屋頂分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行特性研究

房麗碩，呂 建，霍雨霞

（天津城建大學能源與安全工程學院，天津300384）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國能源需求呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，為緩解日趨嚴峻的能源壓力，可再生能源的開發(fā)與利用成為了有效的應對措施[1].在太陽能利用上，一種可靠、環(huán)保的新型應用形式——分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，逐漸成為各國科學工作者研究的熱點[2].“十三五”期間，國家能源局提出爭取在2020 年，全國范圍要在80%的新建屋頂安裝分布式光伏發(fā)電裝置[3].對于屋頂分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，它作為光伏建筑一體化的一種形式，很好地把建筑屋頂與光伏發(fā)電結合起來，既提高了屋頂?shù)睦寐剩职l(fā)揮了太陽能光電轉換的優(yōu)勢.

本文先研究天津地區(qū)不同方位光伏板傾斜面下對應的最佳傾角，再以某小區(qū)的屋頂分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，分析其實際的運行特性，為進一步推廣其應用提供參考.

1 模型介紹

1.1 傾斜面上太陽輻射量的計算模型

目前，常用Klein 和Theilacker 提出的模型來計算傾斜面上月平均太陽輻照量[4]，其計算方法為[5]

1.2 朝向赤道傾斜面上最佳傾角的確定

傾斜面上太陽輻射總量HT由直接太陽輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt和地面反射輻射量Hrt三部分組成[6]，可表示為下式

其中：Hb為水平面上的直接輻射量；Hd為水平面上的散射輻射量；H 為水平面上的總輻射量；Ho為水平面（大氣層外）上的太陽輻射量；Rb為傾斜面上的直接輻射量與水平面上的直接輻射量的比值.

式（2）經(jīng)過變換可得

對于一個確定的地點來說，其太陽輻射量的分項以及地面反射率均為常量，此處使HT對β 求導，并令

由式（4）即可確定對應于朝向赤道傾斜面上的最佳傾角.

1.3 偏離赤道傾斜面上的太陽輻射量計算

當偏離赤道傾斜面時，此時所接收到的太陽輻射量可采用Klein 推導[7]，后經(jīng)Anderson 修正[8]的方法[9-10]，其中

對式（5）中有關傾斜面上日出、日落時角的確定，其計算方法如下

如果γ＞0，式中：ωss括號內取+號；ωsr括號內取-號.γ＜0 則相反.

其中：n 為一年中的日期序號，從1 月1 日算起，其取值參照文獻[5].

需要說明的是，應用式（6）、（7）及對和的求解中，當δ=0 或γ=0 時，A 和B 均為無窮大，此時不能求解日出和日落角.而且γ 的正負不影響求出的結果.后來Bushnell[10]將傾斜面上日出和日落時角的計算公式改為

式中：a=sinδ（sinφ cosβ-cosφ sinβ cosγ）；

b=cosδ（cosφ cosβ+sinφ sinβ cosγ）；

2 計算結果分析

2.1 傾斜面上太陽輻射量的計算

2.1.1 朝向正南不同傾角下傾斜面上太陽輻射量的計算

由公式（3）即可求得朝向正南各傾角下的傾斜面上各月平均日輻射量，其結果如圖1 所示.公式（3）中有關水平面上的輻射量，可查閱《建筑用標準氣象數(shù)據(jù)手冊》[11]，按月份將每天對應的太陽輻射量加權求平均，即可求得水平面上各月平均日總輻射量.同理也可求出各月平均日的直射輻射量和散射輻射量.

圖1 朝向正南不同傾角下各月平均日太陽輻射量

從圖1 可以看出，對于能接收到的最大月平均日輻射量而言，不同傾角下的傾斜面所對應的月份各不相同.如傾角為0°時，對應最大平均日輻射量出現(xiàn)在5月；而傾角為50°和80°時，接收到最大平均日輻射量分別對應于4 月和2 月.這與全年太陽高度角的變化有較好的對應，夏季太陽高度角較大時，傾角越小接收到日輻射量越多；冬季太陽高度角較小時，傾角越大越有利于太陽輻射的接收.

對于某一固定的安裝傾角，在夏季5—7 月期間，月平均日輻射量會有一定程度的下降，原因是該時段雨水較多，因而影響了太陽輻射量的接收.從曲線的變化幅度來看，月平均日太陽輻射量變化的幅度隨傾角的增大而減小，如傾角為0°時，傾斜面全年接收到的輻射量的變化范圍是1.863～5.372 kW·h/m2·d，其變化幅度最大，呈現(xiàn)一個典型的中間高、兩端低的形狀；而傾角為80°時，全年各月平均日輻射量變化幅度最小，其范圍是2.579～3.562 kW·h/m2·d.因此為減弱傾角因素對發(fā)電量的影響，應盡可能選取較大的安裝傾角.

2.1.2 偏離正南各傾角下傾斜面上太陽輻射量的計算

由公式（5）可以計算出不同方位角和任意傾角情況下各月份平均日太陽輻射量.盡管不同月份接收到的太陽輻射量是有差異的，但由于方位角和安裝傾角的不同對輻射量的影響是相同的，因此本文選取8 月份為例，將其方位角和傾角均在0～90°變化的平均日輻射量計算結果統(tǒng)計在表1 中.

從表1 可以看出，當傾角為0°即光伏板水平放置時，其接收到的輻射量是恒定的，不受方位角改變的影響.當方位角一定時，傾斜面上接收到的平均日輻射量隨傾角的增大表現(xiàn)為先增加再減小的趨勢.對于某一固定的傾角，方位角為0°時接收到的平均日輻射量最大，而后其值隨著方位角的增大逐漸減小.

表1 天津地區(qū)8 月份全方位角、不同傾角傾斜面的平均日太陽輻射量kW·h/m2·d

2.2 光伏方陣的最佳傾角

2.2.1 朝向正南時最佳傾角的確定

朝向正南時，可由公式（4）確定各月份對應的最佳安裝傾角，結果如表2 所示.

表2 與各月份最大月平均日輻射量相對應的最佳傾角

2.2.2 偏離正南時最佳傾角的確定

在偏離正南方向的情況下，根據(jù)公式（5），按月份將在全方位角和不同傾角能獲得的平均日太陽輻射量進行求和，將其結果繪制于圖2 中.

圖2 偏離正南不同傾角所接收到的全年太陽輻射量

從圖2 可以看出，當方位角為0°時，即光伏方陣朝向正南時，對應全年獲得最大的太陽輻射量的最佳傾角為35°.當方位角介于0～10°，即偏離正南方位10°以內時，全年接收到的太陽輻射量幾乎相同，此時的最佳傾角可在30～33°范圍進行選擇；偏離正南超過20°時，對于某一固定的傾角，其方位角越大，所接收的太陽輻射量減小幅度也越大.分析每條曲線的變化可知，總有一段趨于水平的情況，即接收到的太陽輻射量變化很小.如方位角為20°時，全年太陽輻射量在25～30°的傾角范圍幾乎不變.由圖2 分析出不同方位區(qū)間對應的最佳傾角如表3 所示.

表3 方位角區(qū)間與對應的最佳傾角 （°）

綜上可知，為使得全年能接收到最大的太陽輻射量，最理想的情況是全部朝向正南，按35°傾角安裝；當偏離正南方向時，隨著方位角的增大，最佳傾角逐漸減小.

3 系統(tǒng)概況

3.1 地理環(huán)境

該系統(tǒng)位于天津中新生態(tài)城某小區(qū)售樓處屋頂.天津年平均日照時數(shù)為2 998.9 h，平均日照百分率為64.7%，年平均太陽能輻射總量為4 935 MJ/m2.

3.2 系統(tǒng)構成

3.2.1 屋面條件

該售樓處屋面坡度不一致，主要分為A、B 兩個區(qū)塊.其中，屋面A 面積約為140 m2，坡度為15°，其方位為南偏東20°；屋面B 面積約為80 m2，坡度為30°，其方位為南偏西30°.

3.2.2 光伏組件

由上文關于最佳傾角的計算可知，最佳光伏系統(tǒng)安裝方案是朝向正南，按35°傾角進行安裝.但考慮到這種方式需要建立相應的支架與基礎，這對屋面荷載及施工都提出了較高的要求，不宜采用.該系統(tǒng)的光伏組件選用按屋面自然方位和坡度這種較為普遍的安裝形式，由圖2 可知，此時也比較接近偏離正南時不同方位角對應的最佳傾角.

考慮到玻璃天窗與無動力風機占用一部分屋面面積，實際可安裝光伏板的面積約200 m2.屋面A、B擺放光伏板的面積分別為120 m2與72 m2.光伏板之間采用組串連接，每個發(fā)電單元由24 塊光伏板串聯(lián)而成，考慮到板與板之間的安裝間隙，該系統(tǒng)劃分為8個發(fā)電單元，外觀布置見圖3.

其光伏組件采用武漢日新科技有限公司生產(chǎn)的DBF150 單晶硅太陽能電池組件，該組件技術參數(shù)見表4.

圖3 售樓處屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)外觀

表4 型號DBF150 光伏電池板技術參數(shù)

3.2.3 并網(wǎng)概況

屋面A 共5 個發(fā)電單元，屋面B 共3 個單元.每兩個3 600 Wp 的發(fā)電單元共用一臺SMA 公司型號為SMC 7000 HV、額定功率為7 500 Wp 的并網(wǎng)逆變器，詳細信息統(tǒng)計見表5.

表5 30 kWp 分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器信息

4 實際運行情況分析

該分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配備了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測、記錄該系統(tǒng)運行的電力參數(shù)，包括累計發(fā)電量、當日發(fā)電量、累計發(fā)電時數(shù)、發(fā)電單元的直流和交流側的電流、電壓和功率等參數(shù).對系統(tǒng)2017 全年的運行數(shù)據(jù)進行分析，主要對其各月份實際發(fā)電量及每天各時刻光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力進行分析.

4.1 全年各月份的實際發(fā)電量分析

由上文所述的并網(wǎng)信息可知，逆變器No.77 與No.76 所連接的發(fā)電環(huán)路所含的光伏組件數(shù)量均為48個，且都位于屋面A 上，可認為兩環(huán)路的發(fā)電情況是一致的.因此，只統(tǒng)計逆變器No.76、No.69 與No.70 所連接發(fā)電單元各月輸出電量，如圖4 所示.

圖4 售樓處2017 年各月份實際發(fā)電量

從圖4 可以看出，在11 月至2 月日平均太陽輻射強度偏低的時期，No.76、No.69 和No.70 三臺逆變器的并網(wǎng)發(fā)電量差異在5%以內，說明此時發(fā)電單元之間因方位角與安裝傾角的不同給發(fā)電量帶來的影響較小.但在光照充足的5 月和6 月，三個光伏發(fā)電子系統(tǒng)在發(fā)電量上表現(xiàn)出較大的差異：在5 月份，No.76、No.69 和No.70 三臺逆變器的并網(wǎng)發(fā)電量分別為795，746，521 kW·h.其中，No.76 所連接的位于屋面A上的方位角-20°、傾角15°的發(fā)電子系統(tǒng)與No.70 所連接的位于屋面B 上的方位角30°、傾角30°的發(fā)電子系統(tǒng)在發(fā)電量上表現(xiàn)的差異達34%左右.綜上可得，全年在光照較強月份不同方位角與傾角的發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的電量的差異遠大于光照較弱的月份.

4.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)出力分析

為更好地了解各發(fā)電子系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，可以從各臺逆變器在一天當中輸出功率的變化入手，來進行進一步的分析，其具體變化如圖5 所示.

從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，每臺逆變器輸出功率在一天內的變化都經(jīng)歷三個階段.第一階段，隨著太陽輻射強度的增強，逆變器輸出功率也增大，在中午時刻達到最大值；第二階段，輸出功率在達到最大值之后有短暫的降低，原因是太陽光的持續(xù)照射使得光伏組件的溫度也隨環(huán)境溫度升高而上升，導致光電轉換效率有一定程度的下降；第三階段，下午時段逆變器輸出功率隨太陽輻射強度的下降而減小.

對全天三臺逆變器的輸出功率分析可知，在上午的時段，逆變器的輸出功率大小排序為：No.76＞No.69＞No.70.由于在該時段，No.76 與No.69 兩臺逆變器所連接的發(fā)電單元中有部分或全部朝向輻射強度較大的南偏東方向，而No.70 逆變器所連的發(fā)電子系統(tǒng)位于輻射強度較小的南偏西方位，且No.76 與No.69逆變器在輸出功率上的差異是在于后者只有1 個發(fā)電單元在南偏東方位.在輸出功率的增加速率方面，No.70 逆變器在多數(shù)時間明顯高于No.76 與No.69 兩臺逆變器，這表明在光電轉換量上，太陽輻射量中的直射輻射量轉換的電量較散射輻射量多；但在光電轉換速率上則剛好相反.在下午的時段，No.76 和No.69兩臺逆變器的輸出功率幾乎沒有差別，且No.70 逆變器的輸出功率與前兩者之間的差額比上午小很多.因為該時段散射輻射量的變化成為影響發(fā)電子系統(tǒng)輸出功率變化的主要因素，一定程度上減弱了因方位角與安裝傾角的不同而帶來的差異.

圖5 一天中逆變器輸出功率變化曲線

5 結論

（1）在天津地區(qū)，為使得分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量最大，其最佳的安裝方案為：光伏方陣朝向正南，按35°傾角安裝.當偏離正南時，最佳傾角隨所處方位角的增大而減小.

（2）就系統(tǒng)全年各月份的實際發(fā)電量而言，光伏發(fā)電子系統(tǒng)因方位角與安裝傾角的不同帶來的發(fā)電量差異，在光照較強的月份要比光照較弱的月份表現(xiàn)的更加明顯，最大差額可以達到34%.

（3）全天來看，逆變器輸出功率的變化基本反映了太陽輻射強度在一天內的變化情況.上午時段，太陽輻射量中的直射輻射轉換電量較散射輻射的部分大，但光電轉換速率較小.下午時段，發(fā)電量的改變主要在于太陽輻射量中散射輻射量占比的變化，同時也減弱了發(fā)電子系統(tǒng)之間因方位角和安裝傾角不同帶來的影響.