栗祯泽

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 引言

随着国家“十三五”节能减排政策措施的推进，我国光伏应用市场稳步增长。太阳能具有取之不尽，用之不竭的优点，而且不会给环境以及生态带来污染和破坏，因此受到人们的高度重视。光伏发电是指利用光生伏打效应，使阳光照射到硅材料做成的太阳能电池板上产生直流进行发电[1]。但由于各地光照强度分布不均匀，光照时间不稳定，加上城市用地不断增多，可用来集中布置太阳能电池板的用地逐渐减少，分布式光伏发电的概念便提出了[2]。分布式光伏发电具有就近发电，就近使用的特点，能提高偏远地区人们的用电质量，也能减少电能在传输途中的损耗。目前建筑耗能在总耗能中比例较大，光伏与建筑的结合发展潜力巨大，对于建筑节能减排、保护环境具有重要的现实意义。屋顶光伏电站巧妙地将光伏发电系统建设在屋顶，不仅可以节约土地资源，还可以就地发电供人们使用，十分环保高效。

太阳能是天然可再生的免费资源，为了解决全球资源短缺的现状，本文通过对分布式光伏发电系统的背景进行介绍，对于当前光伏组件设备的类型与参数进行详细说明。首先对背景与光伏发电的优势进行简要说明;其次对光伏发电的组件串联方式与光伏组件的角度进行分析，同时对光伏逆变器与光伏电网的阵列排列方式进行选择;然后对于屋顶光伏发电系统进行整体的设计与布局优化。

2 研究方法

分布式屋顶光伏发电系统的整体设计包括:(1)根据光伏组件的分类及功能选择适合本项目的光伏组件;(2)依照效率转换指标、MPPT(Maximum Power Point Tracking)指标以及可靠性指标选择适合的逆变器，以便将光伏组件产生的直流电经过逆变后转换成负载所需的交流电;(3)光伏组件的倾角设计，如何铺装，以及光伏阵列的运行方式选择;(4)方阵接线方案的设计。

2.1 设备类型及参数

光伏组件是太阳能发电的核心组成部分，光伏组件可以直接将光能转换成电能，根据材料组分可以划分为晶体硅组件和薄膜组件[3]，其中晶体硅组件又分为多晶硅组件和单晶硅组件。光伏组件材料对比见表1。

表1 光伏组件材料对比

逆变器在光伏发电系统中起着极其重要的作用，只有通过逆变器才能将光伏阵列输出的直流电转化为交流电送入电网[4]。逆变器根据输入光伏方阵的数量及输出相数，可分为集中型逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器三种。组串式逆变器具有防护等级高，能够直接与电池板相连，不需要经过直流汇流箱，输出电压范围宽，能够直接介入本地电网的优点，目前应用较为广泛。

光伏组件的运行方式可以分为三种，即固定式、单轴跟踪式和双轴跟踪式。相较于其他两种方式，固定式的发电量略低，但其成本低，分布集中，维护方便。

2.2 光伏组件串联设计

《光伏发电站设计规范》中规定了组串数量的范围，其计算公式如下:

式中:N表示光伏组件的串联数量;Vdcmax、Vmpptmin、Vmpptmax分别表示逆变器允许的最大直流出入电压(V)、MPPT 的最小电压值(V)、MPPT 的最大电压值(V);Voc和Vpm分别表示光伏组件的开路电压(V)和工作电压(V);KV、K'V分别表示光伏组件的开路电压温度系数和工作电压温度系数;和分别表示光伏组件工作条件下的极限最高温度(℃)和最低温度(℃);Pdc和Poc分别表示逆变器的输出功率(W)和光伏组件的最大输出功率(W)。

2.3 光伏组件角度及间距

为了使光伏发电系统达到最大效率，需要调整光伏组件的安装角度。采用专业光伏软件PVsyst 软件，结合当地的气候气象因子及太阳辐射量对屋顶光伏系统的倾角设计进行计算。为了使光伏方阵不会受到组件及阴影的影响，光伏方阵间要设置一定的间距。其计算公式如下:

式中:D表示相邻光伏方阵的间距;L表示倾斜面的长度;β表示光伏组件的倾角;φ表示当地的纬度。

2.4 光伏逆变器的选择

对于光伏利用数据进行分析，可以看出光伏利用效率最高的时间为正午14 时左右，系统最大装机容量按照总容量的70%进行计算，对于区域光伏发电站，白天最大出力按照总装机容量的75%进行计算。作为光伏发电系统中的关键设备，光伏逆变器具有直流交互与交流变换的功能，可以最大程度上避免系统故障，充分发挥太阳电池的发电性能，可以促进发电系统电力转换效率的提升。在光伏逆变器的主流配置型式中，根据逆变器的单机容量的不同，光伏发电站应用的主流逆变器主要分为组串式与一体化集中式，其中一体化集中式主要是通过若干光伏组串的并行串联，将组串集中至逆变器的主流输入端，通过使用转换控制器来改善产出电能的质量。同时，由于组串式逆变器具有多路MPPT 的功能，系统可以根据不同光伏组件的工作状态进行输出电压的灵活调整。该类型逆变器由于体积小，对于电路网络的控制可以更加精细，因此可以获得更多的输出电力资源，目前市场上多采用组串式逆变器的形式进行光伏阵列的排列。

2.5 光伏阵列运行方式选择与优化

在光伏系统的设计过程中，光伏组件的选择与光伏阵列的排列方式将直接影响光伏发电系统的发电与运行水平。目前对于光伏系统方针支架的排列方式根据结构与运行方式的不同，主要分为固定式、单轴跟踪式与双轴跟踪式等几种类型。固定式是目前安装技术最为成熟的方式，通过最佳倾斜角度将太阳能电池固定在地面上，安装成本相对较低。单轴跟踪式通常采取平行于地轴的东西横向，通过一种跟踪方式进行太阳能的提取。双轴跟踪式通过旋转两个轴承进行太阳方位角与高度角的跟踪，保证光伏阵列表明始终与太阳光线照射方向垂直。此外，由于斜单轴与双轴跟踪的形式占地面积较大，过高的投资成本使得系统的稳定性不够高。本文研究综合比较了固定式与跟踪式等多种光伏阵列排列形式，以支架系统运行维护成本及系统运行可靠性为评价指标，综合比较场地适宜性与后期投资成本后，决定选择固定式运行方式作为光伏阵列的主要排列方式。

3 屋顶光伏发电系统设计

3.1 选址概况

冠德科技(柬埔寨)3.4 MWp 光伏电站工程直流侧总装机容量为3.429 MWp，站址位于柬埔寨茶胶省境内，海拔为15 m，项目总用地面积为 29985 m2。项目利用闲置用地开发建设光伏电站，发电量全部自用。本研究结合PVsyst 软件中的Meteonorm7.2 数据，输入项目地的经纬度，得到项目所在地的各月份的太阳日平均辐射量及日平均温度，发现当地的太阳日平均辐射量为3.9 kW·h/(m2·d)～6.7 kW·h/(m2·d)，日平均气温为15℃～34.2℃，二者均在六月份达到最大，其太阳能源充足，可以建设光伏发电站。本项目设计的分布式屋顶光伏发电系统的主要特点是自发自用，即通过太阳能电池板转化得到的电量直接用于本项目的日常用电中，并且采用分布式并网光伏发电系统设置双向流通电流，便于向电网送电和取电。

3.2 设备的选择

结合当地的实际情况及占地面积等综合因素，本项目选择使用450 Wp(2094×1038×35 mm)的多晶硅光伏组件。其具体参数为:最大功率为450 Wp，开路电压为49.6 V，短路电流为11.58 A，最大功率电压为41.4 V。最大功率电流为10.87 A。由于本项目建筑分布较为集中，因此基于高转换率，高MPPT 跟踪，以及可靠性强的目标，本文选用80 kW 组串式逆变器。其具体参数为:最大直流输入功率104 kW，最大直流出入电压DC1100 V，MPPT工作电压为200 V-1000/600 V。

本次设计的光伏发电站的发电总容量为3.36 MW，采用如下设计方案。具体结构见图1。

图1 屋顶光伏发电系统结构

结合当地的气象和经济条件，共选择7620 块450 Wp 的多晶硅光伏组件为了方便工作人员检修，结合公式(4)，每个光伏阵列南北距离6 m，东西距离0.5 m。根据距离远近，每8或9 或10 或11 为一个单元，距离远的为8 或9，距离近的为10 或11，接入39 台逆变器，共配置4 台AC 汇电箱，光伏阵列产生的电能通过电缆连接，输出后并入当地380 V 电网。

4 结论

本文对3.4 MW 屋顶光伏发电系统进行了研究设计，发现采用450 Wp 的多晶硅光伏组件及80 kW 的组串式逆变器对光伏方阵进行固定式分布运行时，适合该地光伏方阵的倾角为8°，方位角为9°，南北距离6 m，东西距离0.5 m。本文利用自然清洁能源为缓解地区的能源紧缺问题，解决电力供需问题，改善电网结构有一定的理论指导意义，并为当地的光伏发电事业起着积极的推动和示范，能改善当地的经济状况，实现社会-经济效益共同进步，有重要意义。