本文探讨了一【yī】种连续【xù】的【de】南北坡混凝土【tǔ】屋面上光【guāng】伏【fú】方阵的优化设【shè】计。在本文中，通过光伏阵列的间距【jù】设计、光伏组件倾【qīng】角的设计、影响光伏【fú】方【fāng】阵发电量的【de】输出几项因素【sù】等几个方面，对比了原有的光伏组件平铺【pù】在屋面上【shàng】的方【fāng】案、前后阵列不遮挡方案和以发【fā】电量最大为目标【biāo】确【què】定的优化方案三种方案之间的差异。通过对这一典【diǎn】型【xíng】设【shè】计【jì】的案【àn】例【lì】分析，有助于优【yōu】化这种场【chǎng】景类型光伏电站的系统设计方案。
1前言
具有南坡北坡的彩钢瓦屋顶、人字形屋顶等在分布式光伏电站【zhàn】项目【mù】中非【fēi】常常【cháng】见;连【lián】跨南北坡屋面在工商业屋顶的分布式光伏电站中也较为常见的【de】，特别是多跨彩钢【gāng】瓦建筑。多跨彩钢【gāng】瓦屋面，根据建筑朝向，可以是连【lián】续的南【nán】北坡【pō】或者连续的东西坡，在这样的坡【pō】面上，光伏组件【jiàn】通【tōng】常【cháng】都是平【píng】铺在【zài】彩钢【gāng】瓦上【shàng】面。但【dàn】对于混凝土屋顶，如果也选择平铺，虽然提供【gòng】了光伏组件的安【ān】装【zhuāng】容量，但【dàn】浪费了【le】混凝土【tǔ】的荷载能力以及单瓦组件没有最大效【xiào】益的输【shū】出电【diàn】能。
本文针对某项目案例的连栋南北坡屋面的设计做案例分析。
2南北坡屋面光伏阵列间距计算
光【guāng】伏方阵【zhèn】的阵列间距，是光伏系统设计中非常【cháng】重要的一个环【huán】节【jiē】。在下文【wén】中，首先介绍一【yī】下坡【pō】面屋顶的光伏阵【zhèn】列间【jiān】距设计方法和【hé】简单的验算方法【fǎ】。
1)太阳位置
太阳的位【wèi】置在地平坐标系中，太阳的【de】位【wèi】置可以由太阳高度【dù】角、方位【wèi】角表示【shì】，计算方法如下：
图1 北京市太阳轨迹图
冬至日真太阳时【shí】09:00(或15:00)时太阳【yáng】高度角【jiǎo】和方【fāng】位角【jiǎo】是计算光伏阵列间距【jù】的基础数据。冬至日太【tài】阳在北回【huí】归线，δ为-23.45°，09:00时的ω为-45°(下午为正)，此时的太阳【yáng】高度角和太阳方【fāng】位【wèi】角可【kě】有【yǒu】下式表示：
类型一：当【dāng】建筑坐北朝南，屋【wū】脊【jǐ】为【wéi】正【zhèng】东【dōng】西【xī】走向，建筑的方位角为【wéi】0°。屋顶的坡面由屋脊向【xiàng】南、向北【běi】均匀【yún】降【jiàng】低，且东【dōng】西向为同一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑或【huò】厂房的屋面。
图2 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【dī】与最高点的高度差(相对于水平面)与最低【dī】点【diǎn】、最高点之【zhī】间水平距【jù】离之比【bǐ】。建设在【zài】屋面上的光伏阵列，前排【pái】阵列后端与后【hòu】排阵列前【qián】端的【de】高度差【chà】应为
因【yīn】为只需要考虑方阵直流端输出的发电量效果，各种PR相关【guān】因素选择默认，因此简【jiǎn】化建【jiàn】模。将建完的模型进行模【mó】拟，模【mó】拟【nǐ】的【de】组【zǔ】件【jiàn】倾角【jiǎo】分【fèn】别选用10°-21°分组模拟，在结果【guǒ】中查找发电量【liàng】结果如下【xià】。
表2 不同倾角下的PVsyst模拟结果
从表中，可以看到【dào】随着倾【qīng】角的角度，倾斜面接收到的辐【fú】射量逐渐增【zēng】加;倾斜【xié】面接【jiē】收到【dào】的有【yǒu】效辐射【shè】量GlobEff也随着GlobInc的增加逐渐增加，但光伏方【fāng】阵输出【chū】直流发电量并没有随着倾斜面接【jiē】收到的有效辐射量一直增加，而是增加到顶【dǐng】峰【fēng】后减少。这是因为，光伏方【fāng】阵倾斜【xié】面接收到的有效【xiào】辐射【shè】量，受到IAM因【yīn】子、近【jìn】阴影遮挡影响，近阴影遮挡损失起主要【yào】作用，当【dāng】光伏倾角越大的时候，阴【yīn】影遮挡影响也越来越严重，阴影【yǐng】损失越大，当角度大于【yú】临界【jiè】角度(表中17度为GlobEff拐【guǎi】点)以后，阴影损失【shī】将会超过【guò】倾角增大带来的辐【fú】射量增【zēng】益;另【lìng】一【yī】方面，光伏方阵输【shū】出直流发电量又与【yǔ】光伏【fú】组串输出的【de】I-V曲【qǔ】线受阴影遮挡的影响【xiǎng】有关，当阴影遮挡程度增加时【shí】(表中【zhōng】13度【dù】为【wéi】EArray)，阴影【yǐng】产生的电气损失将迅速【sù】增加。将光伏组件的倾角继续【xù】增大，阴影【yǐng】遮挡对GlobEff的影响和阴影【yǐng】遮挡【dǎng】对发【fā】电【diàn】电气损失就会体现出来，因此模拟【nǐ】角度从10度【dù】到21度【dù】。
图12 不同倾角下接收到的辐射量与直流端发电量
查【chá】找模拟报告中最后的全年【nián】损失项图【tú】表【biǎo】，选【xuǎn】取建【jiàn】模和模拟中差异化的各项损失数据，整理如【rú】下图【tú】所示，定义各项损失因素对【duì】光伏方阵【zhèn】发电量输【shū】出的影【yǐng】响【xiǎng】过程为综合影响系数【shù】，用于评估【gū】在光伏组件【jiàn】倾角变【biàn】化【huà】的【de】条件下各个因素对【duì】光伏方阵输出发电量的【de】综合影响【xiǎng】能力，系数η=(1+η1)*(1+η2)*(1+η3)*(1+η4)。通【tōng】过综合【hé】影响【xiǎng】系数的定义【yì】和计【jì】算，可【kě】以看出【chū】当光伏组件倾角为13度时，综合影响系数最大【dà】，此时光伏方阵输出发电量最多【duō】，与模【mó】拟发电量最大时最优倾角的结果一致。由于在【zài】同一个屋顶上，选【xuǎn】用不同的倾角设计【jì】时，
表3 不同倾角下的综合影响系数
通过【guò】以上分析，可以【yǐ】得出【chū】结论【lùn】，当光伏阵列的倾【qīng】角【jiǎo】为【wéi】11°时，前后光伏【fú】阵列【liè】互不遮挡，满足阵列间【jiān】距【jù】计算的要求【qiú】;但设置不同光伏阵列倾角进行发电量评估时【shí】，光伏阵列的倾【qīng】角为13°时，光伏方阵输【shū】出的发【fā】电量最多【duō】，这是由于光伏【fú】方阵倾【qīng】斜面辐射量增益、近【jìn】阴影损失、IAM因子损【sǔn】失、阴影遮挡导致【zhì】电气不匹配损失等【děng】多项因素共同作【zuò】用的结果【guǒ】。因此，建【jiàn】议在该屋顶条件下的光伏方阵的倾角选择【zé】13度【dù】设计，这【zhè】里【lǐ】的阵列间距设【shè】置参【cān】照了11度倾角前后排光伏阵列无遮挡时【shí】的间距设计。
上文提到了当建筑【zhù】方位角不朝向正南，偏东【dōng】或偏西，即【jí】屋【wū】面的屋脊并不是正东西方向【xiàng】，有一定的方位角，这种【zhǒng】情景【jǐng】下的光【guāng】伏【fú】阵列【liè】间距的算【suàn】法需要修正该类型下【xià】的阴【yīn】影间【jiān】距【jù】系数。如本【běn】文案例【lì】中建筑朝向非正南，则光伏方阵的设计和优【yōu】化过程也【yě】是一【yī】致的，在PVsyst建【jiàn】模过程中，需要旋转模型的方位角，模拟难度【dù】要【yào】大一些。
对于【yú】以上该屋【wū】顶的几种不同的设计方案，光【guāng】伏组件【jiàn】平铺、11°倾【qīng】角【jiǎo】、13°倾角安【ān】装，每种【zhǒng】方案对应的光伏【fú】系统效率【lǜ】也不【bú】一【yī】样【yàng】，略有差别，其中13°倾角时因为【wéi】前后遮挡的原因对应的【de】PR效率低于【yú】其他方案。
本文【wén】不再详细讨论PR计算过程和差异，仅提【tí】供【gòng】估算的【de】发电量差异作为不【bú】同方案技术经济性的对比参考。以【yǐ】原设计方案光伏【fú】组件平铺为【wéi】基准，后两种方案【àn】该屋面上的光伏组件【jiàn】发电量【liàng】分别【bié】增加：11°倾【qīng】角首年增发4.9万度，25年增发111.15万度;13°倾角首年增发4.9万度，25年增【zēng】发117.52万【wàn】度。施【shī】工成本方面【miàn】，主要是光伏支【zhī】架【jià】用钢量【liàng】差别，又集中【zhōng】体现【xiàn】在北坡上支架后立柱增【zēng】加长度造成的用钢【gāng】量较【jiào】多，该部分成本占光伏支【zhī】架成本【běn】的约【yuē】5%左右，可【kě】见设计方案的优化【huà】，经济效【xiào】益是非常明显的。
当我们在理论上【shàng】推导、计算、模【mó】拟等完成这些工作对比【bǐ】以后，还需要【yào】补充的一点内容是，精细化的【de】设计方案需【xū】要精【jīng】细【xì】化的施工配【pèi】合、后期运维的【de】延续，落到实处，才是真正的【de】实现了价【jià】值和性能【néng】的提【tí】高【gāo】。
5总结
类似于本【běn】案【àn】例中的连续南【nán】北坡屋顶【dǐng】，是一种非常典型的屋顶型【xíng】式。连续南北坡屋顶【dǐng】上的【de】光伏【fú】组【zǔ】件安装倾角、光伏阵列间距【jù】设计【jì】，也【yě】是一种非常典【diǎn】型的方案设计。本文为优化设计该类型屋顶上的光伏电【diàn】站【zhàn】提供了【le】设计方法、解决方案【àn】，具有【yǒu】很好的【de】工程指导意义。
在设计过【guò】程中，既要考虑增加光伏组【zǔ】件的倾角提高光伏【fú】阵列倾斜面【miàn】上接收到的辐射量，又要考虑阴影遮【zhē】挡【dǎng】情况分析，辐射【shè】量增【zēng】加和阴影遮挡等各项损失对【duì】发电量【liàng】的影响，作用方向是【shì】相反的，在寻找正作用因素与负作用因素两【liǎng】者之间【jiān】的平衡点时，应当以光【guāng】伏【fú】方【fāng】阵【zhèn】输【shū】出最大【dà】发电量为目标。从分析【xī】过程可以看出，按照【zhào】设计规范规定时【shí】间内无阴【yīn】影遮挡的【de】阵列间距计算只是追【zhuī】求【qiú】光伏方阵输【shū】出发电量最大化过程中的一个方面和一个【gè】环节，通过PVsyst软件建模和更【gèng】深入的系统分析，有【yǒu】助于针【zhēn】对【duì】具体【tǐ】案【àn】例【lì】优化光伏【fú】电站的【de】系统设计，提高发电性【xìng】能。
作者简介【jiè】：周长友，毕【bì】业于【yú】中国海洋大学，研究生学历。从【cóng】事光伏行业7年，先【xiān】后从事光伏【fú】组件【jiàn】研发、光伏系【xì】统设计【jì】、光伏电站性【xìng】能评估等工作，目前【qián】主要从事光伏电站设【shè】计【jì】、项目管理等工作。联系【xì】方式：[email protected]。
推导出的南【nán】坡或者北坡的阵列间距公【gōng】式，在南【nán】坡北坡【pō】上都可以【yǐ】使【shǐ】用，但如【rú】果需要南坡最上面一【yī】排光伏【fú】阵列和北坡【pō】第一【yī】排也是最上面【miàn】一【yī】排的光伏阵列，或者在波谷处都是【shì】最下【xià】面【miàn】一排阵【zhèn】列，上【shàng】述【shù】阵列【liè】间距计算公式【shì】对于【yú】两个坡面上的光伏阵列不适用。此两处【chù】的光伏阵列间距确定是设【shè】计方【fāng】案的关键，因为南【nán】坡【pō】(或北【běi】坡)的【de】光伏阵列都在一个坡面上【shàng】，一个坡【pō】面上的光伏阵【zhèn】列间距【jù】可以【yǐ】计算，但南坡和北【běi】坡两者在波峰或者波【bō】谷处的光伏阵列间距因光伏阵列【liè】处于两个不同坡度的坡面上，因此【cǐ】难以计算。
可以建立模型，根据前后阵列之间的高差关系推导计算，如下。
(1)坡顶两侧光伏阵列间距
当前排光伏阵列位于【yú】南坡，后排位【wèi】于北坡时，前后排阵列【liè】被波峰(一跨建筑的屋脊处)分开。将前排南【nán】坡光伏阵列的【de】下端距【jù】离南北坡【pō】波峰顶点的水平距离定义为A，后【hòu】排北坡光伏【fú】阵列的下端【duān】距【jù】离南北坡波峰顶【dǐng】点的水【shuǐ】平距离定义为B，A+B之【zhī】和等于中心【xīn】距【jù】离D。前排【pái】光【guāng】伏阵列上端和【hé】后排【pái】光【guāng】伏【fú】阵列的下端【duān】之间【jiān】的高差，可以分【fèn】解为两者到顶点的高【gāo】差之和，因此，可【kě】以计【jì】算为：
图3 坡顶处光伏阵列间距计算示意图
(2)波谷两侧光伏阵列间距：
当【dāng】前【qián】排光伏阵列【liè】位【wèi】于南坡【pō】，后排位于北坡时，前后【hòu】排阵列被波谷(一跨建筑【zhù】的天沟处)分开。将前【qián】排【pái】北坡光伏阵【zhèn】列的下【xià】端距离南北坡波谷点的水平【píng】距离定义为B，后排北【běi】坡光伏阵列【liè】的下端距离【lí】南北坡波谷点的水平距离定【dìng】义为A，A+B之和等于中【zhōng】心距离D。前排【pái】光伏阵列上【shàng】端和【hé】后排光【guāng】伏阵列的下【xià】端之间的高差，可以分解为【wéi】两【liǎng】者到顶点【diǎn】的高差之和，因【yīn】此，计算【suàn】为：
图4 屋顶坡面上组件与建筑方位角相同
3案例分析
本文的案例，是山东【dōng】省【shěng】淄【zī】博【bó】市【shì】的某个工【gōng】商业屋顶分布式项【xiàng】目，其中有一座建筑是【shì】连续【xù】起伏【fú】的南北坡屋【wū】面，建筑由连续六跨结构组成，屋【wū】面相对水平面的倾角为6度，坡度为10.5%。屋面上有【yǒu】避【bì】雷带和天沟【gōu】，没【méi】有障碍物对【duì】光伏组件形成遮挡影响。
图5 该建筑屋面情况
图6 该建筑东侧或西侧外立面
该项目是由山【shān】东省当地【dì】的某【mǒu】设计院设计，对于该建筑屋顶的光伏系统设计中，光伏【fú】系统设计师对光伏组件的布置【zhì】采用了和彩钢瓦【wǎ】一样平铺【pù】的设计，这样在南坡上的光伏【fú】组件组件【jiàn】的朝【cháo】向【xiàng】南方(组件倾角【jiǎo】6°，方位角0度)，在北坡上的光伏【fú】组件朝【cháo】向正北(组件【jiàn】倾角6°，方位角180度【dù】)。平【píng】铺方案，通【tōng】过【guò】PVsyst软件【jiàn】查询得【dé】知【zhī】，光伏【fú】组【zǔ】件表【biǎo】面接收【shōu】到的辐射量【liàng】。
1)北坡【pō】光【guāng】伏组件接收到的辐射量1297.6kWh/m²，相对【duì】于水平【píng】面总辐射量1356.2kWh/m²减少4.3%。
2)南坡光【guāng】伏组件【jiàn】接【jiē】收【shōu】到的辐射量1409.5kWh/m²，相对【duì】水平面辐【fú】射量增加3.9%。
南北坡的光伏组件分【fèn】别接入【rù】不同的40kW的组串式逆变【biàn】器，逆【nì】变器逆变后输【shū】出的交【jiāo】流电经过五进一出的交流汇【huì】流箱汇流后，输出至1000kVA的【de】箱【xiāng】式变压器【qì】，升【shēng】压【yā】至【zhì】10kV并网。该屋【wū】顶供安装【zhuāng】265Wp多晶【jīng】硅光【guāng】伏组件2772块，容量734.58kWp。该【gāi】屋顶上的光伏方阵与相【xiàng】邻的另一【yī】栋建【jiàn】筑屋面上【shàng】的光伏方阵共同接入一台箱变，组成一个光【guāng】伏子系【xì】统。
彩【cǎi】钢【gāng】瓦上光伏组件通常都是平铺【pù】设【shè】计，是由于【yú】彩钢瓦的【de】承载能力【lì】比较小，平【píng】铺有【yǒu】利于提供【gòng】屋面【miàn】的【de】利用率。如果组件【jiàn】在南北【běi】坡均采用朝南的非平铺的起一定倾角设计【jì】，会造成光伏支架增加重量，加大夹具的抗拉拔里，且降低【dī】屋顶的【de】利用率。因此【cǐ】对于5%的屋面【miàn】坡度，几【jǐ】乎所有的彩钢【gāng】瓦屋顶都是采用组【zǔ】件平【píng】铺在屋面上安装，较少彩钢【gāng】瓦承【chéng】载【zǎi】能力较大、质量很【hěn】好的【de】屋【wū】面上【shàng】采用光伏组件【jiàn】与【yǔ】屋面形成一定【dìng】角度安装，而且这个角度一般【bān】都【dōu】在【zài】9-21度左右，角度较小，减少风荷载。相对比彩钢瓦屋【wū】面，本项目的【de】混凝【níng】土屋面承载【zǎi】能【néng】力较大，光伏支架采用混凝土预制块作为基础配【pèi】重【chóng】，屋面的坡度【dù】较大，在北坡上光伏组件平铺于屋面，对于光伏组件发电【diàn】十分不【bú】利。
由于该屋顶对【duì】应的1MW光伏子系统容量稍小，子系统容量不足1MW，因【yīn】此【cǐ】要保证光伏【fú】组件容量不减【jiǎn】少【shǎo】同时保留检【jiǎn】修通道的【de】情【qíng】况下，对【duì】原【yuán】有设计进行优化。
图7 原设计方案组件平铺局部示意图
从设【shè】计【jì】院提供的【de】施【shī】工【gōng】图设计方【fāng】案【àn】分析，如果【guǒ】光伏组【zǔ】件【jiàn】平铺在南北坡上，竖【shù】向【xiàng】三排设计光伏【fú】阵列，阵【zhèn】列宽度【dù】为4990mm(1650*3+2*20，1650mm为组件长度，20mm为组件间的间【jiān】隙)，测量建【jiàn】筑南坡和北坡坡面长【zhǎng】度为7541mm，剩余空间【jiān】宽度【dù】为2551mm，还可以再布置一排光伏组件，将光伏阵列设【shè】计为竖向四排【pái】或者两【liǎng】个竖向双【shuāng】排【pái】，剩余屋面宽【kuān】度为881mm。如此设计虽然【rán】可以提升33%的容量，该屋顶的光伏组【zǔ】件安装容量达到【dào】979.44kWp。但由于南坡和北坡结【jié】合处的天【tiān】沟存在，运维中【zhōng】检修、清洗【xǐ】光伏组件【jiàn】等【děng】操作在屋面上行走不方便，而且北坡光伏组件单【dān】瓦【wǎ】发电量较【jiào】少的【de】情况得不到【dào】改善。
优化该类型屋【wū】顶的光伏组件【jiàn】布置设计方案，主【zhǔ】要是【shì】不减少光伏【fú】组【zǔ】件容量的条件下，北坡【pō】的光伏组【zǔ】件【jiàn】不采用【yòng】组件平铺和方位角朝【cháo】北设计。还应进一步明确一下，连续南北坡的【de】连栋【dòng】屋顶，光【guāng】伏阵列的布置【zhì】应随南坡北坡周【zhōu】期循环【huán】设置，不能像地面电【diàn】站一【yī】样，可以将光伏阵列间距根【gēn】据需【xū】要增加或者减少【shǎo】，不受【shòu】限制。
首先，设计院提供的【de】施工图设计，光伏组件竖向三排作为一个光伏阵列，在光伏支架的安【ān】装、光伏组串的接线【xiàn】、光伏电缆布线【xiàn】、日后的运维等【děng】多个【gè】方面施工和清洗组件带来不方便【biàn】，因此【cǐ】需要【yào】改变【biàn】光伏阵列的设【shè】计，可以【yǐ】将光伏【fú】阵列改为【wéi】竖向双排设计，光【guāng】伏阵列的宽度将【jiāng】有4990mm减少【shǎo】到3320mm。
如【rú】果南坡【pō】和北坡的光伏组【zǔ】件都【dōu】采用屋面倾角的【de】6度【dù】角设计，那么只需要将北坡改为【wéi】组件6度倾【qīng】角，南坡不【bú】变。将6度角设计【jì】绘制【zhì】在图【tú】纸上，南坡两排竖向双排的光伏支架单元，北坡一排竖向双排的光伏支架单元，以及进行阵列间距【jù】计算，南坡的光伏【fú】组件属于平铺，对北坡不产生阴【yīn】影遮【zhē】挡【dǎng】，对坡光伏阵列对后【hòu】面的【de】南【nán】坡光伏【fú】组【zǔ】件也不【bú】产【chǎn】生阴影遮挡，光伏阵列间距的冗余量较多。进一【yī】步优化【huà】光伏阵列的倾角，达【dá】到提高【gāo】光伏阵【zhèn】列倾斜面接收到的【de】辐【fú】射量最大，同时前【qián】排光伏阵【zhèn】列对后排【pái】光伏【fú】阵列不【bú】形成遮挡，寻【xún】求这一【yī】平衡的阵列最【zuì】优倾角和【hé】最优间【jiān】距。
我们以【yǐ】不同的【de】光伏组【zǔ】件安装倾角(如【rú】15°、13°、10°等不同倾角)布【bù】置光伏阵列，并进一步【bù】检【jiǎn】验光伏阵列间距是否合适。
根据前文的描【miáo】述，我们已经知道，南【nán】坡【pō】竖向双排光【guāng】伏阵列的前后阵列间距可以通过公式计算【suàn】，波峰处或者波谷处，光【guāng】伏阵列间距【jù】的确定是【shì】设计的关键【jiàn】，设计方法可【kě】以通【tōng】过上文【wén】提出的公式计算，或者直接【jiē】通过高【gāo】差核算【suàn】是否【fǒu】合适。可以直接在CAD图纸【zhǐ】中【zhōng】看两【liǎng】者的剖面图，相对高【gāo】差【chà】H和相【xiàng】对水平距离d(前排阵列上【shàng】端到后排【pái】阵列【liè】的下【xià】端)。当两【liǎng】个【gè】间距都满足阴影长度【dù】计【jì】算值【zhí】d’(南北【běi】方【fāng】向阴影【yǐng】系数2.564倍相对高差，d’=2.564*H)≤相对【duì】水平距【jù】离【lí】d即可。为了【le】方便描【miáo】述，定义南坡前后两排阵列间距为d1，南【nán】坡【pō】第二排阵列和北坡阵【zhèn】列【liè】波峰处阵列间距为d2，北【běi】坡【pō】阵列和南坡第一排阵列【liè】波【bō】谷处的阵【zhèn】列【liè】间距为d3。通过【guò】剖面图【tú】测量【liàng】相对高差和相对水平间距，以及判断d>d’是否满足。
本文经过【guò】不同倾角设【shè】计【jì】，发现当光伏组件倾【qīng】角>12°时【shí】，不能满足【zú】前后阵列【liè】冬至日真太阳时9:9-21:00阴影不遮【zhē】挡要求。经过测量和对比可以得到结论【lùn】，当以光伏阵列11度倾角布【bù】置，以11度【dù】倾角设【shè】计光伏阵【zhèn】列间距，能满【mǎn】足冬至日真太阳【yáng】时9:9-21:00阴【yīn】影【yǐng】不遮挡要求【qiú】。间距【jù】的【de】计算方法在前文已经非常详细【xì】的进行了描【miáo】述和推导，此处不再【zài】重复。
表1光伏阵列间距验算
图8 光伏组件11度时阵列间距示意图
通过上述几步对光伏【fú】阵列倾角不同的设计值以及【jí】通【tōng】过【guò】CAD将光伏【fú】阵列在屋顶剖面【miàn】图测量、计算理论阴影【yǐng】值、对比是否满足阴影【yǐng】不遮【zhē】挡要求【qiú】，数据证实以11度倾角设计可以满足要求。那【nà】么，是【shì】否以11度倾角设计该屋顶的光伏电站为【wéi】最佳【jiā】方案?
4PVsyst软件建模优化分析
接下来，我们通过【guò】PVsyst软件建【jiàn】模分析【xī】，建模依据上【shàng】图11度倾角确【què】定【dìng】模型内的光伏阵列间距。光伏系【xì】统容量按照两跨建筑的光伏组【zǔ】件【jiàn】布置容量150kW设计，采用280Wp光【guāng】伏组【zǔ】件，每22块【kuài】串联为【wéi】一【yī】串，8串并【bìng】联接入一【yī】台50kW的华为组串式逆变器，共【gòng】配置组件【jiàn】528块，逆变器3台。
1)在PVsyst内建【jiàn】立双【shuāng】坡面的建筑(House + 2-sided roof)，建筑【zhù】宽度设置15米【mǐ】，长度设置50米【mǐ】，高度5米【mǐ】，屋顶角度6度，屋檐【yán】展开宽度0米。将建筑方向设置为【wéi】东西方向，即【jí】修【xiū】改方位角为【wéi】90度，即完成单跨简直【zhí】的设计。模【mó】型【xíng】中复制【zhì】、粘贴建立三个单跨建筑【zhù】。
图9 单跨建筑建模
2)光伏阵列设计
光伏阵列均采用竖【shù】向双排，以11度倾【qīng】角安装2X44块【kuài】光伏组件，阵列【liè】长宽可【kě】通过【guò】by modules布【bù】置为【wéi】3.34mX44.5m。南坡【pō】光【guāng】伏阵列为前后两【liǎng】排，相对【duì】位置可以在软件中【zhōng】一次【cì】性设置。如【rú】建模空间内设置PV table as sheds，设置两排阵列(Number of sheds设置为2)，组件倾角11度，横【héng】向倾斜度为【wéi】6度(补充释义【yì】：transverse slope 横向坡【pō】度/斜【xié】率，软件内定【dìng】义为【wéi】南北向的坡度，设【shè】置为6度;注意另一项baseline slope为基线坡【pō】度/斜率，软件定义为东西方向【xiàng】的坡度，这里的坡度均是【shì】用【yòng】坡面和水【shuǐ】平面之间的角度表示)，阵【zhèn】列间距Pitch3.86米。设置北坡的【de】光伏阵列【liè】，阵列排数为1(Number of sheds设置为1)，组件倾角11度。
图10 光伏阵列建模
3)光伏阵列在屋顶上布置
将前两步设【shè】计完【wán】成的【de】光伏阵列单体和建【jiàn】筑单跨的单体组【zǔ】合在一起，并根【gēn】据南北坡上光伏【fú】阵列的位置调【diào】整模【mó】型【xíng】中【zhōng】的光伏阵列位置。如果所示，第二跨建筑【zhù】的南【nán】坡起点【diǎn】位于Y轴上;北坡阵列的Y、Z位【wèi】置，根据【jù】图【tú】纸【zhǐ】测量确定Y轴距离南【nán】坡前端【duān】7.96米，高度包含建筑高度5米和【hé】图【tú】纸测【cè】量组件【jiàn】高出波谷最低点0.74米，以【yǐ】及组件高出屋面【miàn】10cm，计算为5.84米。其【qí】他类【lèi】同。这儿建模设计了三【sān】跨建筑，第一跨建筑的【de】南坡【pō】没有【yǒu】利用，是考虑到【dào】连【lián】栋建筑多跨中【zhōng】南坡组【zǔ】件不受前面遮挡【dǎng】的阵列实际上只【zhī】有【yǒu】最南面【miàn】的一个坡【pō】面，建模选择多跨建筑中间的一【yī】段，有利于模拟结果的更准确性。
图11 光伏方阵完整模型
本文探讨了一种连续的南北坡混凝土屋面【miàn】上光伏方阵的优化设【shè】计。在本【běn】文中，通【tōng】过光伏阵列【liè】的【de】间距设计、光伏组件倾角的设计、影响光【guāng】伏【fú】方【fāng】阵发电量的输出几项因素【sù】等几个方面【miàn】，对比【bǐ】了原【yuán】有的光【guāng】伏组件平铺在屋面上【shàng】的【de】方案、前后阵列不遮【zhē】挡方案和以发【fā】电量最【zuì】大【dà】为目标确定【dìng】的优化方案三种方【fāng】案之【zhī】间的差【chà】异。通过【guò】对这一【yī】典型设计的案【àn】例分析，有助于优【yōu】化【huà】这种场景类型光伏【fú】电站的系统设计方【fāng】案。
FR：索比光伏网 周长友
