摘 要：為了響應(yīng)國(guó)家雙碳政策，實(shí)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(yáng)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(yáng)能與各類(lèi)建筑的合理融合勢(shì)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(jì)環(huán)節(jié)及主要影響因素，結(jié)合實(shí)際案例解析工業(yè)建筑分布式光伏發(fā)電設(shè)計(jì)重點(diǎn)，采用PVsyst等仿真軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行模擬分析，仿真得出具體數(shù)據(jù)，并綜合評(píng)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(jià)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(lèi)號(hào)：TM615；TU852" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(yáng)能憑借著取之不竭、用之不盡的特點(diǎn)，迅速成為全世界最重要的能源發(fā)展方向之一。隨著時(shí)代與技術(shù)更迭，與太陽(yáng)能相關(guān)的各類(lèi)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(yùn)而生。憑借著清潔、穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)，2023年我國(guó)日照條件豐富地區(qū)，太陽(yáng)能最佳斜面輻照總量超過(guò)1 800 kW·h/m2，年日照時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1 500 h。鑒于此，各級(jí)政府出臺(tái)了各類(lèi)激勵(lì)政策，鼓勵(lì)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(guó)光伏發(fā)電的裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)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(guó)家對(duì)于碳中和的號(hào)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(wú)遮擋等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)與光伏組件的布置要求相符。本文結(jié)合實(shí)際案例，分析工業(yè)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，并采用PVsyst軟件進(jìn)行建模和系統(tǒng)仿真，得出該項(xiàng)目全年發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并對(duì)該項(xiàng)目的節(jié)能減排效果進(jìn)行評(píng)估，以期為推動(dòng)光伏系統(tǒng)推廣及深入研究提供參考。

1" " 項(xiàng)目條件分析

對(duì)于不同海拔、維度，在不同氣候條件下的太陽(yáng)輻照量都不同，在設(shè)計(jì)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(jìn)行綜合分析，制定初步設(shè)計(jì)方案；同時(shí)掌握各類(lèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，綜合考慮各類(lèi)系統(tǒng)影響因素，通過(guò)模擬軟件分析系統(tǒng)發(fā)電量及節(jié)能減排效果。

某項(xiàng)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(shí)數(shù)1 600 h，年無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)340天。項(xiàng)目所在地坐標(biāo)為北緯22°26'，東經(jīng)107°23'，海拔130 m。設(shè)計(jì)前采用Meteonorm分析項(xiàng)目氣象資料，再根據(jù)GB/T 37526—2019《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》判定，確定項(xiàng)目位于太陽(yáng)能輻射豐富地區(qū)，適合建立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

項(xiàng)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(wú)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(yáng)能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)需要通過(guò)公式計(jì)算，并采用軟件對(duì)其進(jìn)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(jì)算出建筑屋面女兒墻及機(jī)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(dòng)畫(huà)進(jìn)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(jì)算出光伏組件之間無(wú)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(xiàng)目采用單晶硅光伏電池，組件型號(hào)為L(zhǎng)R5-

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(kāi)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(guò)組件參數(shù)，結(jié)合該項(xiàng)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(jì)算出的組件最小間距，共鋪設(shè)702塊光伏組件，總裝機(jī)容量為393 kWp。再通過(guò)PVsyst建模布置光伏組件，采用全天陰影動(dòng)畫(huà)分析陰影情況并進(jìn)行調(diào)整，確保冬至日09：00—15：00組件無(wú)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(jī)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(guò)逆變器的最大輸入電壓及MPPT電壓輸入范圍來(lái)計(jì)算，因此在計(jì)算前，需先根據(jù)平面布置圖及總裝機(jī)容量，確定逆變器型號(hào)[3]。本項(xiàng)目采用分區(qū)并網(wǎng)形式，總裝機(jī)容量為393 kWp，選用三臺(tái)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(jì)

光伏組串串聯(lián)數(shù)量根據(jù)GB 50797—2012《光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中6.4.2公式（6.4.2-2）進(jìn)行計(jì)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(shí)，系統(tǒng)超配損失最低，發(fā)電效率最佳。在設(shè)計(jì)光伏陣列時(shí)，需要計(jì)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(guò)公式U=Umpp×n計(jì)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(gè)組串并聯(lián)，共702塊組件，接入3臺(tái)110 kW逆變器[5]。

702塊光伏組件分為3個(gè)陣列，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)生的直流電通過(guò)專(zhuān)用電纜PV1-F-1×4 mm2輸送至3個(gè)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(shí)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(xiàng)參數(shù)后，使用PVsyst通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目模型對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真分析。

該系統(tǒng)組件數(shù)量為702塊，總標(biāo)稱(chēng)功率393 kW，項(xiàng)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(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)各階段因素都會(huì)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(duì)具體損失流向進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)配置時(shí)，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(guò)PVsyst進(jìn)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(guó)家，中國(guó)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(bào)告顯示，2023年全國(guó)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(shí)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(lèi)物質(zhì)對(duì)于人類(lèi)健康、環(huán)境、溫室效應(yīng)、空氣質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)換算，本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)PVsyst仿真，按照項(xiàng)目年總發(fā)電量396 095 kW·h，計(jì)算出每年碳減排效果如表1所示。

3.4" " 能效分析

根據(jù)項(xiàng)目仿真數(shù)據(jù)得知，裝機(jī)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(wàn)kW·h的發(fā)電量，以廣西崇左市峰值工業(yè)電價(jià)為標(biāo)準(zhǔn)，每年可為企業(yè)節(jié)約25萬(wàn)元以上的用電費(fèi)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(shí)將電能輸入電網(wǎng)，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)全生命周期一般超過(guò)25年，按照目前光伏安裝維護(hù)成本計(jì)算，6～8年可收回投資成本，經(jīng)濟(jì)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?lài)崢?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(duì)于兆級(jí)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(lèi)有害物質(zhì)排放對(duì)空氣造成的污染，對(duì)環(huán)境及不可再生資源進(jìn)行有效保護(hù)；同時(shí)對(duì)于促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變升級(jí)，減少中國(guó)對(duì)于傳統(tǒng)能源的過(guò)度依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，采用Meteonorm確定項(xiàng)目地氣候數(shù)據(jù)，并結(jié)合PVsyst軟件進(jìn)行建模、設(shè)備選型、仿真，分析了分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，模擬項(xiàng)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(dòng)光伏行業(yè)發(fā)展，保護(hù)不可再生資源及生態(tài)環(huán)境，實(shí)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(jiǎn)介：張?jiān)瓶拢?987—），男，陜西西安人，工程師，從事建筑電氣及新能源研究工作。