分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝過(guò)程中對(duì)屋面的影響及用電安全分析

胡俊新

安徽四創(chuàng)電子科技股份有限公司，安徽合肥 230000

光伏發(fā)電主要是通過(guò)應(yīng)用光伏組件、逆變器等電子設(shè)備，使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)代化發(fā)電方式。可以說(shuō)，這是一種新型的、清潔的、環(huán)保的、發(fā)展空間廣闊的綜合能源利用方式。一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展至今技術(shù)已非常成熟，維護(hù)簡(jiǎn)單，完全可以做到無(wú)人值守，綠色、環(huán)保、可再生是其廣受推廣的主要原因；另一方面，還切實(shí)緩解了電能在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中的損耗問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)代能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 分布式光伏電站屋面選擇與支架結(jié)構(gòu)方案的思考

現(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的屋頂分布式光伏發(fā)電站主要建設(shè)于兩種類型屋面，即混凝土屋面以及工廠廠區(qū)彩鋼板屋面。這兩種屋面，在應(yīng)用方面各有其優(yōu)點(diǎn)，在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也存在一定的差異性。下面，就對(duì)這兩種屋面應(yīng)用形式進(jìn)行分析研究。

1.1 混凝土屋面

混凝土屋面與彩鋼瓦屋面相比較，其承載能力能較強(qiáng)，能夠承受較強(qiáng)的風(fēng)壓以及雪壓，安全性以及穩(wěn)定性突出。同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)屋面不需要在原屋頂上進(jìn)行打孔、改造、破壞，對(duì)屋面的防水、隔熱保溫不產(chǎn)生任何負(fù)面影響。現(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的混凝土屋面支架結(jié)構(gòu)方案主要落實(shí)在以下幾個(gè)方面：第一種，預(yù)制負(fù)重鋼筋混凝土塊結(jié)構(gòu)。這一方案首先需要對(duì)施工地的風(fēng)速以及風(fēng)向進(jìn)行調(diào)查，對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上，可以對(duì)混凝土塊的配重進(jìn)行計(jì)算。在施工時(shí)，先加工好混凝土塊，再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。第二種，預(yù)制鋼筋混凝土壓塊方案。為了使組件支架能夠在風(fēng)壓作用之下保證穩(wěn)定性，可以將支架直接放置在屋面平面上，并于橫梁位置添加混凝土壓塊。第三種，現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)。這一方式主要是將屋面的部分鋼筋露出，并焊接基礎(chǔ)支架。在這一基礎(chǔ)上，進(jìn)行混凝土的澆筑，以此形成屋面結(jié)構(gòu)。第四種，主要是考慮老舊建筑屋頂?shù)某兄貑?wèn)題，可以選擇利用鋼構(gòu)材料將光伏陣列前后左右排焊接形成一個(gè)整體，利用系統(tǒng)自重，最后與女兒墻有效連接，如此可以減輕負(fù)重塊重量或不用負(fù)重塊，從而減輕光伏發(fā)電系統(tǒng)加載在屋頂?shù)闹亓縼?lái)保證屋面的使用安全。

1.2 彩鋼瓦屋面

彩鋼瓦一般應(yīng)用于輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物之上，其重量較輕，施工方便。一般工業(yè)廠房彩鋼板屋面較為空曠、屋頂面積規(guī)模較大，對(duì)分布式光伏發(fā)電站的建設(shè)具有非常大的推廣價(jià)值?，F(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的彩鋼瓦屋面支架結(jié)構(gòu)主要涵蓋以下幾個(gè)重要方面。首先，直立鎖邊結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)夾具將螺栓擰入，以此實(shí)現(xiàn)連接緊固的效果，而不需要應(yīng)用穿透板，對(duì)屋面防水層沒(méi)有破壞。其次，角馳型結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)波峰的形狀，通過(guò)夾扣的形式對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行固定，以此實(shí)現(xiàn)組件的安裝。再次，梯形結(jié)構(gòu)，即通過(guò)自攻螺釘與橡膠墊配合（必要時(shí)加專用防水膠）實(shí)現(xiàn)夾具在屋頂?shù)墓潭?，在此基礎(chǔ)上，落實(shí)導(dǎo)軌的安裝以及組件的固定。彩鋼板屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)支架直接利用專用的夾具來(lái)安裝固定，進(jìn)而使光伏組件與屋面彩鋼板形成一個(gè)統(tǒng)一整體，無(wú)需加裝混凝土屋面的負(fù)重塊，這樣系統(tǒng)整體加載在屋頂?shù)闹亓枯^混凝土屋面輕。

2 分布式系統(tǒng)光伏支架的強(qiáng)度及屋面承重計(jì)算

2.1 混凝土屋面負(fù)重式光伏支架屋面

首先，要進(jìn)行取值設(shè)計(jì)。舉例說(shuō)明，某一區(qū)域的荷重最大設(shè)固定負(fù)載為G=136，風(fēng)壓荷載是W[2]。其安裝面積的長(zhǎng)為10.125m，寬為2.973m。如此，就可以對(duì)支架的強(qiáng)度進(jìn)行運(yùn)算。下面，就以具體的實(shí)例進(jìn)行運(yùn)算實(shí)踐。已知組件尺寸為1640mm×990mm×50mm；組件重量為20kg；最大風(fēng)速為30m/s。安裝方式：組件安裝采用縱向2×10陣列安裝，20塊組件為一個(gè)單元；采用固定傾角鋼支架，支架傾角為33°（對(duì)于混凝土屋面，采用最佳傾角33°安裝的系統(tǒng)需要考慮足夠的配重，確保組件方陣的穩(wěn)定可靠）。屋面高度為10 m。

現(xiàn)以2×10陣列為一個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算，則光伏組件質(zhì)量G1=20kg×20=400kg，因此，C形軌道承載的固定荷載重量G=400×9.8=3920N，根據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，再考慮風(fēng)載荷W、雪荷載S、地震荷載FEk、荷載基本組合P，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)計(jì)算材料彎曲應(yīng)力δ，比對(duì)受彎構(gòu)件允許的撓度值L/250，來(lái)確定支架結(jié)構(gòu)的安全性。屋頂承重的相關(guān)計(jì)算：光伏組件質(zhì)量G1=20×20=400 kg，支架總荷質(zhì)量G2=136 kg，混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量G3=160×10=1600 kg。因此，總荷重G4=400+136+1600= 2136kg，組件安裝面積為10.125×2.973=30.1m2；屋頂單位面積受力為2136/30.1=70.96kg/m2=0.80kN/m2。

由于本項(xiàng)目建筑均為上人屋面，根據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)計(jì)，混凝土屋面設(shè)計(jì)載荷為2 kN/ m2，屋頂平均載荷為0.80kN/m2，安裝太陽(yáng)能方陣后的載荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)載荷，所以屋面承重安全。

2.2 彩鋼板屋頂光伏系統(tǒng)屋面承重計(jì)算

彩鋼板屋頂光伏組件的排布、支架設(shè)計(jì)主要考慮屋頂?shù)某兄?、采光、通風(fēng)、排水、電纜敷設(shè)、電氣設(shè)備安裝、后期維護(hù)等因素，光伏板鋪設(shè)密度一般取屋頂整體面積的0.6～0.9左右，具體光伏組件分布情況還需視屋頂載荷分析情況來(lái)校核。彩鋼板屋頂光伏系統(tǒng)重量主要為太陽(yáng)能光伏組件、導(dǎo)軌支架、夾具、電纜等的自重，目前加裝在屋頂?shù)墓夥Ъ芟到y(tǒng)單位重量一般約20kg/m2，通過(guò)分析屋頂載荷來(lái)復(fù)核加裝的光伏系統(tǒng)重量是否滿足屋頂?shù)陌踩兄?，必要時(shí)應(yīng)減少屋頂面積利用率。

3 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造與電能質(zhì)量

3.1 構(gòu)造

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造主要由太陽(yáng)電池組件以及控制逆變兩部分構(gòu)成。太陽(yáng)能電池組件是電能的應(yīng)用模塊，其決定著光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效果以及應(yīng)用價(jià)值。而控制系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制核心，其主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的效能以及安全性具有非常重要的實(shí)際影響，其主要由匯流箱、逆變器、防雷接地裝置構(gòu)成。匯流箱的作用，主要就是對(duì)系統(tǒng)之中的多個(gè)太陽(yáng)能組件進(jìn)行匯總操作，使分散的電能有機(jī)的集中起來(lái)。如此，通過(guò)匯流箱將相同規(guī)格的列陣串聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行統(tǒng)一的輸出。一方面優(yōu)化了系統(tǒng)的實(shí)用性以及可靠性，有利于提高運(yùn)行的效率。另一方面，有利于便捷的開(kāi)展檢修工作，能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性?？梢哉f(shuō)，通過(guò)匯流箱的作用，使系統(tǒng)有機(jī)的發(fā)揮出了其最大的功效。

逆變器，就是使系統(tǒng)之中運(yùn)行的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置內(nèi)容[3]。逆變器的作用，在某種程度上決定了系統(tǒng)的整體輸出效率，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義。逆變器的工作原理主要是對(duì)半導(dǎo)體的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行中斷以及聯(lián)通，以此實(shí)現(xiàn)直流電與交流電之間的轉(zhuǎn)換，可以說(shuō)，其是整流發(fā)生變化的逆變流程。

為了保證光伏系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及可靠性，必須要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行防雷接地設(shè)置。通過(guò)這一裝置，能夠有效地避免線路或裝置被雷電擊中，并在發(fā)生雷擊現(xiàn)象的時(shí)候，直接將雷電所攜帶的電壓導(dǎo)入到地面之中，以此避免或降低雷電對(duì)系統(tǒng)造成的損害，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全性以及穩(wěn)定性的根本目的。

3.2 電能質(zhì)量評(píng)價(jià)

一個(gè)較為理想的電力系統(tǒng)，應(yīng)該能夠通過(guò)恒定的標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行電能的輸送，并按照嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)電壓數(shù)值對(duì)用戶進(jìn)行供電，以此保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)可以落實(shí)在電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓閃變、電網(wǎng)諧波、三項(xiàng)不平衡度等幾個(gè)方面。按照我國(guó)的 《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》以及《光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》 的相關(guān)規(guī)定，光伏系統(tǒng)在向相應(yīng)區(qū)域內(nèi)提供電能時(shí)，應(yīng)該在電壓、諧波、頻率、波形畸變、功率因數(shù)等方面滿足既定的標(biāo)準(zhǔn)。

逆變器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)電能質(zhì)量影響最為關(guān)鍵的一個(gè)設(shè)備，逆變器的好壞直接影響分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，逆變器在出廠使用時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)必須滿足國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，逆變器在使用前必須通過(guò)NB/T 32004—2013光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范、CGC-R46016l：2013 太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施細(xì)則、光伏并網(wǎng)逆變器 （判定依據(jù)） 等相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

大型的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)驗(yàn)收要求更為嚴(yán)格，項(xiàng)目在竣工后，施工單位、監(jiān)理方、業(yè)主方三方對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量進(jìn)行檢查并消缺，消缺完成后向縣、市供電部門(mén)提出并網(wǎng)驗(yàn)收申請(qǐng)，供電部門(mén)根據(jù)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目并網(wǎng)技術(shù)驗(yàn)收規(guī)范來(lái)驗(yàn)收項(xiàng)目直至達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，這樣層層把關(guān)就保證了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在投運(yùn)前的用電安全。大型的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在并網(wǎng)前還需提供有資質(zhì)單位出具的環(huán)境評(píng)估報(bào)告、電能質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告等資料，完全保證了分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的用電安全、環(huán)境安全[4]。

現(xiàn)階段的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在以上各部分指標(biāo)方面，都能夠滿足GB/T14549—1992的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，諧波電流普遍處于逆變器評(píng)定輸出的5%以下，偶次諧波能夠保證在諧波限制的25%以下。這一標(biāo)準(zhǔn)意味著光伏發(fā)電系統(tǒng)完全不會(huì)對(duì)周圍的用戶造成身體上的不良影響，完全能夠投入普及使用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分布式光伏系統(tǒng)是我國(guó)現(xiàn)階段重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的新能源項(xiàng)目，其對(duì)優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要的積極意義。對(duì)此，必須要落實(shí)系統(tǒng)對(duì)屋面的影響，并進(jìn)行科學(xué)的支架結(jié)構(gòu)選擇，嚴(yán)格把抓設(shè)備質(zhì)量及項(xiàng)目施工質(zhì)量，以此促進(jìn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 韋立坤，趙波，吳紅斌，等.虛擬電廠下計(jì)及大規(guī)模分布式光伏的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置優(yōu)化模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（23）：66-74.

[2] 劉皓明，陸丹，楊波，等.可平抑高滲透分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的儲(chǔ)能電站調(diào)度策略[J].高電壓技術(shù)，2015，41（10）：3213-3223.

[3] 買(mǎi)發(fā)軍，潘甲龍，白榮麗. 混凝土平屋面光伏支架強(qiáng)度及屋面承重計(jì)算[J].太陽(yáng)能與建筑，2015，11（13）：63-64.

[4] 劉健，黃煒.分布式光伏電源與負(fù)荷分布接近條件下的可接入容量分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（2）：299-306.