分布式光伏项目的设计优化方案解析
针对欧派清远基地屋顶光伏项目场地租金较高、光伏综合电价较低的特点进行了研究，对全生命周期光伏电站设计进行了一系列创新优化，既增加了光伏装机容量，又提高了项目资本金内部收益率，达到了降本增效的目的，值得推广和借鉴。
引言
屋顶分布式光伏项目既能提供绿色能源，又能降低用电成本，同时，业主将屋顶租赁给投资方，也可获得租金收益。随着光伏项目竞争的白热化，屋顶资源日益稀缺，屋顶租金成本越来越高，用电折扣越来越大，使得屋顶光伏项目投资成本越来越高，收益率降低。因此，利用先进技术，开展全生命周期的精细化设计，降低电站建设成本，提高项目收益率，成为非常值得思考与研究的问题。
项目优化前情况
本项目位于广东省清远市石角镇广清产业园欧派集团清远基地标准化厂房屋面，屋面类型均为混凝土屋面，在已建成的一期a～e栋厂房，二期f栋、h栋、i栋、j栋厂房屋面建设分布式光伏电站，采用“自发自用，余电上网”模式，符合国家产业政策。设计之初，项目存在以下问题：
（1）屋顶租金较贵。女儿墙高4 m左右，9个屋面有效面积合计约14.4万m2，年租金10元/m2，屋顶租金总计144万元/年。
（2）电价优惠力度较大，光伏的综合电价较低，为0.498元/kw·h（含税）。光伏电站自发自用消纳比例高达95%。
（3）根据《光伏发电站设计规范》（gb 50797—2012），经计算，最大辐射量倾角为17°，对应的光伏方阵前后阵列间距为6.3 m，项目有效面积14.4万m2，初步设计光伏装机容量仅为12 mw。
（4）项目资本金内部收益率较低，仅为4%，达不到资本金内部收益率7%的项目投资门槛要求。
2
太阳能资源
为更合理地评估本项目太阳能资源，将nasa、meteonorm、pvgis数据进行比较，如表1、图1所示。
nasa数据为高空气象卫星观测数据，辐射量值通常较大，在靠海、山区及有大型水体的区域，传感器的准确度较差，因此不推荐选用；pvgis数据不能客观反映项目场址区域月辐射量变化规律，且水平面年总辐射量值高于其他数据，因此不推荐选用；meteonorm数据通过场址周边气象观测站数据经插值算法推算项目场址多年平均各月的辐射量，能相对客观地反映项目场址辐射量水平。因此，本项目以meteonorm的数据1 225 kw·h/m2作为本阶段设计依据。
3
设计优化
针对以上问题，对该全生命周期光伏电站设计进行一系列创新优化，降本增效。
3.1
优化光伏阵列间距布置和安装倾角，优化容量设计
利用行业权威软件pvsyst对光伏阵列进行阴影建模仿真，得到不同倾角下的倾斜面有效辐照量数据并进行比较，其中不同倾角下的近阴影遮挡损失对比如图2所示，不同倾角下的斜面有效辐照对比如图3所示。
由图2、图3可见，在前后阵列间距保持不变的情况下，减小光伏方阵倾角，近阴影遮挡损失逐步降低，斜面有效辐照逐步增加，在11°倾角时达到最高值，而后开始逐步减小。
本项目屋顶租赁价格昂贵、电价较低，导致项目收益率受影响。因此，优化设计时打破了传统的设计思路，通过考虑部分组件的阴影遮挡，倾角、间距的适宜性调整等创新的设计理念，采用多元化的发电量模型、经济模型等进行对比，选择最优方案。
通过优化设计，最终采用减小前后阵列间距（前后阵列间距由6.3 m减小至4.8 m）、降低光伏组件安装角度（从17°减小至5°）的方法提高屋面利用率，从而将装机容量从12 mw提高到17.74 mw，采用39 928块450 wp单晶硅光伏组件。
经分析，采用5°倾角顺屋面布置，考虑斜面提升系数1.016，ha=1 244 kw·h/（m2·a）。综合效率系数k取81%，则首年发电小时数为1 005 h。优化后装机容量大幅增加，每年发电量增加516万kw·h，25年发电量增加12 900万kw·h；每年增加收入234万元，25年增加收入5 850万元。减小阵列倾角，不仅提高了光伏系统发电量，还减少了支架及基础用量，提高了抗台风性能。
3.2
提高项目容配比，有效节省20%的逆变器成本
文献[1]指出，在屋顶面积一定的条件下，直流侧最大装机容量固定时，提高容配比的方法即减少逆变器台数，使每台逆变器接入更多的光伏组件，同时箱式变压器的台数、交流电缆的用量均可减少，可降低工程造价。但是过高的容配比会使逆变器产生过载损失，导致光伏电站的发电量减少。故对光伏组件的串、并联数量设计进行优化。
3.2.1 串联数量设计优化
为了使逆变器的转换效率达到最佳值，必须根据逆变器的参数将光伏组件进行串、并联。每个并联支路的光伏组件串联数量主要受逆变器最大功率跟踪电压范围的限制，光伏组串的最佳工作点电压必须在逆变器的最大功率跟踪电压范围内；而总的并联支路数受逆变器最大输入功率限制，光伏组件阵列的功率不能超过逆变器最大输入功率。
根据《光伏发电站设计规范》（gb 50797—2012），光伏方阵中，同一电池组件串中各电池组件的电性能参数宜保持一致，电池组件串的组件数应按下列公式计算：
式中：n为电池组件的串联数（取整）；vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压（v）；voc为电池组件的开路电压（v）；t为电池组件工作条件下的极限低温（℃）；kv为电池组件的开路电压温度系数；vmpptmax为逆变器mppt电压最大值（v）；vmpptmin为逆变器mppt电压最小值（v）；vpm为电池组件的工作电压（v）；t’为电池组件工作条件下的极限高温（℃）；kv’为电池组件的工作电压温度系数。
经计算，本项目电池组件串中的组件数为16≤n≤28.14。结合光伏单方阵双层竖向排布的方案，组串中的组件数设计为28。
3.2.2 并联数量设计优化
按照上述光伏组件的串联数，结合电站的布置和逆变器的额定功率，并兼顾系统损失等因素，同时考虑到场址区域太阳辐照度大于1 000 w/m2出现的频率相对较低，也可考虑适当增加与逆变器匹配的光伏组件总容量，本工程175 kw逆变器最多可并联路数为18路。
因此，光伏组件每28块串联成为一路光伏组串，每18路光伏组串并联接入1台175 kw组串式逆变器，光伏系统配置如表2所示。如此，将容配比从1提高至1.252，逆变器数量则由102台减少至81台。
3.3
优化设计直流系统，单瓦造价降低约0.15元
用具有明显经济优势的1 500 v系统代替1 000 v系统。1 500 v系统通过增加串联光伏组件块数、减少并联电路数量、减少接线盒及线缆数量，来降低成本；同时，电压提高后，线缆损耗也进一步降低。
3.4
优化升压站设计，采用预装式10 kv开关站降低成本
项目采用10 kv电压等级接入电网，分为3个接入点并网，每个并网点采用一套预装式10 kv开关站。10 kv开关站由电气一次、二次预制舱组成，放置在厂房周边的空地。相比常规升压站，预装式10 kv开关站占地减少45%，土建、安装工作量减少80%，投资成本减少约10%。
3.5
将电池组件的放置由横向排布改成竖向排布，降低10%的施工成本
文献[2]提出了光伏阵列排布设计的方法，组件横向放置，有利于减少阴影遮挡造成的发电量损失，但施工难度较大，工期较长，施工成本增加；组件竖向放置，虽然因阴影遮挡会造成部分发电量损失，但施工难度较小，工期短，施工成本低。结合以往组件安装经验，本项目光伏组件布置推荐采用竖向双排排布、块与块间距预留20 mm、顺屋面布置的方案。
3.6
配置最佳逆变器
单台逆变器容量越大，单位造价相对越低，转换效率也越高。考虑施工便捷性、系统发电量、光伏组件与逆变器的匹配性等，选用单机功率较大的175 kw组串式逆变器。
3.7
定制化设计组件间距，避开阴影
屋顶存在女儿墙、建筑、屋面设备等，通过天正建筑软件、pvsyst进行阴影模拟分析，避开阴影，并计算出每一块不同屋顶面积情况所适应的最佳组件间距，提高发电效率。
4
设计优化后效果
通过一系列精细化优化设计后，项目规模由12 mw增加到17.74 mw，降低了项目造价成本，提高了收益，效果显著。按照文献[3]提出的内部收益率（irr）和投资回收期的计算方法，项目的财务指标如表3所示，该项目可研报告资本金内部收益率由4%提高到了7.17%，满足公司基准收益率要求，最终成功建设、并网投产。项目并网后的航拍图如图4所示。
5
结语
本项目通过一系列精细化的优化设计，采用缩小光伏阵列间距、优化光伏板安装倾角的方式，项目规模由12 mw增加到17.74 mw，通过提高项目容配比，采用具有明显经济优势的1 500 v系统，采用预装式10 kv开关站，将电池组件的放置由横向排布改成竖向排布，定制化设计组件间距等方式，降低了工程造价成本，有效提高了系统发电量。在可研总投资7 210.8万元时，该项目可研报告资本金内部收益率为7.17%。实际上，该项目最终发生的总投资不到6 300万元，因此项目的实际资本金内部收益率为9%，远远好于可研报告收益率。可见，该项目降本增效效果显著，具有较大的经济效益，值得在行业全面推广。
参考文献
reference documents
陆炜，田介花，潘少峰.双面组件光伏电站最优容配比的研究[j].太阳能，2021（2）：44-52.
王东，张增辉，江祥华.分布式光伏电站设计、建设与运维[m].北京：化学工业出版社，2018.
刘燕.技术经济学[m].成都：电子科技大学出版社，2007.
CH334、CH335USB2.0Hub芯片简单说明
关于运放的轨到轨输入
总投资20.21亿元！京东方拟建设越南整机二期项目
VoLTE技术 让我们的声音不那么杂乱不堪
苹果8充电爆裂!步三星note7后尘?iPhone8紧急跳水价,五千不到即可买到
分布式光伏项目的设计优化方案解析
英特尔ONP和OPNFV的组件介绍
纳米银导电笔点亮一带一路
基于多核DSP DM8168处理器的大数据量高速视频采集及压缩的实现方案
LOC11X线性光耦合器的应用
模块化UPS电源的分布结构
滞回比较器和方波发生器原理讲解
存储芯片行业内存毛利率空前上涨 终结持续两年市场供应紧俏状况
中国手机品牌成功进入俄罗斯市场，实力“圈粉”
光电与RFID 物流机器人总体结构设计
深度解析PCB喷锡与PCB化锡的区别
Zigbee技术物理信道的访问和设置建议
蓝牙艾灸宝承传统养生精髓，启现代艾灸新时代
指纹锁活体识别定义及优势特点
两种方法给你的硬盘“扩容”
引言
屋顶分布式光伏项目既能提供绿色能源，又能降低用电成本，同时，业主将屋顶租赁给投资方，也可获得租金收益。随着光伏项目竞争的白热化，屋顶资源日益稀缺，屋顶租金成本越来越高，用电折扣越来越大，使得屋顶光伏项目投资成本越来越高，收益率降低。因此，利用先进技术，开展全生命周期的精细化设计，降低电站建设成本，提高项目收益率，成为非常值得思考与研究的问题。
项目优化前情况
本项目位于广东省清远市石角镇广清产业园欧派集团清远基地标准化厂房屋面，屋面类型均为混凝土屋面，在已建成的一期a～e栋厂房，二期f栋、h栋、i栋、j栋厂房屋面建设分布式光伏电站，采用“自发自用，余电上网”模式，符合国家产业政策。设计之初，项目存在以下问题：
（1）屋顶租金较贵。女儿墙高4 m左右，9个屋面有效面积合计约14.4万m2，年租金10元/m2，屋顶租金总计144万元/年。
（2）电价优惠力度较大，光伏的综合电价较低，为0.498元/kw·h（含税）。光伏电站自发自用消纳比例高达95%。
（3）根据《光伏发电站设计规范》（gb 50797—2012），经计算，最大辐射量倾角为17°，对应的光伏方阵前后阵列间距为6.3 m，项目有效面积14.4万m2，初步设计光伏装机容量仅为12 mw。
（4）项目资本金内部收益率较低，仅为4%，达不到资本金内部收益率7%的项目投资门槛要求。
2
太阳能资源
为更合理地评估本项目太阳能资源，将nasa、meteonorm、pvgis数据进行比较，如表1、图1所示。
nasa数据为高空气象卫星观测数据，辐射量值通常较大，在靠海、山区及有大型水体的区域，传感器的准确度较差，因此不推荐选用；pvgis数据不能客观反映项目场址区域月辐射量变化规律，且水平面年总辐射量值高于其他数据，因此不推荐选用；meteonorm数据通过场址周边气象观测站数据经插值算法推算项目场址多年平均各月的辐射量，能相对客观地反映项目场址辐射量水平。因此，本项目以meteonorm的数据1 225 kw·h/m2作为本阶段设计依据。
3
设计优化
针对以上问题，对该全生命周期光伏电站设计进行一系列创新优化，降本增效。
3.1
优化光伏阵列间距布置和安装倾角，优化容量设计
利用行业权威软件pvsyst对光伏阵列进行阴影建模仿真，得到不同倾角下的倾斜面有效辐照量数据并进行比较，其中不同倾角下的近阴影遮挡损失对比如图2所示，不同倾角下的斜面有效辐照对比如图3所示。
由图2、图3可见，在前后阵列间距保持不变的情况下，减小光伏方阵倾角，近阴影遮挡损失逐步降低，斜面有效辐照逐步增加，在11°倾角时达到最高值，而后开始逐步减小。
本项目屋顶租赁价格昂贵、电价较低，导致项目收益率受影响。因此，优化设计时打破了传统的设计思路，通过考虑部分组件的阴影遮挡，倾角、间距的适宜性调整等创新的设计理念，采用多元化的发电量模型、经济模型等进行对比，选择最优方案。
通过优化设计，最终采用减小前后阵列间距（前后阵列间距由6.3 m减小至4.8 m）、降低光伏组件安装角度（从17°减小至5°）的方法提高屋面利用率，从而将装机容量从12 mw提高到17.74 mw，采用39 928块450 wp单晶硅光伏组件。
经分析，采用5°倾角顺屋面布置，考虑斜面提升系数1.016，ha=1 244 kw·h/（m2·a）。综合效率系数k取81%，则首年发电小时数为1 005 h。优化后装机容量大幅增加，每年发电量增加516万kw·h，25年发电量增加12 900万kw·h；每年增加收入234万元，25年增加收入5 850万元。减小阵列倾角，不仅提高了光伏系统发电量，还减少了支架及基础用量，提高了抗台风性能。
3.2
提高项目容配比，有效节省20%的逆变器成本
文献[1]指出，在屋顶面积一定的条件下，直流侧最大装机容量固定时，提高容配比的方法即减少逆变器台数，使每台逆变器接入更多的光伏组件，同时箱式变压器的台数、交流电缆的用量均可减少，可降低工程造价。但是过高的容配比会使逆变器产生过载损失，导致光伏电站的发电量减少。故对光伏组件的串、并联数量设计进行优化。
3.2.1 串联数量设计优化
为了使逆变器的转换效率达到最佳值，必须根据逆变器的参数将光伏组件进行串、并联。每个并联支路的光伏组件串联数量主要受逆变器最大功率跟踪电压范围的限制，光伏组串的最佳工作点电压必须在逆变器的最大功率跟踪电压范围内；而总的并联支路数受逆变器最大输入功率限制，光伏组件阵列的功率不能超过逆变器最大输入功率。
根据《光伏发电站设计规范》（gb 50797—2012），光伏方阵中，同一电池组件串中各电池组件的电性能参数宜保持一致，电池组件串的组件数应按下列公式计算：
式中：n为电池组件的串联数（取整）；vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压（v）；voc为电池组件的开路电压（v）；t为电池组件工作条件下的极限低温（℃）；kv为电池组件的开路电压温度系数；vmpptmax为逆变器mppt电压最大值（v）；vmpptmin为逆变器mppt电压最小值（v）；vpm为电池组件的工作电压（v）；t’为电池组件工作条件下的极限高温（℃）；kv’为电池组件的工作电压温度系数。
经计算，本项目电池组件串中的组件数为16≤n≤28.14。结合光伏单方阵双层竖向排布的方案，组串中的组件数设计为28。
3.2.2 并联数量设计优化
按照上述光伏组件的串联数，结合电站的布置和逆变器的额定功率，并兼顾系统损失等因素，同时考虑到场址区域太阳辐照度大于1 000 w/m2出现的频率相对较低，也可考虑适当增加与逆变器匹配的光伏组件总容量，本工程175 kw逆变器最多可并联路数为18路。
因此，光伏组件每28块串联成为一路光伏组串，每18路光伏组串并联接入1台175 kw组串式逆变器，光伏系统配置如表2所示。如此，将容配比从1提高至1.252，逆变器数量则由102台减少至81台。
3.3
优化设计直流系统，单瓦造价降低约0.15元
用具有明显经济优势的1 500 v系统代替1 000 v系统。1 500 v系统通过增加串联光伏组件块数、减少并联电路数量、减少接线盒及线缆数量，来降低成本；同时，电压提高后，线缆损耗也进一步降低。
3.4
优化升压站设计，采用预装式10 kv开关站降低成本
项目采用10 kv电压等级接入电网，分为3个接入点并网，每个并网点采用一套预装式10 kv开关站。10 kv开关站由电气一次、二次预制舱组成，放置在厂房周边的空地。相比常规升压站，预装式10 kv开关站占地减少45%，土建、安装工作量减少80%，投资成本减少约10%。
3.5
将电池组件的放置由横向排布改成竖向排布，降低10%的施工成本
文献[2]提出了光伏阵列排布设计的方法，组件横向放置，有利于减少阴影遮挡造成的发电量损失，但施工难度较大，工期较长，施工成本增加；组件竖向放置，虽然因阴影遮挡会造成部分发电量损失，但施工难度较小，工期短，施工成本低。结合以往组件安装经验，本项目光伏组件布置推荐采用竖向双排排布、块与块间距预留20 mm、顺屋面布置的方案。
3.6
配置最佳逆变器
单台逆变器容量越大，单位造价相对越低，转换效率也越高。考虑施工便捷性、系统发电量、光伏组件与逆变器的匹配性等，选用单机功率较大的175 kw组串式逆变器。
3.7
定制化设计组件间距，避开阴影
屋顶存在女儿墙、建筑、屋面设备等，通过天正建筑软件、pvsyst进行阴影模拟分析，避开阴影，并计算出每一块不同屋顶面积情况所适应的最佳组件间距，提高发电效率。
4
设计优化后效果
通过一系列精细化优化设计后，项目规模由12 mw增加到17.74 mw，降低了项目造价成本，提高了收益，效果显著。按照文献[3]提出的内部收益率（irr）和投资回收期的计算方法，项目的财务指标如表3所示，该项目可研报告资本金内部收益率由4%提高到了7.17%，满足公司基准收益率要求，最终成功建设、并网投产。项目并网后的航拍图如图4所示。
5
结语
本项目通过一系列精细化的优化设计，采用缩小光伏阵列间距、优化光伏板安装倾角的方式，项目规模由12 mw增加到17.74 mw，通过提高项目容配比，采用具有明显经济优势的1 500 v系统，采用预装式10 kv开关站，将电池组件的放置由横向排布改成竖向排布，定制化设计组件间距等方式，降低了工程造价成本，有效提高了系统发电量。在可研总投资7 210.8万元时，该项目可研报告资本金内部收益率为7.17%。实际上，该项目最终发生的总投资不到6 300万元，因此项目的实际资本金内部收益率为9%，远远好于可研报告收益率。可见，该项目降本增效效果显著，具有较大的经济效益，值得在行业全面推广。
参考文献
reference documents
陆炜，田介花，潘少峰.双面组件光伏电站最优容配比的研究[j].太阳能，2021（2）：44-52.
王东，张增辉，江祥华.分布式光伏电站设计、建设与运维[m].北京：化学工业出版社，2018.
刘燕.技术经济学[m].成都：电子科技大学出版社，2007.
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