分布式光伏电站主要是屋顶光伏电站，建筑屋【wū】顶的结构、平【píng】面存【cún】在多样化，基本可以分【fèn】为混【hún】凝土屋面和彩【cǎi】钢【gāng】瓦屋【wū】面，陶瓷瓦屋面，很少的【de】一【yī】部【bù】分其他类型屋面【miàn】。由于建筑环境的【de】复杂化和屋面的多样化，在屋【wū】顶上建设光伏【fú】电站，方阵的设计考虑因【yīn】素较多，本文针对部分屋面环境、方【fāng】阵类型总结设【shè】计方法。

建筑【zhù】物上的光伏电站由于建筑的多样性，光伏电站【zhàn】的设计【jì】也存在多样化设计。与建筑结合的光伏电【diàn】站不仅要考虑光伏本身的发电特【tè】性，也【yě】要【yào】考虑电站建设后建【jiàn】筑【zhù】的【de】美观性。针对屋顶上【shàng】的光伏【fú】电站，BAPV，前【qián】后【hòu】排阵【zhèn】列【liè】间距【jù】设【shè】计应【yīng】根据屋【wū】面的方位【wèi】角【jiǎo】、坡度情况进行针对性设计。

太阳位置

太【tài】阳的位置在地平坐【zuò】标系中，通常由【yóu】太阳高【gāo】度【dù】角、方位角表【biǎo】示，如图1北京市的太阳轨【guǐ】迹图由太阳【yáng】高度角、方位角、日期确【què】定。计算【suàn】方法如下：

 

 

 

 

图1 北京市太阳轨迹图

 


 

由【yóu】太阳的【de】方位角、高【gāo】度角【jiǎo】和建【jiàn】筑物高度可以确定影子的长度。假设一【yī】根细【xì】棒高度为【wéi】单位高度，将【jiāng】影子分【fèn】为南北和东西两个分量，即【jí】得【dé】出影子南北方向和【hé】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【zhàn】设计【jì】规【guī】范》中给出平整场地【dì】光伏阵列不被【bèi】遮挡【dǎng】的阵列中心间距计算公式：

 

 

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【yán】屋面自然坡度平【píng】铺的安装方【fāng】式，前【qián】后排【pái】组件不存在阴影遮【zhē】挡，因此无【wú】需【xū】考虑阴影遮挡问【wèn】题，可适当【dāng】设【shè】置500-600mm宽的检修通道方便维护。

南北坡屋面光伏阵列间距

类型一【yī】：当建筑【zhù】坐北朝南【nán】，屋脊为正东西【xī】走向，建筑的方位角为【wéi】0°。屋【wū】顶的坡【pō】面由屋【wū】脊向南、向北均匀【yún】降低，且东西向为【wéi】同一等高线，常【cháng】见于坐北【běi】朝南的民用建【jiàn】筑或厂房【fáng】的屋面。

 

 

图3 某建筑屋顶电站侧视示意图

建【jiàn】筑屋面坡度系数i为屋面最低与最高点的【de】高【gāo】度差(相对于水平面【miàn】)与最低点【diǎn】、最高点之间水平距离之比。建【jiàn】设在屋面上【shàng】的光伏阵列，前【qián】排【pái】阵列【liè】后【hòu】端与【yǔ】后排【pái】阵列前端【duān】的高度差应【yīng】为

 

 

由上图可看【kàn】出【chū】，位于【yú】北坡的光伏组件若与【yǔ】南【nán】坡【pō】组件【jiàn】同一倾【qīng】角，则光【guāng】伏阵列的间距将根据坡度计算增大很多【duō】才可以避免规定时间内【nèi】阴影遮挡。

类型二：建【jiàn】筑方位角不【bú】朝向正南，偏东或偏西，即【jí】屋面的屋脊【jǐ】并不是正东西方向，有一【yī】定的【de】方位【wèi】角【jiǎo】。对于此类建筑，光【guāng】伏阵列间【jiān】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【xíng】一：当建筑屋面是【shì】正【zhèng】东、正西坡度，光伏组件不是采用平铺方【fāng】式安【ān】装，光伏组件与屋面之【zhī】间有一定的倾角。后排的【de】光伏组【zǔ】件受前排组件相对较【jiào】高一端的【de】影响【xiǎng】。由于【yú】屋面本【běn】身【shēn】存在坡度【dù】，所以需要考虑坡【pō】度对于屋【wū】面阴影【yǐng】的影响;坡【pō】度对于组件，就相当于组件一端【duān】被抬【tái】高，因此阴影在【zài】向【xiàng】下倾斜的屋【wū】面上相【xiàng】对于平屋【wū】面得到延长。如下图：

 

 

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为建筑正东西坡屋面【miàn】光伏阵列【liè】上午【wǔ】9:00时【shí】的阴影。图【tú】6为正西坡屋面光伏阵列【liè】阴影立【lì】体【tǐ】图，其【qí】中点【diǎn】A为前【qián】排组件最高点，B为水平【píng】垂点，C为太阳光线过A与水【shuǐ】平面的交点【diǎn】，D为斜【xié】坡组件的下端【duān】与太【tài】阳光线的交点，组件边【biān】缘即将出现的阴影处。为了【le】方便，采用虚【xū】线构建水平面【miàn】，即BCDFG多点构成的东西【xī】坡【pō】屋面，光伏组件朝【cháo】向正南布置时【shí】的【de】间距计算公【gōng】式，D为中心间距(D=BG长度，D1=BC为组件的投影【yǐng】长度，D2=GC为间距)，D3为水平面AE光【guāng】线投【tóu】影长度，D2=GC就为D3的【de】南北分量【liàng】。

 

 

 

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【lèi】型二：当建筑屋面不是正【zhèng】东、正西坡度，而且【qiě】光伏组【zǔ】件不是采【cǎi】用【yòng】平铺方【fāng】式安装【zhuāng】，光【guāng】伏组件与屋面【miàn】之间有一定的倾角。根据上面公式，考虑【lǜ】建【jiàn】筑方【fāng】位角来修正光【guāng】伏【fú】组件朝向相对太阳位置的相对方位角，以【yǐ】及【jí】屋面倾角修正对于斜坡阴影的【de】影响。对【duì】于东坡应【yīng】考虑【lǜ】修正下午15:00时的太阳方位角，对【duì】于西坡应考虑修正上午【wǔ】9:00时的太【tài】阳方位角。

 

 

图7 光伏建筑方位不朝向正南时组件布置

图7建筑为图5建筑中的部分，光伏【fú】组【zǔ】件同类型布置【zhì】，但建筑方位角不朝向【xiàng】正南，此【cǐ】时东【dōng】坡应为【wéi】东偏【piān】北坡向(西【xī】坡为西【xī】偏南【nán】坡向)，应用建筑【zhù】的方【fāng】位角对【duì】此时太阳的方【fāng】位角进行修正【zhèng】，前【qián】后排光伏组件的中心间距可采用以下公式计算：

 

 

总结：

本文总结了建筑屋顶上光【guāng】伏电站的几种坡面安装类型，在混凝土平面屋面上最佳倾角设【shè】计光伏阵列【liè】和在彩【cǎi】钢瓦屋【wū】面上平铺光伏组件，是最为常见的光伏建筑，其【qí】他【tā】几种光伏组件的布置【zhì】方式，在【zài】某些建【jiàn】筑中也会有【yǒu】采用，本【běn】文【wén】推【tuī】导了相关的光伏阵列间距计【jì】算【suàn】公式，供光伏同行【háng】参【cān】考。由于建筑的多样化【huà】，本【běn】文还有【yǒu】一些特殊的建【jiàn】筑物未能考虑，比如拱形屋【wū】面【miàn】、蛋【dàn】壳式屋顶等。由于作者经【jīng】验【yàn】有限【xiàn】，不【bú】足之处，欢迎【yíng】同行交流。