劉垚　周湘杰　陳嘉貴　黃靜

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；Smart Design；設(shè)計(jì)與仿真

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種清潔、可再生的能源利用方式。光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，是應(yīng)對(duì)氣候變化以及實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要手段之一。

為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)提出的力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[4]，我國(guó)將大力發(fā)展可再生能源，提升光伏發(fā)電比例。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委等九部門發(fā)布的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，到2030 年，非化石能源消費(fèi)占比達(dá)到25% 左右，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12 億kW 以上[5]。為了貫徹落實(shí)國(guó)家關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和的重大戰(zhàn)略決策部署，湖南省制定了《湖南省碳達(dá)峰實(shí)施方案》，大力促進(jìn)具備條件的風(fēng)電和光伏發(fā)電快速規(guī)?；l(fā)展，到2030 年，新能源發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到4 000 萬(wàn)kW 以上。

Smart Design 是華為技術(shù)有限公司將20 多年積累的數(shù)字信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與光伏技術(shù)進(jìn)行跨界融合，推出的智能光伏設(shè)計(jì)軟件。這是一款基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的光伏電站設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真分析，為工程建設(shè)提供參考。

本文以株洲市某高校圖書館屋頂建設(shè)工商業(yè)光伏電站項(xiàng)目為例，基于Smart Design 對(duì)校園光伏電站進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析，評(píng)估發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)貢獻(xiàn)等指標(biāo)。

1 項(xiàng)目選址

1.1 太陽(yáng)能資源評(píng)估

株洲市是湖南省重要的工業(yè)城市，也是我國(guó)光伏發(fā)電的潛在市場(chǎng)之一。根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的《中國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖》，株洲市的年平均日照時(shí)數(shù)為1 400 ～ 1 500 h，年平均太陽(yáng)總輻射量為4 200 ～ 4 500 MJ/m²，年平均太陽(yáng)能利用系數(shù)為0.4 ～ 0.5，屬于中等水平的太陽(yáng)能資源區(qū)域。本項(xiàng)目以株洲市某高校圖書館屋頂作為光伏電站設(shè)計(jì)和仿真研究的對(duì)象，其坐標(biāo)為北緯27.90°，東經(jīng)113.16°，海拔為76 m。該建筑物高為20 m，屋頂?shù)拈L(zhǎng)約為50 m，寬約為35 m，面積約為1 750 m2，且屋頂空曠無(wú)遮擋，有利于光伏電站的正常工作。

1.2 氣象參數(shù)

Smart Design 可通過(guò)衛(wèi)星定位，自動(dòng)搜索附近的氣象站，本項(xiàng)目使用的氣象站是Zhuzhou CH（湖南株洲氣象站），與圖書館的距離為8.3 km。本文氣象數(shù)據(jù)的來(lái)源為Meteonorm（一款氣象數(shù)據(jù)查看軟件），獲取的1991 —2000 年株洲市氣象數(shù)據(jù)包括月水平面總輻射量、月水平面直接輻射量、月水平面散射輻射量、月最高氣溫、月最低氣溫（表1）。

2 校園光伏電站模型設(shè)計(jì)

2.1 建筑物3D 建模

通過(guò)輸入坐標(biāo)，選取圖書館及周邊區(qū)域的2D平面，使用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)區(qū)域的選擇，生成3D 模型。該模型長(zhǎng)約為50 m，寬約為35 m，面積約為1 750 m2。建筑物3D 模型如圖1 所示。

2.2 光伏板排布

光伏板排布需要對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行光伏板的選擇和設(shè)置。本文采用的光伏板是隆基綠能科技股份有限公司的LR5-72HBD-540，其單塊面板的峰值功率為540 Wp，符合當(dāng)前主流的安裝功率。光伏板具體參數(shù)如表2 所示。

設(shè)置光伏板首先需要選擇固定支架，縱向排列，方位角為0°，方陣傾斜角為19°。光伏方陣前后間距示意圖如圖2 所示。

光伏方陣的一列是由單個(gè)光伏面板橫向串聯(lián)而成，因此光伏方陣寬度與光伏板長(zhǎng)度一致。已知光伏板長(zhǎng)度（方陣寬度）為2 278 mm，當(dāng)?shù)氐木暥葹楸本?7.90°，方陣行間距計(jì)算公式如下：

2.3 電氣設(shè)計(jì)

當(dāng)進(jìn)行電氣配置時(shí)，設(shè)定的超配比（光伏組件總?cè)萘颗c總的光伏逆變器額定有功功率容量的比值）目標(biāo)值為110%，配置華為優(yōu)化器MERC-1100W-P 共147 個(gè)，用于提高光伏組件發(fā)電效率和穩(wěn)定性。優(yōu)化器MERC-1100W-P 具體參數(shù)如表3所示。

并網(wǎng)電壓為220 V/380 V， 功率因數(shù)為1.0。利用軟件中的組串規(guī)劃功能進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，配備1 臺(tái)SUN2000-40KTL-M3 和2 臺(tái)SUN2000-50KTLZHM3逆變器，保證電路的正常發(fā)電與并網(wǎng)，逆變器參數(shù)如表4 所示。

光伏電站電氣連接示意圖如圖4 所示，3 臺(tái)逆變器各控制4 個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum powerpoint tracking，MPPT）控制器，共配置147 個(gè)優(yōu)化器，連接293 塊光伏板，光伏電站電氣連接具體參數(shù)如表5 所示。

3 仿真分析

3.1 發(fā)電量預(yù)測(cè)

在不考慮損失的理想情況下，本次仿真設(shè)計(jì)的校園光伏電站容量為158.22 kW，年發(fā)電量為153 722.72 kW·h， 光伏電站月度發(fā)電量如圖5所示。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

設(shè)定光伏電站初裝成本價(jià)格單價(jià)為3 元/W，初裝的光伏設(shè)備包括光伏板、逆變器、優(yōu)化器、線纜、支架等，每年的運(yùn)維成本取市場(chǎng)價(jià)格（0.07 元/W），電價(jià)設(shè)置參照湖南省電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)平均單價(jià)[0.609 元/（kW·h）]。仿真結(jié)果顯示，光伏電站運(yùn)行25 年的累計(jì)凈利潤(rùn)約為211 萬(wàn)元，成本約為75 萬(wàn)元，投資回收期為4.76 年，投資收益率為178.59%。

3.3 社會(huì)貢獻(xiàn)評(píng)估

仿真設(shè)計(jì)軟件的結(jié)果顯示，在25 年的全生命周期內(nèi)，二氧化碳減排量為73 018 t，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為61 489 080 t。

4 結(jié)論

通過(guò)使用Smart Design 光伏設(shè)計(jì)軟件，對(duì)某高校圖書館屋頂進(jìn)行了工商業(yè)電站設(shè)計(jì)和仿真研究，對(duì)發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）株洲市的固定支架最佳傾角為19°，本次使用的豎直放置光伏組件方陣凈間距為1.26 m。

（2）本光伏電站容量為158.22 kW，并網(wǎng)電壓為220 V/380 V， 共使用293 塊隆基綠能LR5-72HBD-540 光伏板、147 個(gè)MERC-1100W-P 功率優(yōu)化器、1 臺(tái)SUN2000-40KTL-M3 和2 臺(tái)SUN2000-50KTL-ZHM3 逆變器。

（3）預(yù)計(jì)光伏電站年發(fā)電量為153 722.72 kW·h，運(yùn)行25 年的累計(jì)凈利潤(rùn)約為211 萬(wàn)元，成本約為75 萬(wàn)元，投資回收期為4.76 年，投資收益率為178.59%，二氧化碳減排量為73 018 t。本次設(shè)計(jì)仿真的項(xiàng)目對(duì)工程建設(shè)具有一定的參考意義。