基于PVsyst的太陽能電池布置設(shè)計(jì)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14344基于PVsyst的太陽能電池布置設(shè)計(jì)分析概述 149191.1PVsyst軟件介紹 167221.2基于PVsyst的太陽能電池布置設(shè)計(jì) 1190221.2.1居住建筑地點(diǎn)設(shè)定 1322161.2.2太陽能電池系統(tǒng)布置設(shè)計(jì) 378351.2.3初始設(shè)計(jì)仿真結(jié)果及分析 4140401.3陰影遮擋與系統(tǒng)效率分析 7144651.3.1遠(yuǎn)方遮擋 7262651.3.2近場(chǎng)遮擋 10195901.3.3系統(tǒng)效率 14281131.4光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析 14在分析完太陽能電發(fā)電過程中用到的關(guān)鍵技術(shù)、明確影響太陽能電池發(fā)電量的主要因素之后，運(yùn)用PVsyst軟件對(duì)宿舍樓建筑模型進(jìn)行搭建選址并初步研究陰影遮擋對(duì)太陽能電池發(fā)電量的影響。1.1PVsyst軟件介紹PVsyst是一套應(yīng)用廣泛的光伏系統(tǒng)仿真軟件，主要用來對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析影響發(fā)電量的各種因素并最終計(jì)算得出光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，可應(yīng)用于并網(wǎng)系統(tǒng)、離網(wǎng)系統(tǒng)、水泵、直流系統(tǒng)、儲(chǔ)能等，軟件內(nèi)部有豐富的氣象資源庫、光伏組件和逆變器數(shù)據(jù)庫及定量輔助分析工具等。PVsyst軟件可模擬不同類型的光伏系統(tǒng)，如地面電站、屋頂電站、農(nóng)光互補(bǔ)、跟蹤支架等，計(jì)算系統(tǒng)發(fā)電量、系統(tǒng)效率PR和發(fā)電損耗，輔助光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[34]。1.2基于PVsyst的太陽能電池布置設(shè)計(jì)1.2.1居住建筑地點(diǎn)設(shè)定首先選取建筑物所在的地理位置為天津市，確定建筑所在地區(qū)的氣象、太陽資源以及光伏板的大體傾角等，如圖1.1所示：圖1.1地理位置的選取在選取地理位置后，可查看建筑物所在的經(jīng)緯度以及海拔高度，如圖1.2所示：地點(diǎn)名稱為天津，緯度為北緯39.1°，經(jīng)度為東經(jīng)117.17°，海拔高度為5m。圖1.2地理位置詳圖建立基本的建筑模型，輸入建筑物的長(zhǎng)寬高，確頂建筑物的體積大小及其形狀，具體如圖1.3所示：圖1.3基本模型1.2.2太陽能電池系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)樓頂?shù)墓夥鍟r(shí)，需要設(shè)置一個(gè)斜體的屋頂面，一方面是可以鋪設(shè)光伏板，另一方面是為了添加輻射接收面，其中需要注意，屋頂?shù)拿娣e理論上不能小于建筑物頂部的面積，為了覆蓋全面，一般設(shè)置屋頂?shù)拿娣e略微大于光伏板的面積，而輻射接受面的面積略小于屋頂?shù)拿娣e，所以在布置過程中，定義光伏屋頂?shù)膶挒?6米，頂部長(zhǎng)為61米，傾斜角度為45°，輻射接收面寬為10米，長(zhǎng)為59米，數(shù)量為一塊，角度為45°。為了與建筑的模型相匹配，設(shè)置光伏板的傾角為45°，方位角為南偏東70°。如圖1.4所示：圖1.4光伏板的傾角和朝向按照前面章節(jié)的預(yù)算，設(shè)置光伏板面積為300平米，型號(hào)選擇110Wp，29V的光伏電池。在光伏組件的規(guī)格設(shè)置完之后，下方會(huì)自動(dòng)生成逆變器的數(shù)據(jù)，保證逆變器與太陽能電池二者的系統(tǒng)相匹配。如圖1.5所示：圖1.5光伏板型號(hào)與面積的選擇光伏板選定以后，對(duì)其進(jìn)行布置，其主要為角度和擺放，考慮到天津市建筑和街道特點(diǎn)，取建筑朝向?yàn)槟掀?0°，最終建立的模型如圖1.6所示：圖1.6建筑模型1.2.3初始設(shè)計(jì)仿真結(jié)果及分析在經(jīng)過模型的建立和光伏板的定型之后，進(jìn)行初步仿真，得到的結(jié)果如圖1.7所示：第一部分為仿真參數(shù)，包含項(xiàng)目地點(diǎn)、光伏組件的型號(hào)和裝機(jī)容量等；第二部分為計(jì)算結(jié)果，如圖所示年發(fā)電量為31.2Mwh，平均日等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)為2.33小時(shí)，每千瓦的發(fā)電量為852Kwh/Kw，系統(tǒng)效率為82.7%。圖1.7仿真界面散點(diǎn)圖表示每天的上網(wǎng)電量和當(dāng)天方陣斜面總輻射量的關(guān)系，橫坐標(biāo)為一天內(nèi)的方陣斜面日總輻射量，縱坐標(biāo)為上網(wǎng)電量，在圖中可以看出上網(wǎng)電量和輻射量基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，且當(dāng)光伏方陣吸收300Kw輻照度時(shí)，并網(wǎng)電量為30Kwh，表明光伏板效率在10%左右，但是當(dāng)輻照量過高，曲線會(huì)趨于飽和平穩(wěn)，過載是還會(huì)導(dǎo)致某些點(diǎn)偏離曲線。點(diǎn)擊右側(cè)的Report按鈕，生成報(bào)告，可以查看其中的一些損耗，主要有相對(duì)透射率損失、遠(yuǎn)方遮擋損失、組件弱光損失、組件溫度損失、組件出場(chǎng)品質(zhì)損失、失配損失、直流線損、逆變器效率損失、逆變器過載損失、逆變器低載損失、過壓損失、低壓損失、集水損耗、近場(chǎng)遮擋損失等（以遮擋損失為主）。具體情況如圖1.8所示：圖1.8能量流圖一年中每個(gè)月的集水損耗、系統(tǒng)損耗和凈產(chǎn)量情況如下，系統(tǒng)損耗在任何時(shí)期都存在且每個(gè)月之間相差不多，而集水損耗則主要集中在降雨量較大的月份，在干旱少雨的冬季集水損耗相對(duì)較小，這也恰與生活常識(shí)相吻合。具體情況如圖1.9所示：圖1.9損耗及產(chǎn)量對(duì)比設(shè)定好參數(shù)以后，仿真出以上數(shù)據(jù)，包括年發(fā)電量和月發(fā)電量。通過結(jié)果可以看出在日照時(shí)間長(zhǎng)和強(qiáng)度大的5、6、7月份發(fā)電量最大，而在冬季的11、12、1月份發(fā)電量明顯下降，具體情況如圖1.10所示：圖1.10發(fā)電量情況1.3陰影遮擋與系統(tǒng)效率分析1.3.1遠(yuǎn)方遮擋由于遠(yuǎn)方遮擋的障礙物距離過遠(yuǎn)且體型較大，而且遠(yuǎn)方遮擋最主要的障礙物就是遠(yuǎn)處的山脈，所以在仿真中主要通過勾勒地平線來設(shè)置。導(dǎo)入軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)來定義遠(yuǎn)處的地平線情況，具體如圖1.11所示：圖1.11數(shù)據(jù)導(dǎo)入太陽軌跡圖的橫坐標(biāo)為方位角，縱坐標(biāo)為高度角，圖中的地平線曲線（紅色線條）由一組由不同太陽高度角和太陽方位角的點(diǎn)所組成，可以看到地平線出現(xiàn)了高低起伏的情況，此時(shí)遠(yuǎn)方遮擋設(shè)定完成，具體如圖1.12所示：圖1.12太陽軌跡圖設(shè)置完遠(yuǎn)方遮擋以后，再次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，此時(shí)系統(tǒng)的發(fā)電量和系統(tǒng)效率都略微下降，在能量流圖中，我們可以明顯看到圖中多了一項(xiàng)遠(yuǎn)方遮擋，即遠(yuǎn)方遮擋使系統(tǒng)的能量產(chǎn)生了損耗，但影響不大，在1.25%左右。具體情況如圖1.13和1.14所示：圖1.13加入遠(yuǎn)方遮擋后的仿真界面圖1.14加入遠(yuǎn)方遮擋后的能量流圖1.3.2近場(chǎng)遮擋近場(chǎng)遮擋不需要對(duì)地平線進(jìn)行設(shè)置，只需在建筑物周圍加一些其他的可以影響光伏板發(fā)電的障礙物，如樹木和其他建筑物等。結(jié)合宿舍樓情況，主要障礙物為樹木和南方的東一宿舍樓以及東方的東五宿舍樓。其中建筑的大小與東三宿舍樓相同。樹木的一些參數(shù)如下圖1.15所示：圖1.15數(shù)木參數(shù)設(shè)置完樹的參數(shù)后，將其擺放在恰當(dāng)?shù)奈恢?，在添加?xùn)|一和東五宿舍樓以及整體的角度偏移后，其建筑模型的全景圖和俯視圖如圖1.16和圖1.17所示：圖1.16全景圖圖1.17俯視圖從兩幅圖中可以看出樹木和建筑物位于光伏板所在建筑物的周圍，與實(shí)際情況大體相符，而輻射接收面也恰好略小于屋頂?shù)拿娣e，整個(gè)建筑位于方位為南偏東70°。此時(shí)進(jìn)行陰影模擬和動(dòng)畫。由于周圍建筑物和光伏板所在建筑等高，而大樹主要分布在西側(cè)，所以對(duì)與光伏板來講，基本沒有造成遮擋影響，線性損失也極小，僅有0.1%左右。具體如圖1.18所示：圖1.18近場(chǎng)遮擋損失模擬結(jié)果由于遮擋物不是很明顯，不妨給障礙物加大一些尺寸，以便于更好地看出近處遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)的影響，將前方的建筑物高度增加一倍，再進(jìn)行仿真，此時(shí)可以很明顯地看出陰影遮擋的現(xiàn)象，從太陽升起（到達(dá)一定高度）之時(shí)，輻射接受面從左側(cè)開始被遮擋，在下午兩點(diǎn)左右達(dá)到最大遮擋面積，之后又開始衰減，直到日落，遮擋過程貫穿全天，且線性損耗高達(dá)60%。結(jié)果如圖1.19和圖1.20所示：圖1.19近場(chǎng)遮擋損失模擬（過程）圖1.20近場(chǎng)遮擋損失模擬（過程）在加入近場(chǎng)遮擋以后，可以看到發(fā)電量下降明顯，有一部分仿真點(diǎn)甚至已經(jīng)偏離，系統(tǒng)出現(xiàn)了過載的情況，系統(tǒng)效率更是下降至65.6%。仿真結(jié)果如圖1.21所示：圖1.21仿真結(jié)果（近場(chǎng)遮擋后）再次點(diǎn)擊右側(cè)的報(bào)告，查看能量流圖，發(fā)現(xiàn)能量流圖中又多了一項(xiàng)近處遮擋，由于前方障礙物遮擋較為嚴(yán)重，近場(chǎng)遮擋造成的損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)處遮擋，高達(dá)19%，如圖1.22所示：圖1.22能量流圖（近場(chǎng)遮擋后）1.3.3系統(tǒng)效率系統(tǒng)效率PR是指光伏系統(tǒng)自身內(nèi)部的效率，但在光伏組件定性定量之后，它又與外界因素有關(guān)，在1.1.1和1.1.2中可以看出遮擋對(duì)系統(tǒng)效率影響較為明顯，下面是系統(tǒng)效率的有關(guān)參數(shù)和計(jì)算公式：=--（1.1）=（1.2）PR=/（1.3）式中，為峰值日照小時(shí)數(shù)，為光伏方陣日照小時(shí)數(shù)，為輸送到電網(wǎng)的滿發(fā)小時(shí)數(shù)，為方陣吸收損失，為系統(tǒng)損失[35]。1.4光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析一般的光伏建筑系統(tǒng)僅僅由離網(wǎng)的光伏系統(tǒng)供電不足以支撐整個(gè)建筑的能耗，因此大多數(shù)安裝在建筑上的太陽能電池系統(tǒng)都采用并網(wǎng)形式。為了更好地了解并網(wǎng)系統(tǒng)與離網(wǎng)系統(tǒng)的區(qū)別，離網(wǎng)系統(tǒng)地仿真界面和并網(wǎng)系統(tǒng)地仿真界面分別如圖1.23和圖1.24所示：圖1.23獨(dú)立光伏系統(tǒng)圖1.24并網(wǎng)光伏系統(tǒng)如圖1.24所示，并網(wǎng)系統(tǒng)包括光伏板設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、詳細(xì)損耗、地平線設(shè)置、近場(chǎng)遮擋等。用戶需求為離網(wǎng)系統(tǒng)特有參數(shù)，這是由于整個(gè)系統(tǒng)的電量均來源于光伏系統(tǒng)，所以光伏系統(tǒng)的規(guī)模要滿足用戶的