如何运用SketchUp和PVsyst对工业园建筑群进行光伏系统优化设计？

图1 工程场址情况

各个建筑构筑物结构型式见表1。

表1 建筑构筑物结构型式

2 太阳能资源评估及辐射度模型建立

工程场址位于北回归线附近，属于低纬度近赤道地区，本文选取天空各向异性模型计算光伏发电量，场址Meteonorm全年水平面辐射能数据如图2所示。

图2 Meteonorm全年水平面辐射能数据

图2给出了场址的月平均太阳能辐射数据，全年总辐射量为1444kW∙h/m2，散射辐射量为871kW∙h/m2。根据有关文献划分标准及计算方法，本项目稳定度为0.524，直射比为0.397，属于太阳能辐射“很稳定”“散射辐射较多”区。

根据有关文献水平面计算倾斜面辐射能公式有

式（1）~（5）

结合现场条件，停车场、水场车间、主厂房顶承重有限，组件直接沿屋面安装，组件倾角与屋面坡度相等，无需计算调整。皮革车间属于混凝土屋面，采用碳钢固定支架安装，需计算组件安装角度。若使组件接收辐射能最大，则需满足Rb最大。通过PVsyst软件计算可知，组件最佳倾角为18°。混凝土屋面倾角为18°时辐射量损失情况如图3所示。

图3 屋面倾角为18°时辐射量损失情况

3 工业园光伏发电系统设计

3.1 组件选型

目前，市场主流光伏组件产品为峰值功率530Wp以上单晶硅电池组件。2022年以来，市场占有率最高的单晶硅组件为182mm电池片封装组件和210mm电池片封装组件。

210mm电池片封装组件工作电压小，同一阵列可以串联接入更多数量的光伏组件，节省直流电缆投资，但210mm电池片封装组件输出工作电流大于1/2个逆变器最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）回路输入电流，故需要占用更多的逆变器MPPT回路。

182mm电池片封装组件工作电压大，虽然对比210mm电池片封装组件阵列串联组件数量较少，但由于其输出工作电流小于1/2个逆变器MPPT回路输入电流，可2个组串并联接入一个MPPT回路，与各类逆变器的适应性更强。故选用182mm电池片封装组件。

182mm电池片封装组件中可分为单玻组件和双玻组件，一块单晶双玻光伏组件比单晶单玻光伏组件重6～10kg，双玻组件的背板在吸收后排或地面反射光时可以增加发电量。本工程大部分建筑物为钢结构彩钢瓦建筑，考虑到背板无法接收入射光且彩钢瓦承重能力有限，故选用单晶单玻电池片光伏组件。光伏组件技术参数见表2。

3.2 逆变器选型

考虑到组串式逆变器MPPT回路较多，适应环境能力强，在方位角倾角不同、障碍物多、阴影遮挡区域大的屋顶分布式光伏工程中应用更广，故选用组串式逆变器。2022年以来，屋顶分布式组串逆变器市场占有率最高的为1500V直流系统逆变器和1000V直流系统逆变器。

表2 光伏组件技术参数

根据国网福建电力《关于印发国网福建电力做好中低压分布式电源接入系统优质服务指导意见的通知》（闽电发展〔2022〕381号文），现场光伏并网电压为10kV，1000V和1500V直流系统逆变器输出电压分别为0.4kV和0.8kV。0.8kV交流线缆可以降低集电线路1/3～1/2的投资，适合厂房占地面积大、交流电缆回路长、光伏装机容量较大的分布式光伏系统。逆变器技术参数见表3。

表3 逆变器技术参数

根据有关文献规定，光伏组件逆变器组串数量N计算公式为

式（6）（7）

式中：Vdcmax为逆变器允许输入电压；Voc为光伏组件开路电压；Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值；Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值；Vpm为光伏组件工作电压；t和分别为组件极限低温和高温；Kv和分别为正常和开路条件下的温度系数。由此计算得到13≤N≤27。

由于国网福建电力《关于印发分布式电源并网服务管理实施细则的通知》（闽电营销〔2019〕605号文）规定组件和逆变器容配比小于1，对比工程造价及各布置方案，取N=24。

4 建模与仿真分析

局部阴影遮挡会造成组件表面温度不均，整体效率下降。为优化组件布置方案，降低阴影遮挡对发电量计算结果的影响，提高电站发电量，光伏组件的安装位置应避开场址全年真太阳日09:00—15:00所有构筑物东西南北四个朝向阴影遮挡。

屋顶主要障碍物为气楼、通气孔和停车场西面厂房。对比各类建模软件，SketchUp软件在对实际建筑群进行同比例3D建模时，建模速度快，轮廓尺寸准确清晰，可搭设各类屋顶障碍物，并显示360°视角任意一天所有时段的阴影区域。SketchUp软件分析不同时间屋顶阴影如图4和图5所示。

图4 SketchUp软件分析屋顶阴影-09:00

图5 SketchUp软件分析屋顶阴影-15:00

根据SketchUp阴影轮廓线结果，在PVsyst软件的三维模拟场景中搭建主厂房、水场车间、皮革车间、停车场构筑物模型，并铺设相应数量的光伏组件。组件铺设方位角及倾角按表1设置。组件和逆变器产品参数按表2及表3设置，串联数量N取24，此处不再赘述参数设置方法。主厂房、水场车间、皮革车间和停车场的PVsyst光伏模型如图6所示。

图6 PVsyst光伏模型

PVsyst中定义的光伏发电系统能量损失主要影响因素为：倾斜面辐射能、总辐射量入射角修正（incident angle modifier, IAM）系数、辐照效率、温度损失、组件品质损失、光照衰减（light induced degradation, LID）、组件失配损失、导线电压降、系统失效不平衡度。PVsyst输出系统能量损失流向如图7所示。

图7 PVsyst输出系统能量损失流向

从图7可以看出，对于皮革工业园的不同建筑构筑物，各区域效率变化范围为78.1%～84.6%，其中皮革车间按方位角0°、组件倾角18°安装发电效率最高，水场车间北坡按方位角180°、倾角2°安装发电效率最低。当选用相同品牌和参数的组件和逆变器时，组件品质损失、LID损失、失配损失及逆变器效率损失相同。

效率差异为温度热损、倾斜面辐射能初始效率、交流线损、污秽失效度损失。皮革车间属于混凝土屋顶，组件按18°倾角安装，背板空气流通良好顺畅，温度热损为8.9%。主厂房、水场车间、停车场3个构筑物属于钢结构屋顶，光伏组件紧贴屋面板安装，通风不良，温度热损为9.3%～9.4%。

皮革车间逆变器距离配电室最近，停车场逆变器距离配电室最远，但两者交流线损差异不足0.2%。组件安装的方位角和倾角决定了倾斜面总辐射能初始值，组件方位角越接近正南方向，倾角越接近最佳倾角，初始辐射能越高。皮革车间的初始倾斜面辐射能比水场车间北坡的初始倾斜面辐射能高5.5%。

污秽失效度损失产生的效率差异无法进行定量分析，本文仅根据构筑物结构进行主观评价，主厂房、水场车间和皮革车间由于生产动物皮革排气散热，空气质量偏差，污秽失效度定义2.3%，停车场离办公楼及宿舍楼较近，污秽失效度定义1.8%。

根据当前光伏组件生产技术水平，光伏发电年限取25年，首年发电衰减率为2.0%，后续每年按照0.55%逐年进行折减。发电量计算结果见表4。

表4 发电量计算结果

由于每个屋顶的光伏装机总容量不相同，将每个构筑物的光伏发电量折算为单位指标（即年利用小时数）进行对比分析。从表4可以看出，工业园单体构筑物中，皮革车间25年年平均光伏发电利用小时数最高，为1140h。水场车间北坡年平均光伏发电利用小时数最低，为1075h。相同地理坐标的不同构筑物年利用小时数差值高达65h。

主厂房东坡的运行期年平均利用小时数为1 102h，主厂房西坡的运行期年平均利用小时数为1 099h，两者基本相同。主厂房东、西坡存在差异的原因是主厂房西坡存在两根通气烟囱，通气烟囱的阴影影响09:00前和15:00后的光伏发电量。

5 结论

针对同一地理坐标的不同建筑物，本文利用SketchUp和PVsyst软件对实际工程——漳州某皮革园工业厂房屋顶光伏发电工程建立不同的3D模型，根据实际坡向、方位角、倾角、组件、逆变器等系统参数设置，从能量损失效率及年利用小时数进行分析，得到结论如下：

1）由于同一建筑群的不同建筑物光伏发电能量损失不同，故同地点不同型式的建筑物的光伏发电年利用小时数实际差异较大。

2）在有效避开阴影区域的前提下，同一工程选用相同品牌和参数的组件及逆变器，IAM系数、组件品质损失、LID损失、失配损失等对光伏发电效率影响程度相同。

3）对于光照资源一般的地区，由于光伏组件达到峰值电流的发电时间段占全年总时段比例较少，大部分时间内，直流电缆和交流电缆的实际通过电流值Ia远小于电缆载流量Iz，线损影响差异并不显著。

4）组件安装的方位角及倾角对能量损失影响最大，当组件安装方位角为正南方向、安装倾角为最佳倾角时，该建筑光伏发电年利用小时数最高。

本文编自2023年第3期《电气技术》，论文标题为“基于SketchUp和PVsyst的建筑群光伏系统优化设计”，作者为汪醒鹏、陈喜莆。返回搜狐，查看更多