胡魁琦
中国中元国际工程有限公司 100089
【摘要】随着分布式光伏电站的普及，越来越多的项目中利用建筑屋顶安装光伏发电设备，如何有效利用建筑屋顶资源，使光伏发电充分发挥效益，是设计屋顶光伏项目时应首要考虑的问题。本文对比同一建筑屋顶不同安装方位角的方案，对不同方位角方案的安装容量及发电量等进行对比，分析不同安装方位角下的项目效果。
【关键词】分布式；光伏发电；建筑屋顶；组件方位角；发电量
1分布式光伏发电系统的特点
分布式光伏电站通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的发电系统，它一般接入低于35kV或更低电压等级的电网。其采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能。目前应用最为广泛的分布式光伏电站系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目通常就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。分布式光伏电站与传统的集中式光伏发电相比，有线路传输损耗小、占地面积小和运行灵活等优势。
2分布式光伏电站设计分析
由于常规正南向建筑屋顶，光伏组件通常采用与建筑同向布置，在保证光伏发电效率的同时，提高了屋顶利用率，但当建筑非正南向时，光伏组件可采用不同安装方位角，受组件排布影响，系统安装容量有明显区别，同时其发电效率也随之变化。因此，分布式光伏电站的建设成本、项目收益与光伏组件安装方位角具有直接关系。
下面根据某一个具体的分布式光伏电站，不同方位角的设计方案来分析说明组件安装方位角与项目发电量及收益的关系。
3光伏电站基本条件
本项目办公楼所处位置为北京地区，太阳能资源丰富，多年平均总辐射为 5049MJ/m2。根据我国太阳能资源区划标准，该地区接近II 类“很丰富带”，适合开展光伏电站的建设。
北京气象站实测年的总辐射呈现出明显的日变化趋势，从6:00（北京时间）开始出现一定强度的太阳辐射，在中午13:00 的时候太阳辐射强度达到最大值，而后开始逐渐的减弱。一天中太阳辐射强度较大的时段主要集中在中午前后的10:00 到15:00。
本项目为办公楼，屋顶面积约2300m2，因存在其他构筑物，实际可用面积约1200m2，建筑方位角为230°，光伏系统采用单晶415Wp电池组件，发电并网，自发自用，安装单位平均电价：1元/kWh。
5方位角选择及排布方案
经过计算该组件串联数为18，因屋顶空间有限，为提高空间利用率，选择10度倾角安装。
1）光伏组件方向与建筑同向布置方案
因建筑方位角为230°，因此光伏组件方位角同为230°，面向西南。考虑屋顶设备遮挡、组件前后间距并预留检修通道后，共可安装222块光伏组件，总装机规模共计92.13kWp。具体布置如图1所示。
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图1 光伏组件方向与建筑同向布置方案图
2）光伏组件方向正南向布置
光伏组件正南向布置时效率最高。因此按方位角180°，正南向布置，考虑屋顶设备遮挡、组件前后间距并预留检修通道后，共可安装200块光伏组件，总装机规模共计83.00kWp。具体布置如图2所示。
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图2 光伏组件方向正南向布置方案图
6发电量计算
确定了系统安装容量后，就要对发电量进行计算。光伏电站的年发电量会随着组件设备的老化而逐年递减，通常光伏系统寿命按25年计算，因此计算发电量应按照25年全寿命期进行逐年计算。年发电量的统计不仅要考虑装机容量，还要考虑安装地点的峰值日照时数、组件衰减，系统效率和遮挡等因素。为了简化说明，本文按照不同方位角下25年平均发电量进行分析。
根据PVSyst 光伏系统设计软件得出不同方位角下25年光伏电站的年均发电量如表1。
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表1 不同方位角25年年均发电量统计表
7效益分析
光伏电站的建设成本包括组件和其它电气设备的成本，一般的电站建设的成本在4~5 元/ 瓦，本文按照4.5元/瓦的建设成本考虑。
通过计算，采用西南向布置共计可节省园区用电电费约243.42万元，正南向布置可节省225.51万元。考虑到建设规模差别，综合计算后，西南向布置方案可比正南向布置方案节省费用13.80万元，见表2。
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通过表2 可以得出以下结论：
（1）组件安装在180°（正南向）的情况下，可以得到最高的发电效率，单位投入资金可以实现收益最大化；但此时安装容量较低。
（2）组件安装在于建筑同向的230°（西南向），可充分利用屋顶面积，相同面积安装的组件越多，同时发电量也随之上升。
（3）在屋顶面积有限的情况下，为了充分利用有限的资源条件，光伏发电系统并非简单的按照正南向安装即可，而是应该具体分析不同方位角安装条件下的装机容量及发电量，从而得到最合理的装机方案。
8结束语
根据分布式光伏电站设计方法，对同一安装地点、不同安装方位角的屋顶分布式光伏电站，进行安装容量、发电量、成本的研究可以发现，为获得最高的项目收益，不一定采用正南向方位角，而是需要结合屋顶条件，对不同方位角的光伏设计方案比对分析，方可最终确认设计方案，使有限的屋顶资源得到最好的利用，使项目收益最大化。
参考文献
[1] 谢彤. 光伏阵列倾角及方位角的最优化研究[J]. 计量学报, 2020, 41(1).
胡魁琦（1989，10），男，工程师，单位：中国中元国际工程有限公司，单位邮编：100089