保護不可再生資源及生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持。

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收稿日期：2024-04-09

作者簡介：張云柯（1987—），男，陜西西安人，工程師，從事建筑電氣及新能源研究工作。