分布式光伏电站主要是屋顶光伏电站，建筑屋顶的结【jié】构、平面存在多样化，基本可以分为混凝【níng】土【tǔ】屋面和彩钢瓦屋面，陶瓷瓦屋面，很【hěn】少的一部【bù】分其他类型屋【wū】面【miàn】。由于【yú】建筑环【huán】境的复杂【zá】化和屋面的多样化，在【zài】屋顶上【shàng】建设【shè】光伏【fú】电站，方阵的设计考虑因素较多，本文针【zhēn】对【duì】部分屋【wū】面环境【jìng】、方阵类【lèi】型总结设计方法【fǎ】。

建筑物上的光伏电站由于【yú】建筑的多样性，光伏电站的【de】设计也存在多样化【huà】设计。与建筑结合的光伏电站不仅要考【kǎo】虑光伏本身的发【fā】电【diàn】特【tè】性，也要考【kǎo】虑电站建设后建【jiàn】筑【zhù】的美观性。针对【duì】屋顶上的光伏【fú】电站，BAPV，前后排阵列间距设【shè】计【jì】应根据【jù】屋面的方【fāng】位角【jiǎo】、坡度情况进【jìn】行【háng】针【zhēn】对性设计。

太阳位置

太阳的位置在地平坐【zuò】标系中，通常由太阳高【gāo】度角【jiǎo】、方位角表示，如【rú】图【tú】1北京市的太阳轨【guǐ】迹图由太阳高度角、方位角、日期确定【dìng】。计【jì】算方法如下【xià】：

 

 

 

 

图1 北京市太阳轨迹图

 


 

由太阳的方位角、高度角和建筑物高度可以【yǐ】确定影【yǐng】子的长【zhǎng】度。假设一【yī】根【gēn】细棒高度为【wéi】单位高度【dù】，将影子分【fèn】为【wéi】南【nán】北和东西两个分量，即【jí】得【dé】出影子南北【běi】方向和东西方向的阴影系数。

 

 

混凝土平整屋面光伏阵列间距设计

《光伏发电站设计规范》中给出【chū】平整【zhěng】场地光伏阵列不被遮挡【dǎng】的阵列【liè】中心间距计算【suàn】公式【shì】：

 

 

图2 光伏阵列间距示意图

平铺屋面光伏阵列间距

当彩钢瓦屋面、陶瓷瓦屋面的光伏组件采用沿屋面【miàn】自然坡度平铺的【de】安装方【fāng】式，前【qián】后【hòu】排组件不存【cún】在阴影【yǐng】遮挡，因此无需考虑【lǜ】阴影遮挡问题，可适当设置【zhì】500-600mm宽的【de】检修通道方便维护。

南北坡屋面光伏阵列间距

类【lèi】型一：当【dāng】建筑坐北【běi】朝南【nán】，屋【wū】脊为正东西走向，建筑的方位角为0°。屋顶的【de】坡面由屋脊向【xiàng】南、向北均【jun1】匀降低，且东西向为同一等【děng】高线，常【cháng】见于坐北朝南的【de】民【mín】用建筑【zhù】或厂【chǎng】房的屋面。

 

 

图3 某建筑屋顶电站侧视示意图

建筑屋【wū】面坡度【dù】系数i为【wéi】屋【wū】面【miàn】最低与最高【gāo】点【diǎn】的高度差(相对【duì】于水【shuǐ】平面【miàn】)与最低【dī】点、最【zuì】高点之间水【shuǐ】平距离之比。建设在屋面上的光伏阵列，前排阵列后端与后排阵列前端的高度差应为

 

 

由上图可看出，位于北坡的【de】光伏组【zǔ】件若与南坡组件同一【yī】倾角【jiǎo】，则光伏阵列的间距将根据坡【pō】度计算增大很多【duō】才【cái】可以避免规【guī】定【dìng】时间内【nèi】阴影【yǐng】遮挡。

类【lèi】型二：建【jiàn】筑【zhù】方位角【jiǎo】不朝向【xiàng】正南，偏【piān】东或偏西，即屋【wū】面的屋脊【jǐ】并不是正东西方向，有一定【dìng】的方位角。对于此类【lèi】建筑，光伏阵列间距如下计算：

 

 

图4 屋顶坡面上组件与建筑方位角相同

 

 

 

 

东西坡屋面光伏阵列间距

类型一：当建【jiàn】筑屋面是正东、正西坡度，光伏【fú】组件不【bú】是采用平【píng】铺方式安装，光伏组件与屋面【miàn】之间有一定【dìng】的倾角。后排的光伏组件受前排组件相对较【jiào】高一端的影【yǐng】响。由于屋【wū】面本身存在坡度【dù】，所【suǒ】以需要考虑坡度对于屋面阴影的影响;坡【pō】度【dù】对【duì】于组件，就相【xiàng】当于【yú】组件一端【duān】被抬【tái】高，因此阴影在向下倾斜的【de】屋面上相【xiàng】对【duì】于【yú】平【píng】屋面得【dé】到延长。如下图【tú】：

 

 

图5 正东西坡屋面光伏组件布置

 

 

图6 正西坡屋面组件阴影立体分析模型

图5为建筑正东西坡屋【wū】面光伏阵列上午【wǔ】9:00时的阴影。图6为【wéi】正西坡屋面【miàn】光伏阵列阴影【yǐng】立体图，其中点A为前排组件【jiàn】最高【gāo】点，B为水平垂点，C为【wéi】太阳光线过A与水平面的交点，D为【wéi】斜坡组件的下端与太阳【yáng】光线的【de】交点，组件边缘【yuán】即将出现【xiàn】的阴影处。为【wéi】了方便，采【cǎi】用虚线构建水平面【miàn】，即BCDFG多【duō】点【diǎn】构成的东【dōng】西坡屋面，光伏组【zǔ】件朝【cháo】向正南布置时的【de】间距计算【suàn】公式，D为中心间距(D=BG长度，D1=BC为组【zǔ】件的投【tóu】影长度，D2=GC为间距)，D3为【wéi】水【shuǐ】平【píng】面AE光线投影长度，D2=GC就为D3的【de】南【nán】北分量。

 

 

 

由于是向下斜坡，所以需要计算的相对高差是：

 

 

前后排光伏组件的中心间距可采用以下公式计算：

 

 

类型二：当建筑屋面【miàn】不是【shì】正东、正西坡度，而且光伏组件不是采用【yòng】平铺【pù】方【fāng】式安装，光【guāng】伏组件与屋面之间有一定的倾角【jiǎo】。根据【jù】上面公式，考虑建筑方【fāng】位【wèi】角来修【xiū】正光伏组【zǔ】件【jiàn】朝向相对太阳位置【zhì】的相对【duì】方位角，以及屋面倾角【jiǎo】修正【zhèng】对于【yú】斜坡阴影【yǐng】的影响。对于东坡应【yīng】考【kǎo】虑修正下午15:00时的太阳方位角，对于西【xī】坡应【yīng】考虑修正上午9:00时的【de】太【tài】阳方位角。

 

 

图7 光伏建筑方位不朝向正南时组件布置

图【tú】7建【jiàn】筑为图【tú】5建筑中【zhōng】的部分，光伏组件同【tóng】类型布置，但【dàn】建筑方位【wèi】角【jiǎo】不朝向正【zhèng】南，此【cǐ】时东坡应为东偏北坡向(西坡为西偏南坡向)，应【yīng】用建筑的方位角对此时【shí】太阳的方位【wèi】角进行修正，前【qián】后排光伏【fú】组【zǔ】件的中心间距可采用以下公式【shì】计算：

 

 

总结：

本文【wén】总结了【le】建筑【zhù】屋顶上【shàng】光伏电站的几种坡面安【ān】装类型，在混凝【níng】土【tǔ】平面屋面上最佳倾角设计光伏阵列和在彩钢【gāng】瓦屋面上平【píng】铺光伏组件，是【shì】最为常见的光伏建筑，其他几种光伏组【zǔ】件的布置方【fāng】式，在某些建筑中也会有采用【yòng】，本文【wén】推导了相关的【de】光伏阵列间【jiān】距计算公式【shì】，供光伏同【tóng】行参考。由于【yú】建筑的多样化，本文【wén】还有一些特【tè】殊的建筑物未【wèi】能【néng】考虑，比如【rú】拱【gǒng】形屋面、蛋壳式屋【wū】顶等。由【yóu】于作者【zhě】经【jīng】验有限，不足之【zhī】处，欢【huān】迎【yíng】同行交流。