分布式光伏电站主要是屋顶光伏电站，建筑【zhù】屋顶的结构、平【píng】面存在多样化【huà】，基本可以分【fèn】为混凝土屋面和彩钢【gāng】瓦【wǎ】屋【wū】面，陶瓷瓦屋面，很少的一【yī】部【bù】分【fèn】其他类型屋面。由【yóu】于建筑环境的复杂化和屋【wū】面的多样【yàng】化，在【zài】屋顶【dǐng】上建设光伏电站，方阵的【de】设计考虑因素较多，本文针对部【bù】分【fèn】屋面环境【jìng】、方阵类型总结设计方法。

建【jiàn】筑物上的光伏电【diàn】站由【yóu】于建筑的多样【yàng】性【xìng】，光伏电站的【de】设计也【yě】存在多【duō】样化设计。与建筑结合的光伏电【diàn】站不仅要【yào】考虑【lǜ】光伏本【běn】身【shēn】的发电特性，也【yě】要考虑电站建设后【hòu】建筑的美观【guān】性。针对屋顶上的光伏电站，BAPV，前后排阵列间距设计应根据屋【wū】面的方位角、坡度情【qíng】况进【jìn】行针对【duì】性【xìng】设计【jì】。

太阳位置

太阳的位【wèi】置在地平坐【zuò】标系中，通【tōng】常由太阳高【gāo】度角、方位【wèi】角表示，如【rú】图【tú】1北京市的太阳轨迹【jì】图由【yóu】太阳高度【dù】角【jiǎo】、方位角、日【rì】期确定。计算方法如下：

 

 

 

 

图1 北京市太阳轨迹图

 


 

由太【tài】阳【yáng】的方【fāng】位角、高度角和建筑物高度【dù】可【kě】以确定【dìng】影子的长度【dù】。假【jiǎ】设【shè】一【yī】根细棒高度为单位高度，将影子分【fèn】为南【nán】北【běi】和东西两个分量，即得出影子南北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【shè】计规范》中给【gěi】出平整场地光伏阵【zhèn】列不被遮挡的阵列中心间【jiān】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【dù】平铺的安装方式，前后排组件不【bú】存在阴影遮挡，因【yīn】此无需考虑阴影遮【zhē】挡问题，可适当设【shè】置500-600mm宽的检修通【tōng】道方便【biàn】维护。

南北坡屋面光伏阵列间距

类型【xíng】一：当建筑【zhù】坐北朝南【nán】，屋脊为正东西走向，建筑的方位角为0°。屋顶的坡面【miàn】由屋【wū】脊向南、向【xiàng】北均【jun1】匀【yún】降低，且【qiě】东【dōng】西向为同【tóng】一等高线，常见于坐北朝南的民用建筑【zhù】或厂房的屋面。

 

 

图3 某建筑屋顶电站侧视示意图

建筑【zhù】屋面坡度【dù】系数【shù】i为【wéi】屋面最低与【yǔ】最高点的高度【dù】差(相对于水平面)与最【zuì】低点【diǎn】、最高点之间水平距【jù】离之比。建【jiàn】设在屋面上的光伏阵【zhèn】列，前排阵【zhèn】列后端与后排阵【zhèn】列前端的高度【dù】差应为【wéi】

 

 

由上图可看出，位于北坡的光伏组【zǔ】件若与南坡组【zǔ】件同一倾角，则光伏阵列的【de】间距将根【gēn】据坡度【dù】计算增【zēng】大【dà】很【hěn】多才可以避免规定【dìng】时间内阴【yīn】影遮挡。

类型【xíng】二：建筑方位【wèi】角不朝向正南，偏东【dōng】或【huò】偏西，即屋【wū】面的屋脊并不是正东西【xī】方【fāng】向，有【yǒu】一定的方位角【jiǎo】。对于此类建筑【zhù】，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【xíng】一：当建筑屋面是正东【dōng】、正西坡度，光伏组【zǔ】件不是采【cǎi】用平铺方式安装，光伏组件与屋面之间有一【yī】定的倾角【jiǎo】。后排【pái】的光伏组件受【shòu】前【qián】排组【zǔ】件相对较高一端的影响【xiǎng】。由于屋面本身存【cún】在坡度，所以需要考虑坡度对于屋面阴影的影响;坡【pō】度对于组件，就相当【dāng】于组件【jiàn】一端【duān】被抬高【gāo】，因【yīn】此阴【yīn】影在向下倾斜的屋面上【shàng】相对于平屋面【miàn】得【dé】到延【yán】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【wéi】建筑【zhù】正【zhèng】东西坡【pō】屋面光伏阵列【liè】上午9:00时的阴影【yǐng】。图6为正【zhèng】西坡屋面光伏阵列阴影立体图，其中点A为【wéi】前排组件最高点，B为【wéi】水平垂点，C为【wéi】太阳光【guāng】线过A与水平面的【de】交【jiāo】点，D为斜坡组件的下端与太阳光线的交点，组件边缘即【jí】将出现的阴影处。为了方便，采【cǎi】用虚线构建【jiàn】水平面，即BCDFG多点构成的东西坡屋面，光【guāng】伏组件朝【cháo】向正南【nán】布【bù】置【zhì】时的间距计算公式【shì】，D为中心间【jiān】距(D=BG长度，D1=BC为组件的投影【yǐng】长【zhǎng】度，D2=GC为间距)，D3为水平面【miàn】AE光线投【tóu】影长度，D2=GC就为D3的南北【běi】分【fèn】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【jiàn】筑屋面不【bú】是【shì】正东、正西坡度，而【ér】且光伏组件不是采用平铺【pù】方式安装，光伏组件与屋面之间有一定的倾角。根据【jù】上【shàng】面公式【shì】，考虑建筑方位角来【lái】修正【zhèng】光【guāng】伏组【zǔ】件朝向相对【duì】太阳【yáng】位置的相对方【fāng】位角【jiǎo】，以及屋面倾角修【xiū】正对于【yú】斜坡阴影【yǐng】的影响。对于东【dōng】坡应考虑修【xiū】正下午15:00时的【de】太阳方位【wèi】角，对于西坡应考虑修正【zhèng】上午【wǔ】9:00时的太阳【yáng】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【zhōng】的【de】部分，光伏组件同【tóng】类【lèi】型布置，但建筑【zhù】方位【wèi】角不朝向正南，此时东【dōng】坡应为东偏北坡向(西坡为西偏南【nán】坡向)，应用【yòng】建筑的方位角对此时太阳的方【fāng】位【wèi】角进行修正，前【qián】后排光伏组件的中心间距可【kě】采用【yòng】以下【xià】公式计【jì】算：

 

 

总结：

本文总结【jié】了建筑屋顶【dǐng】上光伏电【diàn】站的几种坡面【miàn】安装【zhuāng】类型，在混凝土平面屋【wū】面上【shàng】最佳倾角【jiǎo】设计光伏阵【zhèn】列和在彩钢瓦屋面上平【píng】铺光伏组【zǔ】件，是最为【wéi】常见【jiàn】的光伏建筑，其他几种【zhǒng】光伏组件的布置方式【shì】，在某些建筑【zhù】中也会【huì】有采用【yòng】，本文推导【dǎo】了相关的光【guāng】伏阵列【liè】间【jiān】距计算公【gōng】式【shì】，供光伏【fú】同行参考【kǎo】。由于建筑的多样化，本文还有一些特殊的建筑物未能考虑，比如拱【gǒng】形【xíng】屋面、蛋【dàn】壳式屋顶等。由于作【zuò】者经验有限，不足之处【chù】，欢迎同行交流【liú】。