谷欣龙

摘  要：近年，分布式光伏发电发展迅速，在城市中早已率先应用。该文首先介绍了光伏电池的数学模型，重点针对某写字楼房顶进行了并网光伏发电系统设计。该系统设计先确定了光伏系统的运行方式，并分析其用电负荷;另外，从阵列方式、组建选型、逆变器选择、组串设计等方面开展设计，确定了针对该写字楼的分布式光伏发电系统。该文对城市光伏发电系统的设计具有借鉴意义。

关键词：分布式  光伏发电  并网技术

中图分类号：TM62   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（c）-0031-02

光伏发电是应用最广泛的新能源发电之一。光伏发电系统是依据光电效应原理，光伏发电系统中光伏组件将太阳能转化为电能并通过逆变器进行整流逆变，然后接入负荷或电网。在光伏发电系统中，太阳能电池阵列是整个系统能源的来源，控制器是整个系统的核心部件之一，蓄电池用于存储电能并在无光照情况下向负载供电，逆变器用于将直流电变换为交流电[1]。

光伏電池板的输出是非线性的，在某些情况下表现出恒压源特性，某些情况下表现出恒流源特性。例如，当光伏电池输出电压较小时，输出电流的变化跟随电压的变化幅度很小，光伏电池可看似为恒流源;当光伏电池输出电压超过一定的临界值时，光伏电池输出电流急剧下降，光伏电池可看似为恒压源[2]。所以，光伏电池的特性受到日照强度和电池温度的影响，且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。

1  光伏电池数学模型

光伏电池数学模型是依据半导体电子学理论，设负载为电阻RL，当日照强度恒定时，光电流可看成一恒定电流源，二极管的正向电流ID和并联电阻电流Ish都由光电流IL提供，剩余的光电流通过串联电阻Rs流出太阳能电池进入负载并在负载端产生电压V。根据电流电压参考方向，太阳电池的I-V方程为：

式中：IL为光电流，A;I0为二极管反向饱和电流，A;q为电子电荷（1.6×1015C）;A为二极管因子;K为玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）;T为太阳能表面绝对温度，K;Rs为串联电阻，Ω;Rsh为并联电阻，Ω;I为太阳能电池输出电流，A;V为太阳能电池输出电压，V。

2  建筑屋顶分布式发电系统设计

以某公司写字楼楼顶为例，该楼占地面积为30842m2，共6层，屋顶可用面积为31502m2，计划在楼的屋顶安装太阳能光伏组件。收集当地气象参数是开展光伏发电系统设计的必要数据之一，也是开展设计的首要工作。了解当地太阳福射量、旱度、最长阴雨天数、温度、海拔等情况，还要掌握光伏方阵安装区域的采光情况，确保电池组件采光无遮挡。地理位置及气象环境数据的确定对光伏方阵的朝向、最佳倾角、方阵间距设计具有指导意义。

2.1 光伏系统运行方式设计

光伏发电系统分为离网型和并网型两类，与公共电网相连的为并网型光伏发电系统，而独立运行不与公共电网相连的为离网型。离网型系统多建设在远离公共电网的偏远地区，对储能系统的要求高。并网型系统多建在离公共电网近的区域，可以将光伏电能并入大电网或者从电网获取电能，对储能系统的依赖低。该系统采用并网型光伏发电系统，具体工作模式如下。

（1）白天通过太阳能电池板发电，供应教学楼的用电需求，当供电充裕时，向蓄电池组充电;若蓄电池组充满，这将多余的电能送至电网。在光照不足或雨雪天气，由蓄电池组供应电能，不足的部分由电网供电。

（2）夜间太阳能电池板无法工作，由蓄电池组供应电能，不足的部分由电网供电。

2.2 写字楼用电负荷分析

写字楼负荷可概括为5类，照明、电脑、加热、空调、其他设备等。每个办公室有10个40W的电灯，每日工作14h;有32台120W的电脑，每日工作8h;每个楼层2台5kW加热水器，每日工作4h;每个办公室有1台2kW，在夏季6～8月每日工作10h;其他设备3kW，每日工作2h。每层楼总计40个办公室，总共6层楼。

该光伏发电系统用于办公楼的日常照明用电，最大负荷为96kW，日最大用电量为1152kWh。这里我们选择90kW负荷、日均用电量900kWh作为发电的基础数据。

2.3 光伏组件的设计选型

考虑到控制成本和优化效率两个因素，一般情况下，城市建筑屋顶光伏系统多设计为用户侧并网系统。为了避免光伏组件之间的相互遮挡，在方阵设计时应计算方阵之间的最小距离。该写字楼屋顶为水平面，设计方阵朝向为正南方向，固定式支架倾斜安装方式[3]。结合最佳倾角计算方法，设计倾角为40°，组件平面的最大辐射量为1730kWh/m2。根据最佳距离的计算，组件长度为1650mm，最佳倾角为40°，在安装区域周围无建筑物遮挡情况下，结合最小间距计算方法，取方阵间距为3.5m。

根据写字楼实际情况，将安装光伏阵列的位置分为A、B、C、D这4个区域，用于安装光伏阵列总面积324m2。根据4个区域的宽度及最小间距，区域A、B、C均可安装3排每排26个共78个光伏组件的方阵;区域D可安装3排每排30个共90个光伏组件。

并网光伏逆变器的额定容量与光伏发电系统总的装机容量并网之比称为额定容量比，应在0.8～1.2之间，能够保证较好的匹配度，减少逆变损失，该设计采用组串逆变的设计方式。屋顶A、B、C三个光伏方阵相似，装机容量为35.25kWh，采用12台并网逆变器;屋顶D的装机容量为42.3kWh，采用8台并网逆变器。

光伏组串的开路电压和最大功率点电压呈负相关性，光伏组串的最大电压应小于系统最大电压[4]。结合光伏组件和逆变器的参数，将该系统屋顶平面A、B、C组件阵列分为13个光伏组串，每组串包含18个光伏组件，取串联数目为9，并联数目为2;D组件阵列分为9个光伏组串，每组串有10个光伏组件，取串联数目为10，并联数目为1。

由于白天日照强度充足而光照需求低，夜晚无太阳光照而光照需求大，因此需要配备蓄电池组来对白天产生的电能进行储备，在晚上再供应发出电能。在自发电量不足时，从电网获取电能供电。这里我们取放电深度80%，损耗率0.8，根据用电负荷以及储能时长，可算得蓄电池容量Cc=158.6kWh。

3  结语

该文分析了建筑屋顶光伏系统的设计内容和方法，对屋顶光伏系统提出了设计方案。首先介绍了光伏电池的数学模型，重点针对某写字楼房顶进行了并网光伏发电系统设计。该系统设计先确定了光伏系统的运行方式，即白天向负载供电，电能不足时由公共电网补充供电，该系统不向电网供电;另外，从用电负荷分析，阵列方式、组建选型、逆变器选择、组串设计等方面开展设计，确定了针对该写字楼的分布式光伏发电系统。该文对城市光伏发电系统的设计具有借鉴意义。

参考文献

[1] 张臻宇.基于Pvsyst的建筑屋顶并网光伏发电系统设计及效益研究[D].宁夏大学，2016.

[2] 魏新华，段现星，王晓侃.基于DSP的太阳能独立光伏发电控制系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（9）：2477-2479.

[3] 林国恒.太阳能光伏发电控制技术应用研究[J].低碳世界，2018（10）：99-100.

[4] 陈维熙.光伏发电系统在绿色建筑中的应用研究[J].通信电源技术，2018，35（7）：173-174.