光伏组件水平倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。这就会对光伏方阵对发电量的产生明显的影响。有了上列各项数据，就可以计算不同组件安装方式情况下，光伏组件总功率所需安装面积。......
2023-07-02
屋顶光伏方阵的优化设计建议
【摘要】：一般在住宅安装太阳能光伏发电系统的场合，多数在屋顶安装太阳能电池，屋顶是住宅中耐久性及设计上最重要的部位，在太阳能电池阵列的安装设计、施工时要注意这点。对于系统设计，首先以事先调查为基础，根据住宅屋顶状况进行太阳能电池阵列的安装设计；其次，选择符合安装设计的太阳能电池组件，计算出阵列的发电量；最后，根据阵列的发电量选择其他设备。
一般在住宅安装太阳能光伏发电系统的场合，多数在屋顶安装太阳能电池，屋顶是住宅中耐久性及设计上最重要的部位，在太阳能电池阵列的安装设计、施工时要注意这点。
图3-15 从设计到施工的流程
3.3.9.1 从设计到施工的流程
在住宅安装太阳能光伏发电系统时，首先要仔细听取用户的要求，其次对安装环境和住宅的结构等进行充分考察，在此基础上进行设计。设计与施工单位和住宅建设单位在设计各方面最终要达成一致意见后，要取得用户的认可（签订合同）。施工时应按照施工图纸施工，但是新建的房屋要与住宅建设工程的进程边协调边完成太阳能光伏发电系统的安装为好。还有，留有充裕的时间办理各种手续也是很重要的。标准程序如图3-15所示。
3.3.9.2 事前调查（现场调查）
住宅屋顶的形状、材料及工艺千差万别，这些是对住宅的设计、耐久性影响很大的因素。因而，在住宅的屋顶安装太阳能电池阵列的场合，不管房屋是新建的还是已建的，在计划的初期应对安装条件仔细研究。现场调查时，安装施工单位要了解的事项见表3-2所列。研究时，最好邀请该房屋的建设单位一起讨论，必要时结合建筑图纸讨论。
表3-2 调 查 事 项
图3-16 设计步骤
3.3.9.3 设计流程
设计住宅用的太阳能光伏发电系统时的标准步骤如图3-16所示。对于系统设计，首先以事先调查为基础，根据住宅屋顶状况进行太阳能电池阵列的安装设计；其次，选择符合安装设计的太阳能电池组件，计算出阵列的发电量；最后，根据阵列的发电量选择其他设备。下面对太阳能电池阵列的安装设计和阵列的发电量的计算加以叙述。
1.太阳能电池阵列的安装设计
（1）屋顶的形状、方位及倾斜角。
住宅的屋顶形状有山墙形、四坡屋顶形等多种（图3-17）。
住宅的方位（安装的方位）正南方向为最理想，实际上也有偏东西方向的场合。正南（方位角0°）方向的日照量的差别也给太阳能电池的倾斜角产生影响，东南和西南（方位角45°）的场合，发电量降低10%，正东、正西（方位角90°）的场合降低20%。倾斜角越小，与正南的差别越小。再与东西向相比，一般东向得到的日照量多。这种现象是因为午后比午前有云的情况较多。以正南方向的发电量为100，其他朝向的发电量均有不同程度的减少（图3-18）。
图3-17 各种屋顶形状
图3-18 太阳能电池阵列不同朝向的相对发电量
屋顶的倾斜角一般为15°～45°，这在太阳能电池阵列的最佳倾斜度（年累计日照量最大的倾斜角通常比安装场所的纬度稍稍小一点）的±15°范围内，用这种范围的倾斜角得到的年累计日照量最佳值相差最大为10%以下。
方位、倾斜角对于安装场所来说都存在一个最佳值。但是，在屋顶上安装太阳能电池的场合，按照这种方位、倾斜角制造安装支架，不仅增加支架的成本和重量，同时增加对房子的负担，而且设计难度也增大。
综合考虑这些因素，安装时与屋顶平行安装的方式比较合适。因此在设计系统时，首先要明确要安装的屋顶条件。
（2）太阳能电池组件的配置。
图3-19 太阳能电池组件的配置
根据屋顶形状，并考虑必要的发电量和周围环境，确定太阳能电池组件的配置（图3-19）。在确定配置方案之前，为了与系统的输入电压相匹配，应先确定组件串联个数。配置时要事先考虑好后续的电气接线容易且出错少，还有维修保养容易。
（3）阵列安装方式的选择。
首先，确定太阳能电池的安装场所；其次，选择太阳能电池组件的固定方式。在屋顶上安装太阳能电池的方式见表3-3所列，大体有两种：①屋顶直接放置型；②屋顶建材型。选择哪一种方式要根据用户的要求、屋顶的形状等决定。
表3-3 太阳能电池在屋顶上的安装方式
图3-20 太阳能光伏发电系统设计步骤
2.发电量的计算
作为独立电源用的太阳能光伏发电系统（PV系统）的设计，以从所需电量（负载消耗的电量）计算出太阳能电池容量作为标准方法，设计步骤见图3-20。但是，在并网系统的场合，发电电量和所使用的电量之间没有相互限制关系，因此由安装场地（面积）决定系统容量的场合较多。所以，首先充分估计出太阳能电池安装场地面积，然后计算出太阳能电池的容量，在此基础上进行系统的整体设计。下面先介绍标准的设计方法，接着结合具体实例介绍计算方法。太阳能电池容量和负载消耗电量之间的关系可用下式表示：
式中
P AS——标准状态（AM1.5，日照强度为1000W/m2，太阳能电池单元温度为25℃）下太阳能电池阵列的输出功率，kW；
H A——某一时期电池阵列所得到的日照量，kW/（m2·期间）；
G S——标准状态下的日照强度，kW/m2；
E L——某一时期的负载消耗电量（所需电量），kW·h/期间；
D——负载对太阳能光伏发电系统的依存率=1-（备用电源电力的依存率）；
R——设计冗余系数（推算的日照量等受安装环境影响的补正）；
K——综合设计系数（对太阳能电池组件输出偏差的补正，包括线路损失及设备损失等）。
如前面所述的那样，在住宅等处安装太阳能电池阵列的场合受安装面积所限制，因此从安装面积可以算出太阳能电池的容量，再使用上式可以算出期望的发电量。在式（3-6）中把消费电能E L用1天的期望发电量E P（kWh/日）代替，并设标准形态下的日照强度G S为1kW/m2，依存率D和设计冗余系数R皆为1，则式（3-6）变为下式：
式中，若已知安装场地的日照量H A，标准太阳能电池阵列的输出功率P AS以及综合设计因数K，就可以计算出期望发电量。
（1）发电量计算实例。
1）倾斜住宅屋顶的场合。
【例3-1】 假想在个人屋顶上进行PV系统设计。作为研究的屋顶有山墙（朝南方向45m2）和四坡屋顶（梯形，西南28m2，东面和西面各19m2），作为计算前提假定以下条件：①正南屋顶倾斜角为30°；②日照数据取当地的各月平均值；③太阳能电池组件：标称最大输出功率102W，标称最大输出工作电压34V，尺寸885mm×990mm；④系统直流侧输入电压200V；⑤系统交流侧输出电压210V/105V，单相三线制。
解：太阳能电池阵列的输出电压要和系统直流侧输入电压一致，由此确定组件的串联数：
取整数6，所以串联数为6，这一组件串的输出功率为612W，输出电压为204V。从屋顶面操作的安全性考虑，有的厂商采用小型太阳能电池组件串联8个或12个。
首先考虑山墙的场合，从安装面积来看可以并联安装5组，得到标准太阳能电池阵列的输出功率为3kW。屋顶上安装的假想图如图3-21（a）所示。其次考虑太阳能电池阵列可以供给多少发电量。由表3-4，可以查到1月份阵列面的日照量为3.93kW/（m2·d），取综合设计系数0.65，根据式（3-7）计算得1月份日发电量为：
E P=H A×K×P AS=3×0.65×3.93=7.7kWh/d
图3-21 太阳能电池在屋顶上的假想安装图（单位：mm）
（a）山墙的场合；（b）四坡屋顶的场合
同样的方法，如表3-4所示，推导得到各月的平均的发电量，这里的综合设计系数，因为夏季（5—9月）和冬季比较由于温度上升而输出功率下降比较大，所以夏季取为0.60，冬季取为0.65。还有这里的平均发电量估算，没有考虑周围建筑物和树木的情况，预计这些阴影也会影响太阳能电池组件的发电量，所以有必要考虑。
另外，四坡屋顶的屋顶形状为梯形，所以在一面屋顶最多并联安装2组。因此忽视输出功率的一些下降，在东向、西向的屋顶也安装太阳能电池，可以得到标准太阳能电池阵列输出功率为2.4kW。四坡屋顶上安装的假想图如图3-21（b）所示。如果将太阳能电池东西向安装，那么它的输出比正南方向降低20%左右。在这个例子中1/2的太阳能电池被东西向分开安装，因此实际的最大总输出功率估计在2.2kW左右。
表3-4 某地太阳能光伏发电系统的可供给的发电量
2）地面或平屋顶住宅的场合。
【例3-2】 假定在平坦的地面上和平屋顶上安装太阳能电池阵列的设计。安装标准太阳能电池阵列输出功率为10kW的太阳能电池阵列时，作为计算前提假定如下条件：①正南方向，倾斜角为30°（30°左右年发电量最大，但实际上20°的情况较多）；②日照数据使用某地各月平均值（见表3-4）；③太阳能电池组件：标称最大输出功率50W，标称最大输出工作电压17.5V，尺寸400mm×1000mm；④支架间隔：保证在冬至的午前9时至午后3时期间，后面的阵列对前方的阵列不形成阴影；⑤系统直流侧输入电压为300V。
解：首先，为了将直流回路电压调至DC300V，求出组件串内的太阳能电池组件的串联数：
取整数18，所以串联数为18个。该组件串的输出功率为900W，输出电压为315V。总输出功率为10kW，所以要并联12个组件串，即太阳能电池组件为18×12=216个，标准太阳能电池阵列的输出功率为10.8kW。
在太阳能电池阵列上安装电池组件的方法很多，但是要从维修保养方便考虑，如图3-22所示高约1700mm为好。关于太阳能电池阵列之间的距离，在下一个学习任务中介绍。
图3-22 在地面或平顶屋安装太阳能电池方阵的假想图
（2）太阳能电池阵列的变换效率η。
标准状态下的太阳能电池阵列的变换效率η，可用式（3-8）表示，这里A代表太阳能电池阵列的面积。
太阳能电池单元和太阳能电池组件的变换效率同样用式（3-8）4计算，因多数场合为简单起见称为变换效率，但研究时应区别对待。一般这些变换效率之间有如下关系：
太阳能电池单元的η＞太阳能电池组件的η＞太阳能电池阵列的η
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