并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計

汪樹升

（寧夏新能源研究院（有限公司））

并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計

汪樹升

（寧夏新能源研究院（有限公司））

本文概述了并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的設(shè)計思路及設(shè)計原則，本著理論聯(lián)系實際的觀念，選取典型的實際屋頂詳細(xì)描述整個系統(tǒng)設(shè)計過程，展現(xiàn)了一種實際的設(shè)計工作思路和過程，讓設(shè)計人員、施工人員、研究人員都充分地理解并網(wǎng)型屋頂分布式光伏系統(tǒng)及設(shè)計思路，對今后屋頂分布式光伏的推廣、應(yīng)用、設(shè)計及研究有著一定的借鑒價值。

并網(wǎng)型；屋頂；分布式光伏發(fā)電；設(shè)計

0 引言

如今，人們對地球上資源的不斷索取導(dǎo)致能源危機和環(huán)境污染逐步加劇，光伏能源作為一種新型的清潔能源，成為世界各國研究開發(fā)的熱門。經(jīng)過長時間的研究，光伏發(fā)電技術(shù)逐步走向成熟。目前國內(nèi)外大型光伏電站如雨后春筍不斷增多，而為了有效利用土地空間及減少能量傳輸損耗，分布式光伏發(fā)電已成為目前重點發(fā)展方向，如利用建筑屋頂可用面積安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅解決自家供電，同時還能長期地向公用電網(wǎng)提供電能。

本文概述了并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，簡單羅列了系統(tǒng)的設(shè)計思路及設(shè)計原則，分享了一些設(shè)計經(jīng)驗，重點從實際工況出發(fā)，以銀川市某商業(yè)樓頂為例開展并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計，依托實際工況的設(shè)計描述更為形象具體，易于理解及應(yīng)用，對今后屋頂分布式光伏的推廣、應(yīng)用、設(shè)計及研究有著極其重要的借鑒價值。

1 并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電在通常情況下指的是利用建筑樓頂（住宅房頂、居民及商業(yè)樓頂、農(nóng)村土木結(jié)構(gòu)屋頂、彩鋼房頂?shù)龋橹危ㄔO(shè)起來的小型的能夠就近提供用戶用電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。它是光伏發(fā)電的一種應(yīng)用模式，其技術(shù)形式簡單、環(huán)保、經(jīng)濟、無污染、無噪聲、無機械轉(zhuǎn)動和化石燃料的損耗，系統(tǒng)架設(shè)便捷，屋頂組件還有一定的遮陽作用，不影響用電質(zhì)量，并在一定程度上解決了光伏發(fā)電遠距離傳輸?shù)碾娔軗p耗問題。

并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由電池組件、組件支架、逆變器、智能控制模塊等組成，其發(fā)電原理簡單，以屋頂為基礎(chǔ)裝設(shè)組件，系統(tǒng)的光伏組件方陣在光照的作用下，利用光生伏特效應(yīng)，將光輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，產(chǎn)生直流電通過光伏專用線將其送入逆變器并將直流電轉(zhuǎn)化成交流電并入配電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能部分就近供建筑物內(nèi)部負(fù)荷消納，多余電能送入配電網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，效果圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路及原則

并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計思路：

1）勘察建筑屋頂選取合適的組件安裝位置（考慮陰影遮擋、屋頂結(jié)構(gòu)和組件安裝方式），測量可利用的屋頂面積；

2）測量建筑屋頂?shù)乩碜鴺?biāo)，分析當(dāng)?shù)毓赓Y源和組件最佳安裝傾角，計算組件安裝間距；

3）屋頂可利用面積組件布置設(shè)計，測算屋頂可鋪設(shè)的光伏組件總?cè)萘浚?/p>

圖1 并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)效果圖

4）依據(jù)建筑自用電負(fù)荷功率、業(yè)主資金情況、經(jīng)濟效益等因素，確定最終屋頂鋪設(shè)容量（小于等于屋頂有效面積可鋪設(shè)的最大光伏組件容量）；

5）光伏方陣串并聯(lián)設(shè)計及逆變器選型；

6）電氣主接線設(shè)計。

并網(wǎng)式屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計原則：

1）必須遵循合理性、經(jīng)濟性、安全性、節(jié)約性；

2）需了解當(dāng)?shù)氐臍夂?、地震烈度、屋面坡度、地理位置等因素?/p>

3）要考慮提高發(fā)電效率，保證人身安全、提供優(yōu)良的環(huán)境；

4）需要考慮施工的便捷程度。

3 系統(tǒng)設(shè)計要求及經(jīng)驗

并網(wǎng)式屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計基本要求：

1）選取具有承載組件能力的建筑屋頂；

2）光資源、組件傾角、組件間距、陰影遮擋等需要分析計算，不能隨意確定；

3）分析計算當(dāng)?shù)貧夂?，考慮支架及安裝的可靠安全性；

4）電氣設(shè)備及線纜的選型和配置要合理安全；

5）光伏發(fā)電系統(tǒng)運行安全性和持久性。

并網(wǎng)式屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計經(jīng)驗分享：

1）通常情況下水泥屋頂多數(shù)考慮最佳傾角安裝，而彩鋼瓦屋頂或坡面屋頂考慮沿向陽屋頂面鋪設(shè)（特殊需求除外）；

2）光資源需要多數(shù)據(jù)庫、多軟件計算分析，并結(jié)合項目地附近實際光伏電站運行數(shù)據(jù)綜合考慮；

3）屋頂有陰影遮擋但不代表一定不能利用，要詳細(xì)分析遮擋的時間段，把遮擋規(guī)律相同的組件接入組串逆變器的一組MPPT中，減少短板效應(yīng)。

4 典型實例設(shè)計

依據(jù)選取的典型工況進行并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計，充分展現(xiàn)了整個設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù)，讓并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計技術(shù)更為通俗易懂地理解及應(yīng)用。

4.1 場址情況

以銀川市某商業(yè)樓頂為例開展并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)計。

1）現(xiàn)場勘查及收資：勘查現(xiàn)場工況，大樓高約23m，樓頂較空曠平坦且周邊無其他建筑物遮擋，采光較好，從光資源角度初步判斷適合建設(shè)分布式光伏項目；拿儀器現(xiàn)場打點，確定好衛(wèi)星坐標(biāo)北緯X度，東經(jīng)Y度；粗略估算此樓頂可鋪設(shè)光伏容量約50kWp以內(nèi)，按50kWp容量初步勘察樓體電氣接入情況，判斷接入情況較好，采用低壓直接接入建筑物電力系統(tǒng)；收集大樓的建筑和電氣圖紙做進一步分析。

2）依據(jù)打點的衛(wèi)星坐標(biāo)值，在衛(wèi)星圖中尋找到該樓頂如圖3所示。

圖3 商業(yè)樓頂衛(wèi)星圖

4.2 光伏電池的組件

經(jīng)篩選比較，考慮到晶硅電池成熟度較高，效率穩(wěn)定，國內(nèi)外都有工程應(yīng)用實際案例，市場占有率大（其中多晶硅太陽能電池所占比重較大），且由于技術(shù)的不斷更新和硅片厚度持續(xù)減少，使其成本也在不斷縮減，同時結(jié)合實際經(jīng)驗，本工程擬選用多晶硅組件。

另外，通過市場調(diào)查，國內(nèi)部分主流廠商生產(chǎn)的多晶硅光伏組件應(yīng)用于屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實例規(guī)格在250～315Wp之間。綜合考慮組件效率、技術(shù)成熟性、市場占有率、施工便捷性以及采購訂貨時的可選擇余地，本工程初選多晶硅光伏組件的規(guī)格為270Wp。某品牌270Wp多晶硅太陽能組件規(guī)格尺寸如圖4所示，結(jié)構(gòu)及電性能主要參數(shù)如表1所示。

圖4 270Wp多晶硅太陽能組件尺寸（單位：mm）

表1 270Wp多晶硅太陽能組件結(jié)構(gòu)及電性能參數(shù)

4.3 組件最佳傾斜角與間距

4.3.1 最佳傾角計算

依據(jù)項目地經(jīng)緯度由美國NASA地球科學(xué)項目公布的衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)資料得出表2。

表2 項目地日照強度數(shù)據(jù)Monthly Averaged Radiation Incident On An Equator-Pointed Tilted Surface/(kWh/m2/day)

由上表及專業(yè)PVsyst軟件計算，并結(jié)合現(xiàn)場工況，得出當(dāng)組件按推薦23°傾角鋪設(shè)時，年輻照量為1883.4kWh/m2/a。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出場址所在地區(qū)太陽能資源豐富，年平均太陽輻射量比較穩(wěn)定，能夠為項目點光伏發(fā)電提供充足的光照資源，實現(xiàn)社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

4.3.2 組件間距的計算

光伏組件間距是決定發(fā)電量的直接因素，在安裝過程中如果間距不合理，不符合安裝要求，前一組的組件會遮擋后一組組件的太陽照射面積，因此必須考慮南、北向的前后排的陰影遮擋問題，應(yīng)計算確定組件方陣間的距離或太陽能電池方陣與建筑物的距離。一般的確定原則是：冬至當(dāng)天早9:00～下午3:00的時間段內(nèi)，太陽能電池方陣不應(yīng)被遮擋。計算公式如下（太陽能電池方陣前后間距的計算參考見圖5）。

圖5 太陽能電池方陣前后間距的計算參考

光伏方陣間距或可能遮擋物與方陣底邊的垂直距離應(yīng)不小于D：

式中，D為遮擋物與陣列的間距，m；H為遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差，m；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，deg；δ為赤緯角，deg；β為太陽方位角，deg；ω為時角，deg。

依據(jù)組件尺寸（1650mm×992mm×40mm）和組件鋪設(shè)最佳傾角（按推薦的23°傾角鋪設(shè)），在CAD軟件中制圖，并經(jīng)上式計算，光伏方陣間距取1.78m,詳細(xì)參數(shù)及布置如圖6和圖7所示。

圖6 前后排太陽能組件布置圖（單位：m）

圖7 單塊太陽能組件布置俯視圖（單位：m）

4.4 樓頂太陽能組件布置設(shè)計

在考慮到組件規(guī)格、組件鋪設(shè)傾角、組件間陰影遮擋、組件合理間距、樓頂其他建筑物陰影遮擋等問題后，用CAD繪圖軟件反復(fù)設(shè)計出如圖8所示，并經(jīng)統(tǒng)計樓頂共鋪設(shè)270Wp多晶硅太陽能組件119塊。

圖8 樓頂太陽能組件布置俯視圖

4.5 太陽能電池組件的串、并聯(lián)設(shè)計

太陽能電池組件串聯(lián)的數(shù)量多少取決于逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓，也與太陽能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓有關(guān)。而并聯(lián)組串?dāng)?shù)量與逆變器的輸出功率參數(shù)有關(guān)。

經(jīng)樓頂太陽能組件布置設(shè)計，可鋪設(shè)270Wp多晶硅太陽能組件119塊，合計總?cè)萘繛?2.13kWp，初步選取國內(nèi)某品牌額定輸出功率30kW的逆變器，其最高允許輸入電壓Vdcmax為1000V，MPPT工作電壓范圍為200～950V。

270Wp多晶硅太陽能開路電壓Voc為38.8V，最佳工作電壓Vmp為31.7V，開路電壓溫度系數(shù)為-0.30%/℃。

電池組件串聯(lián)數(shù)量計算：

式中，Vdcmax為逆變器輸入直流側(cè)最大電壓；Vdcmin為逆變器輸入直流側(cè)最小電壓；Voc為電池組件開路電壓；Vmp為電池組件最佳工作電壓；N為電池組件串聯(lián)數(shù)。

計算得，串聯(lián)多晶硅電池組件數(shù)量N為：6≤N≤25。

綜合考慮組件布置及工況等各方面因素，最終確定多晶硅光伏組件的串聯(lián)數(shù)量為N=20（塊）。

本設(shè)計主要按上述太陽能光伏組件最佳串聯(lián)數(shù)量計算，其中的每一路太陽能光伏組件串聯(lián)的額定功率容量＝270Wp×20=5400Wp。如選用額定輸出功率為30kW的逆變器，則所選逆變器需要并聯(lián)的路數(shù)=30000/5400≈6路，而額定輸出功率30kW逆變器一般具有最大輸入路數(shù)6路功能。

現(xiàn)場樓頂實際能鋪設(shè)119塊270 Wp組件，如果這119塊組件每20塊組件串聯(lián)為一路，那么需要并聯(lián)的路數(shù)=119/20≈6路（其中5路每路串聯(lián)20塊組件，1路串聯(lián)19塊組件），合計總?cè)萘?119×270=32.13kWp,相應(yīng)的推薦選用國內(nèi)某品牌的33kW組串逆變器（額定輸出功率為30kW，最大視在功率為33kVA,最大有功功率（cosφ=1)為 33kW）。

4.6 電氣接線設(shè)計

根據(jù)光伏組件選型、組件串并聯(lián)設(shè)計、所選場址條件、電氣接入情況等，最終核心設(shè)備采用270Wp組件和33kW組串逆變器，總光伏容量為32.13kWp，安裝在大樓樓頂。另由相關(guān)并網(wǎng)技術(shù)原則，本設(shè)計采用用戶側(cè)380V低壓并網(wǎng)，共1個并網(wǎng)接入點。光伏并網(wǎng)逆變器安裝在組件支架上，通過低壓電纜并入大樓負(fù)一樓380V低壓配電柜。經(jīng)電氣設(shè)計，并通過CAD軟件制圖完成電氣主接線和逆變器及組件接線，如圖9和圖10所示。

圖9 電氣主接線圖

圖10 逆變器及組件接線圖

5 結(jié)束語

在環(huán)保問題難，多種污染日益加劇，需求所迫的情況下，光伏能源成了各國開發(fā)利用的一種清潔能源。經(jīng)過不斷研發(fā)，光伏技術(shù)逐步成熟，不斷推動光伏能源的發(fā)展。同時，我國《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中均提出要積極發(fā)展及推廣分布式光伏發(fā)電，目前屋頂分布式光伏發(fā)電已成為重點發(fā)展方向之一，它具有就近發(fā)電，就近并網(wǎng)的優(yōu)勢。在這種背景下，本文較為形象地概述了并網(wǎng)型屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，依據(jù)經(jīng)驗概括性地描述了系統(tǒng)的設(shè)計思路及設(shè)計原則，本著理論聯(lián)系實際的觀念，選取典型的實際屋頂詳細(xì)描述整個系統(tǒng)設(shè)計過程，展現(xiàn)了一種實際的設(shè)計工作思路和過程，讓設(shè)計人員、施工人員、研究人員都充分地理解并網(wǎng)型屋頂分布式光伏系統(tǒng)及設(shè)計思路，對今后屋頂分布式光伏的推廣、應(yīng)用、設(shè)計及研究有著一定的借鑒價值。

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2017-09-27）