屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝設計及可行性研究

李煜 舒鑫滔 劉勇

摘要：由于運作和維護成本低，屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)得到廣泛使用?；驹硎鞘褂糜脩舻姆腔顒游蓓攣碇亟ㄎ蓓?。安裝設計時，請考慮屋頂?shù)拿娣e和承載能力。在安裝過程中，請主要使用現(xiàn)有屋頂，同時考慮使用過程的照明時間、強度和安全性。但是，目前在安裝這些系統(tǒng)時會遇到下列問題：屋頂承載能力有限;安裝能力低;安裝成本難以控制;壽命的可靠性;如果密封性受損。為了解決這些問題，本文研究了屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計和可行性。

關鍵詞：分布式光伏;屋頂;安裝設計;可行性分析

前言

太陽能是綠色清潔能源。太陽能光伏發(fā)電直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，既能滿足人民的日常電力需求，又能減少傳統(tǒng)化石能源的消耗，這對保護資源和環(huán)境十分重要。分布式光伏發(fā)電是一個靠近用戶的光伏發(fā)電項目，它產(chǎn)生供用戶自己使用和在當?shù)厥褂玫碾娏?，并以低于或等?0kv的電壓連接到公共電網(wǎng)，其中包括光伏系統(tǒng)和公共電網(wǎng)之間的電能輸入和輸出用電能計量表計量，電費按適用的費率計算。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏并網(wǎng)、雙向開關控制器、并網(wǎng)逆變器、儲能電池和電能表組成。

一、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏系統(tǒng)主要分為集中光伏系統(tǒng)和分布式光伏系統(tǒng)。集中光伏發(fā)電系統(tǒng)主要安裝在廣闊的土地上，所生產(chǎn)的電力與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)均勻部署光伏發(fā)電系統(tǒng)，為用戶供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏系統(tǒng)主要是在用戶地點附近建造的光伏電站，主要特點是用戶自發(fā)使用和獲得剩馀電力。中央光伏電站是一個大型并網(wǎng)光伏電站，投資量大、面積大、輸電線路長。與集中光伏發(fā)電相比，分布式光伏發(fā)電具有地面面積小、對電網(wǎng)依賴小、智能靈活等優(yōu)點，被認為是光伏發(fā)展的主要方向。目前，世界其他地區(qū)主要使用分布式發(fā)電，占所有光電系統(tǒng)的80%以上。同時，分布式光伏發(fā)電可分為漁業(yè)農(nóng)業(yè)的補充光伏發(fā)電、光伏路燈、屋頂分布式光伏發(fā)電等。其中，屋頂分布式光伏發(fā)電是分布式光伏發(fā)電的主要形式，一直是各國發(fā)展的主要形式。

二、分布式光伏系統(tǒng)安裝設計

1.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的必要性分析

光伏系統(tǒng)設備的使用壽命為25年，是開發(fā)和使用的一次性投資和長期效益。系統(tǒng)會充分利用和重新開發(fā)閑置屋頂。此外，在使用過程中還具有下列特性：（1）屋頂系統(tǒng)彼此獨立，并受到平行控制，以避免屋頂發(fā)生大規(guī)模停電;（2）可以獨立集中供電，操作方便，彌補大型電網(wǎng)的不穩(wěn)定;（3）無需建造配電站就能在當?shù)匕l(fā)電，從而減少遠距離配電的損失，安裝成本相對較低，偏遠地區(qū)更好地適應電力供應;（4）峰值調(diào)節(jié)性能良好，操作簡單;（5）設備操作系統(tǒng)少，操作和控制方便，自動化方便;（6）污染低，環(huán)境效益高。分布式光伏發(fā)電項目在發(fā)電過程中是清潔、安全、低碳和無害環(huán)境的，有助于在全球氣候觀測系統(tǒng)惡化時保護環(huán)境。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能光伏技術開發(fā)和利用綠色、清潔和豐富的太陽能，可以提高可再生能源應用的比例，促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少碳排放，促進節(jié)能環(huán)保。

2.光伏組件的布局及安裝傾角設計

（1）組件布局

光伏組件的布局和安裝取決于屋頂?shù)男螤睢⒔Y(jié)構(gòu)、承載能力和尺寸。本文設計為平屋頂。安裝光伏組件時，有三種不同的布局模式，具體取決于屋頂?shù)拇笮『托螤?。安全性、安裝和維護方便，可保持系統(tǒng)的整體美觀性。

（2）組件安裝傾角設計

部件的傾斜角度是指光伏板與屋頂之間的角度。由于太陽能的使用，設計的持續(xù)傾斜取決于其地理位置、太陽輻射的年度分布、直接輻射與漫射輻射之間的關系、供電要求和具體場地條件。在設計和安裝期間，當系統(tǒng)每年產(chǎn)生最大電力時，最佳安裝傾斜角度必須是傾斜角度。安裝傾斜設計不應太大，因為傾斜越高，構(gòu)件的抗風壓力越大，構(gòu)件支撐基礎和鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)成本也就越高。分析本地太陽輻射源數(shù)據(jù)并安裝屋頂結(jié)構(gòu)。安裝傾斜設計為35度，即光伏組件表面和地面水平排列為35度。組件固定為混凝土基礎和鋼結(jié)構(gòu)。

3.支架及組件方陣間距的設計及安裝

（1）方陣間距設計

該項目正在中國北方、北半球、太陽輻射最大量計劃的南北方向?qū)嵤?。確定手指骨骼的傾斜角度后，為了避免前后陰影，必須從北向南建立前后骨骼之間的合理距離，通常使用當天的實際照明時間（上午9：00到下午3：00）作為前后距離的計算方法。計算公式如下安裝固定矩形陣列后，斜度不會調(diào)整。光伏陣列安裝前后的最小間距d計算如下：

D=（H÷tanα）□cosβ（1）

在公式（1）中，β是太陽的方位角;α是太陽的仰角（根據(jù)局部緯度單獨計算）;h是太陽電池板的最大高度。根據(jù)公式（1），傾斜支架作為水平雙線光伏組件安裝，各組件之間間距為20mm，因此晶體硅固定支架組件的坡度寬度為2004mm.h=2004xsin35：1149mm，d-北-南=cosβxl：2500mm。

（2）支架及組件的安裝

安裝介質(zhì)和部件時，必須滿足以下要求：重量輕、成本低、可靠性高和無損壞。因此，在生產(chǎn)零部件并滿足使用條件和環(huán)境條件時，環(huán)境要求意味著零部件能夠主要根據(jù)當?shù)貧夂虺惺茱L力發(fā)電。簡單的結(jié)構(gòu)和快速安全的安裝不僅提高了系統(tǒng)安裝的效率。降低安裝成本。屋頂電站的輕型安裝方法可靠、易于建造、成本低、重量輕，可為光伏電站投資者、建造者和運營者帶來生產(chǎn)能力優(yōu)化、工期縮短和投資成本降低等客觀經(jīng)濟效益。

4.混凝土平屋頂載荷計算

如果分布式光伏電站安裝在屋頂上，首先要確?，F(xiàn)有屋頂滿足安裝要求，并考慮到屋頂?shù)某休d能力。視光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式而定，本工程光伏系統(tǒng)安裝在用戶的混凝土平頂上，作為水泥基固定鋼支架，每個部件重18.5kg，光伏組件安裝在35傾角。單塊嵌板面積為1.64m□0.992m=1.62688321m2，傾斜角度為35的屋頂平面投影面積為1.33英寸，安裝支架、電纜、橋梁、水泥基腳、泥漿等輔助材料的單位總重量為1.33英寸。其承載能力為70.5千克，為70.5/1.33=53kg/m2，低于2kn/m2。

三、經(jīng)濟可行性分析

1.投資方

根據(jù)國家發(fā)展改革委員會的通知（NDRC價格（2013年）），投資者可獲得0.42元/kwh的電費補貼，對于完全接入互聯(lián)網(wǎng)，可獲得較高的基準收入。例如，廣東省網(wǎng)上基本電價為0.98元/kWh，項目發(fā)電由南網(wǎng)廣東電網(wǎng)公司按光伏電站網(wǎng)上基本電價采購。此外，我國各省市的地方當局對分布式光伏發(fā)電項目實行了各種地方補貼政策。

2.建設成本

雖然建造光伏電站的單位成本與水力發(fā)電站或火力發(fā)電廠的單位成本沒有很大差別，但太陽能發(fā)電廠可以連續(xù)發(fā)電，而且只能在白天發(fā)電。因此，屋頂分布式光伏發(fā)電電站的建設成本相對較高。此外，光伏組件的成本占屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設總成本的一半以上。如果屋頂結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土，需要水泥樁安裝光伏組件，單位成本將增加約0.4元/瓦，光伏組件在建筑成本中所占份額將為50.63%，仍占總成本的一半以上。因此，為了最大限度地降低建筑成本，投資者通常單獨投標光伏組件，而不是將其列入建筑招標。

結(jié)束語

綜上所述，屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)充分利用未使用的屋頂資源，在安裝設計中充分考慮到屋頂?shù)某休d能力，采用水泥基鋼梁支撐的輕型安裝方法設計安裝，而不破壞屋頂?shù)姆浪畬?。滿足輕巧、低成本、可靠性和完整性要求。與此同時，對其投資預算和經(jīng)濟效益的分析符合可持續(xù)發(fā)展原則和國家能源發(fā)展政策，并對減輕環(huán)境壓力和迅速發(fā)展地方經(jīng)濟產(chǎn)生積極影響。

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