屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)及可行性研究

李煜 舒鑫滔 劉勇

摘要：由于運(yùn)作和維護(hù)成本低，屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)得到廣泛使用。基本原理是使用用戶的非活動(dòng)屋頂來(lái)重建屋頂。安裝設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)考慮屋頂?shù)拿娣e和承載能力。在安裝過(guò)程中，請(qǐng)主要使用現(xiàn)有屋頂，同時(shí)考慮使用過(guò)程的照明時(shí)間、強(qiáng)度和安全性。但是，目前在安裝這些系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到下列問(wèn)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(wèn)題，本文研究了屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可行性。

關(guān)鍵詞：分布式光伏;屋頂;安裝設(shè)計(jì);可行性分析

前言

太陽(yáng)能是綠色清潔能源。太陽(yáng)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(duì)保護(hù)資源和環(huán)境十分重要。分布式光伏發(fā)電是一個(gè)靠近用戶的光伏發(fā)電項(xiàng)目，它產(chǎn)生供用戶自己使用和在當(dāng)?shù)厥褂玫碾娏Γ⒁缘陀诨虻扔?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(jì)量表計(jì)量，電費(fèi)按適用的費(fèi)率計(jì)算。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏并網(wǎng)、雙向開關(guān)控制器、并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)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(diǎn)附近建造的光伏電站，主要特點(diǎn)是用戶自發(fā)使用和獲得剩馀電力。中央光伏電站是一個(gè)大型并網(wǎng)光伏電站，投資量大、面積大、輸電線路長(zhǎng)。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(duì)電網(wǎng)依賴小、智能靈活等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)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(shí)，分布式光伏發(fā)電可分為漁業(yè)農(nóng)業(yè)的補(bǔ)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(guó)發(fā)展的主要形式。

二、分布式光伏系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

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(shè)備的使用壽命為25年，是開發(fā)和使用的一次性投資和長(zhǎng)期效益。系統(tǒng)會(huì)充分利用和重新開發(fā)閑置屋頂。此外，在使用過(guò)程中還具有下列特性：（1）屋頂系統(tǒng)彼此獨(dú)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(dú)立集中供電，操作方便，彌補(bǔ)大型電網(wǎng)的不穩(wěn)定;（3）無(wú)需建造配電站就能在當(dāng)?shù)匕l(fā)電，從而減少遠(yuǎn)距離配電的損失，安裝成本相對(duì)較低，偏遠(yuǎn)地區(qū)更好地適應(yīng)電力供應(yīng);（4）峰值調(diào)節(jié)性能良好，操作簡(jiǎn)單;（5）設(shè)備操作系統(tǒng)少，操作和控制方便，自動(dòng)化方便;（6）污染低，環(huán)境效益高。分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在發(fā)電過(guò)程中是清潔、安全、低碳和無(wú)害環(huán)境的，有助于在全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)惡化時(shí)保護(hù)環(huán)境。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能光伏技術(shù)開發(fā)和利用綠色、清潔和豐富的太陽(yáng)能，可以提高可再生能源應(yīng)用的比例，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少碳排放，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保。

2.光伏組件的布局及安裝傾角設(shè)計(jì)

（1）組件布局

光伏組件的布局和安裝取決于屋頂?shù)男螤?、結(jié)構(gòu)、承載能力和尺寸。本文設(shè)計(jì)為平屋頂。安裝光伏組件時(shí)，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(hù)方便，可保持系統(tǒng)的整體美觀性。

（2）組件安裝傾角設(shè)計(jì)

部件的傾斜角度是指光伏板與屋頂之間的角度。由于太陽(yáng)能的使用，設(shè)計(jì)的持續(xù)傾斜取決于其地理位置、太陽(yáng)輻射的年度分布、直接輻射與漫射輻射之間的關(guān)系、供電要求和具體場(chǎng)地條件。在設(shè)計(jì)和安裝期間，當(dāng)系統(tǒng)每年產(chǎn)生最大電力時(shí)，最佳安裝傾斜角度必須是傾斜角度。安裝傾斜設(shè)計(jì)不應(yīng)太大，因?yàn)閮A斜越高，構(gòu)件的抗風(fēng)壓力越大，構(gòu)件支撐基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)成本也就越高。分析本地太陽(yáng)輻射源數(shù)據(jù)并安裝屋頂結(jié)構(gòu)。安裝傾斜設(shè)計(jì)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(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)。

3.支架及組件方陣間距的設(shè)計(jì)及安裝

（1）方陣間距設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目正在中國(guó)北方、北半球、太陽(yáng)輻射最大量計(jì)劃的南北方向?qū)嵤４_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(dāng)天的實(shí)際照明時(shí)間（上午9：00到下午3：00）作為前后距離的計(jì)算方法。計(jì)算公式如下安裝固定矩形陣列后，斜度不會(huì)調(diào)整。光伏陣列安裝前后的最小間距d計(jì)算如下：

D=（H÷tanα）□cosβ（1）

在公式（1）中，β是太陽(yáng)的方位角;α是太陽(yáng)的仰角（根據(jù)局部緯度單獨(dú)計(jì)算）;h是太陽(yáng)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(shí)，必須滿足以下要求：重量輕、成本低、可靠性高和無(wú)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(shí)，環(huán)境要求意味著零部件能夠主要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虺惺茱L(fēng)力發(fā)電。簡(jiǎn)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(yùn)營(yíng)者帶來(lái)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(jì)效益。

4.混凝土平屋頂載荷計(jì)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(gè)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(jì)可行性分析

1.投資方

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)的通知（NDRC價(jià)格（2013年）），投資者可獲得0.42元/kwh的電費(fèi)補(bǔ)貼，對(duì)于完全接入互聯(lián)網(wǎng)，可獲得較高的基準(zhǔn)收入。例如，廣東省網(wǎng)上基本電價(jià)為0.98元/kWh，項(xiàng)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(jià)采購(gòu)。此外，我國(guó)各省市的地方當(dāng)局對(duì)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)行了各種地方補(bǔ)貼政策。

2.建設(shè)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(yáng)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(shè)成本相對(duì)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(shè)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(dú)投標(biāo)光伏組件，而不是將其列入建筑招標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)，對(duì)其投資預(yù)算和經(jīng)濟(jì)效益的分析符合可持續(xù)發(fā)展原則和國(guó)家能源發(fā)展政策，并對(duì)減輕環(huán)境壓力和迅速發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生積極影響。

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