基于PVsyst软件对合肥地区光伏建筑一体化最优角度设计.pdf

收稿日期:作者简介:吴 疆()男安徽铜陵人硕士生文章编号:()基于 软件对合肥地区光伏建筑一体化最优角度设计吴 疆(合肥学院 城市建设与交通学院安徽 合肥)摘要:当前国家大力推行建筑光伏一体化设计助力碳达峰碳中和目标的实现 为了提升单位建筑面积光伏使用效率本文以合肥地区为例利用 软件对建筑光伏组件应用中平面光伏组件和立面光伏组件进行仿真研究通过对比不同角度设计下光伏组件的太阳能光照辐射量和单位发电量得到平面安装光伏组件最佳设计角度为方位角 倾斜角 立面安装光伏组件最佳方位角度为南偏西 最后对比最优设计角度与无角度设计光伏组件的光照辐射和发电量数据发现最优角度设计能提高平面光伏组件 的发电量提高立面组件 的发电量关键词:光伏组件倾斜角度方位角度仿真实验中图分类号:.文献标志码:由于中国经济水平的不断提升人数的日益增多所需建筑物的需求也在日益扩大进而带动了我国建筑能耗的提高 通过参考一些发达国家的经验可以看出社会终端总能耗中有 的比例为建筑能源消耗建筑节能减排对我国整体减排工作有着重大意义我们迫切需求一种能有效减低建筑能耗的方法 对此党中央、国务院于 年 月发布了关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见其中重点提出要充分利用非化石能源建立清洁低碳高效的能源体系在实际应用中即使是在同一地点不同倾角接收的太阳辐射量差别很大所以为了获得更多的太阳辐射量研究最佳倾斜角度和最佳方位角度具有重要意义 在研究太阳能光伏电池板设计角度的问题上杨记鑫等人使用 软件搭建 模型对家用光伏发电系统进行优化设计得到的家庭发电系统相关数据对其他方向研究具有一定指导意义商佳棋等人以吉林建筑科技学院科研楼为研究对象通过使用 软件模拟研究对象在应用光伏组件时可以通过改变光伏组件的倾角和工作环境达到系统优化 提出一种方法来确定太阳能电池板安装在特定位置时的最佳倾斜角度使太阳能电池板的发电量达到最大 根据全球各个地区的太阳辐射量计算出适合全球的最佳年倾斜角度函数本文以合肥地区气象特征为环境特征对建筑一体化中立面安装光伏组件和竖向安装光伏组件的最佳设计角度进行研究给出了两种系统最佳倾斜角和最佳方位角度的设计策略 最后设计立面安装和竖向安装方向对比实验通过仿真得到月平均光照辐射数据和发电量数据验证实验得到最佳设计角度的有效性 实验设计.软件简介 是一款对光伏系统发电量进行模拟计算指导光伏系统设计的辅助软件 可以对太阳能光伏系统从各个角度进行设计包括系统的设计地点环境参数、太阳能光伏板的角度设计、以及太阳能系统的型号选择等方面通过全面具体设计达到仿真效果 软件具有多种功能来辅第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .助操作者对光伏系统种类可以选择并网型、独立型、光伏水泵等系统对光伏组件设计时不仅可以选择数据库内不同型号还可以通过调整光伏组件的固定方式、光伏组件安装的倾斜角、行距、方位角等光伏组件设计同时软件内部自带了阴影分析工具通过构建光伏系统建筑物的三维模型对遮阴影响进行评估还可以对遮阴时间和遮阴比例进行计算对建立好的光伏系统模型不仅可以模拟出系统发电量还可以得到系统的发电效率便于对比得到最优设计.环境因素设定本文以合肥学院南艳湖校区 栋教学楼(.)为测试点在 软件中输入该坐标点并在软件气象数据库内导出对应的地理气象数据得出实验设计地点实验地点数据如表 所示表 合肥南艳湖校区气象数据水平面总辐射量/(/)水平面散射辐射量/(/)温度/风速/(/)相对湿度/()月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.年.边界条件设计影响光伏组件运行的因素不仅有设计角度还包括光伏系统中各个组件的选型由于本文仅仅考虑角度因素故对其他组件选项仅需保持统一 不考虑不同设计角度情况下阴影的影响即设计为无遮挡 对于光伏组件的选择根据 软件自带数据库中选择 多晶硅光伏组件该光伏组件的具体性能参数如表 所示表 太阳能光伏组件主要参数材料最大功率/最大工作电压/开路电压/最大工作电流/短路电流/组件转换效率/()尺寸结构/单晶硅.仿真实验计算.立面安装光伏组件最佳设计角度实验使用 软件对光伏系统进行设计通过模拟对比出太阳能电池板安装的最佳方位角和倾斜角设计角度 软件具体操作功能界面如图 所示 以光照辐射量作为衡量光伏系统设计优劣条件时首先固定光伏组件安装方位角角度为正南方向通过改变安装倾斜角角度得到不同设计情况下光伏组件的光照辐射量数据如表 所示 通过对实验数据分析可以得出方位角恒为 时本文测试地点设计光伏组件的最优倾斜角角度为 在 软件上设置倾斜角恒定为测试在不同方位角情况下的光照辐射量最终得到最优方位角范围 通过 软件模拟得到不同方位角情况下光照辐射量如表 所示图 软件模拟设计角度设置界面 兰州工业学院学报 第 卷表 不同倾斜角设计下立面光伏组件光照辐射量方位角/()倾斜角/()采光面总辐射量/(/).表 倾斜角 和 光伏组件在不同方位角设计下辐射量方位角/()倾斜角 采光面总辐射量/(/)倾斜角 采光面总辐射量/(/).通过分析表 仿真实验所得到的实验结果可以判断当光伏组件设置倾斜角为 时最优方位角范围为 即南偏西 在该设计下的光伏组件采光面所受到的辐射量最大辐射量值达到./在 软件上设置上述设备参数并通过 软件优化设计串联组件数为并联组串数为 光伏组件面积为 对于立面光伏设计角度进行研究首先固定方位角为 通过改变倾斜角角度模拟不同情况下光伏组件发电量得出不同设计角度发电量如表 所示 由表 实验结果可以看出当方位角恒定设计为 时倾斜角为 时光伏组件的发电量最大最大值为 ./表 不同倾斜角设计下立面光伏组件发电量方位角/()倾斜角/()并网电量/(/).设计倾斜角固定为 和 通过修改方位角数值模拟不同设计角度下光伏组件发电量得出不同方位角情况下发电量情况如表 所示通过分析表 仿真实验数据可以得出在固定最佳倾斜角为 和 时通过对比不同方位角设计下光伏组件并网发电量光伏组件的最优倾斜角设计范围为 最优方位角设计范围为综合上述立面安装光伏组件设计角度实验结果得到立面安装光伏组件设计最佳倾斜角为最佳方位角为南偏西 第 期 吴 疆:基于 软件对合肥地区光伏建筑一体化最优角度设计表 倾斜角 和 光伏组件在不同方位角设计下发电量方位角/()倾斜角 光伏组件发电量/(/)倾斜角 光伏组件发电量/(/).竖向安装光伏组件最佳设计角实验根据竖向安装光伏组件的实际使用情况固定倾斜角角度设计为 即垂直于水平地面 在 软件内固定倾斜角为 后通过改变方位角角度得到不同设计情况下全平均太阳辐射量得到数据如表 所示 由表 实验数据可以看出在进行竖向安装光伏组件设计时方位角为 即正南方向的光伏组件受到的太阳能光照辐射量并不是最大值当方位角为 即南偏西 时光伏组件受到的太阳能辐射量最大最大值为./从太阳辐射量角度看竖向安装光伏组件最佳方位角为南偏西 在 软件上设置与立面安装光伏组件相同的光伏组件和逆变器设置倾斜角度恒定为通过改变方位角角度得到不同对比实验并得出相应发电量数据不同方位角设计情况下光伏组件发电量数据如表 所示 从表 实验结果可以看出当方位角设计为即南偏西 时仿真实验得到的发电量最大值为./即从发电量角度来看竖向安装光伏组件最佳方位角为南偏西 表 不同方位角设计竖向光伏组件光照辐射量倾斜角/()方位角/()采光面总辐射量/(/).表 不同方位角情况下竖向光伏组件发电量倾斜角/()方位角/()并网电量/(/).兰州工业学院学报 第 卷 结合上述实验结果可以看出方位角为南偏西时竖向安装光伏组件受到的太阳辐射量最大但此时竖向安装光伏组件单位发电量并不是最大值 当方位角设计为南偏西 时竖向安装光伏组件单位发电量最大 从竖向安装光伏组件投入使用角度看选择竖向安装光伏组件最佳设计方位角为南偏西 最优设计角度仿真实验分析为了验证本文得到的光伏组件最优设计角度是必要的设计 组对比仿真实验 其中方案 为立面光伏组件最优设计角度方位角 倾斜角 方案 为立面光伏组件设计对比方案方位角 倾斜角 方案 为竖向光伏组件最优设计角度方位角 倾斜角 方案 为竖向光伏组件设计对比方案方位角 倾斜角 通过 组对比仿真实验月平均太阳光照辐射量和发电量数据来判断角度调整的必要性 将上述角度数据设置于 软件通过仿真得到不同方案设计情况下的光伏组件月平均辐射量和发电量数据 将上述实验数据采用曲线方式表现效果如图 所示可以看出太阳光照辐射量的曲线变化形式与光伏发电量变化形式基本相同对于立面光伏组件在 月和 月最佳设计角度的太阳光照辐射量和发电量均大于水平面设计的立面安装光伏组件 在 月时水平面设计立面安装光伏组件的太阳光照辐射量和发电量略大于最佳设计角度这是由于水平面设计更符合该段时间的设计角度 从整体的曲线波动情况来看最佳设计角度的光照辐射获取量和发电量较水平设计更趋于均衡整体变化幅度较小从竖向安装光伏组件角度设计来看在 月中最佳设计角度的太阳光照辐射量和发电量均大于正南方向设计的竖向安装光伏组件 在 月和 月时正南方向设计的竖向安装光伏组件的太阳光辐射量和发电量要大于最佳角度设计从图 和 可以看出整体波动情况很大但最佳角度设计的竖向安装光伏组件的波动水平比正南方向设计变化幅度更小 在 月太阳辐射量和发电量达到最低点在 月时达到最高点原因是竖向安装光伏组件倾斜角固定为 受到太阳光照角度的影响程度较大 月份时太阳直射北回归线从而导致此时的光照辐射量和发电量最低图 立面光伏组件 种设计方案月平均光照辐射量对比图 立面光伏组件 种设计方案月平均发电量对比图 竖向光伏组件 种设计方案月平均光照辐射量对比图 竖向光伏组件 种设计方案月平均发电量对比第 期 吴 疆:基于 软件对合肥地区光伏建筑一体化最优角度设计 通过上述实验及数据可以看出本文研究得到的最佳设计角度从太阳光照辐射量和发电量均大于普通平面设计的立面光伏组件和正南方向设计的竖向光伏组件 从发电量角度来看立面光伏组件效率提升约 竖向光伏组件效率提升约 以本文得到的最佳设计角度来设计建筑应用光伏组件发电的效率更高更稳定 结论)通过 软件对立面光伏组件角度设计进行仿真实验以太阳能光照辐射量和发电量作为判断因素得到立面光伏组件最佳设计方位角为倾斜角)通过 软件对竖向光伏组件进行仿真实验以太阳能光照辐射量和发电量作为判断因素得到竖向光伏组件最佳设计角度为方位角倾斜角)合肥地区光伏建筑一体化系统每年不同月份的发电情况不同对于立面光伏组件 月的发电量较高而其他月份的发电量较低而竖向光伏组件每年 月、月的发电量较高其他月份的发电量较低与立面光伏组件数据变化相反 在实际设计中可以根据此变化趋势做出调整参考文献:刘菁赵静云.基于系统动力学的建筑碳排放预测研究.科技管理研究():.杨记鑫胡伟霞赵杰.基于 的家用并网光伏系统优化研究.电工技术():.商佳棋杨旭陈颖等.基于 的既有建筑光伏一体化系统仿真与优化.能源研究与管理():.:.:.高超佳.碟式太阳能吸热器温度场分析及实验研究.西安:西安工业大学.():.:(责任编辑:曾贤灏)兰州工业学院学报 第 卷