屋頂分布式光伏項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)研究

[摘 要]隨著全球能源需求的不斷增加和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，屋頂分布式光伏項(xiàng)目逐漸成為一種重要的可再生能源利用形式。文章分析了分布式光伏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，探討了光伏組件選型、逆變器配置、系統(tǒng)布線及并網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要點(diǎn)，以期為屋頂分布式光伏項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供參考。

[關(guān)鍵詞]屋頂分布式光伏；光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)；光能利用效率；逆變器配置；并網(wǎng)技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TM615 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0028–03

Research on Design Technology of Roof Distributed Photovoltaic Projects

FENG Shunlin，MA Wuxing

[Abstract]With the continuous increase in global energy demand and the improvement of environmental awareness， rooftop distributed photovoltaic projects have gradually become an important form of renewable energy utilization. The article analyzes the basic structure and working principle of distributed photovoltaic systems， explores the design methods and technical points of key links such as photovoltaic module selection， inverter configuration， system wiring， and grid connection technology， in order to provide reference for the design and implementation of rooftop distributed photovoltaic projects.

[Keywords]rooftop distributed photovoltaics； photovoltaic system design； light energy utilization efficiency； inverter configuration； grid connected technology

1 屋頂分布式光伏系統(tǒng)概述

1.1 分布式光伏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

分布式光伏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括光伏組件、逆變器、支架系統(tǒng)、配電設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)[1]。光伏組件是核心部分，其主要功能是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電。逆變器的作用是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以便并入電網(wǎng)或供電給交流負(fù)載。逆變器的性能直接影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，常用的類型包括集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器。集中式逆變器適用于大規(guī)模光伏電站，組串式逆變器常用于中小型系統(tǒng)，微型逆變器則適用于每個(gè)光伏組件單獨(dú)控制的系統(tǒng)。支架系統(tǒng)用于安裝和固定光伏組件，其設(shè)計(jì)必須考慮屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和承載能力，確保光伏組件在各種氣候條件下的穩(wěn)定性和安全性。支架系統(tǒng)通常由鋁合金或不銹鋼材料制成，具有抗腐蝕、易安裝等特點(diǎn)。配電設(shè)備包括配電箱、斷路器和交流匯流箱等，用于電力的傳輸和分配，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2]。監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括電壓、電流、功率和環(huán)境參數(shù)等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，提高系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)效率。

1.2 屋頂光伏系統(tǒng)的工作原理

屋頂光伏系統(tǒng)的工作原理基于光伏效應(yīng)，通過(guò)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能來(lái)實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)。光伏組件由多個(gè)光伏電池組成，這些電池通常由硅材料制成。當(dāng)光子照射到光伏電池表面時(shí)，能量被吸收并激發(fā)電子，從而產(chǎn)生電子–空穴對(duì)。在電場(chǎng)的作用下，電子和空穴被分離，分別向?qū)щ妼雍捅畴妼右苿?dòng)，形成電流。

在屋頂安裝光伏系統(tǒng)時(shí)，需考慮角度、朝向和陰影等因素，以最大化光伏組件的光照接收效率。系統(tǒng)的安裝位置應(yīng)避開(kāi)建筑物、樹(shù)木等障礙物的遮擋，確保光伏組件能夠充分吸收太陽(yáng)能。角度和朝向的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)的發(fā)電效率，通常建議根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜌夂驐l件，調(diào)整組件的傾斜角度和朝向，以獲得最佳的光照效果。

1.3 屋頂安裝的特殊要求

屋頂安裝的特殊要求主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)安全、光照條件和防水措施等方面。建筑結(jié)構(gòu)必須能夠承受光伏組件及其支架的重量，并抵抗風(fēng)雪等自然災(zāi)害的影響。屋頂光伏系統(tǒng)應(yīng)避免遮擋，以保證光照充足，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。為防止屋頂漏水，安裝過(guò)程中需采用防水材料和密封技術(shù)，確保支架與屋頂接觸部分的防水性能。合理規(guī)劃電纜布線，避免電纜受損和短路風(fēng)險(xiǎn)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行和長(zhǎng)期可靠性。

2 屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件的選型

光伏組件的類型、功率和效率直接影響系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟(jì)性。

光伏組件的主要類型包括單晶硅、多晶硅和薄膜光伏組件。單晶硅組件具有較高的轉(zhuǎn)換效率，適合空間有限的屋頂安裝，但其成本較高。多晶硅組件雖然轉(zhuǎn)換效率稍低，但其性價(jià)比高，適合預(yù)算有限的項(xiàng)目。薄膜光伏組件具有重量輕、柔性好等優(yōu)勢(shì)，適用于特定的屋頂結(jié)構(gòu)，但其轉(zhuǎn)換效率較低[3]。

光伏組件的功率越高，同樣面積下產(chǎn)生的電量越大，能更好地滿足用戶的電力需求。在選擇光伏組件時(shí)，需要根據(jù)屋頂面積、日照條件和用戶需求，綜合考慮光伏組件的功率，確保系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。轉(zhuǎn)換效率高的光伏組件能將更多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)選用效率高、穩(wěn)定性好的光伏組件，以確保長(zhǎng)期的能源產(chǎn)出。選擇知名品牌的光伏組件，能夠獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量保證和完善的售后服務(wù)，減少維護(hù)成本和系統(tǒng)故障率。品牌組件通常經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，性能穩(wěn)定，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。溫度系數(shù)影響光伏組件在高溫環(huán)境下的性能，衰減率反映了組件在長(zhǎng)期使用中的性能變化，耐候性決定了組件在風(fēng)吹日曬中的耐久性。這些參數(shù)直接影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和使用壽命。

以福建省晉江市某屋頂分布式光伏項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目地處福建東南沿海，屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，氣候暖熱，夏長(zhǎng)冬短，臺(tái)風(fēng)、暴雨、洪澇、低溫、干旱等災(zāi)害性天氣時(shí)有發(fā)生?？紤]當(dāng)?shù)刎S富的太陽(yáng)光照資源和多變的氣候條件，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在光伏組件選型上進(jìn)行了深入研究和精細(xì)計(jì)算。根據(jù)項(xiàng)目屋頂?shù)挠行娣e、預(yù)期發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)性要求，決定采用高效光伏組件以降低度電成本。經(jīng)過(guò)綜合比較，最終選用了555 Wp的光伏組件，該組件具有較高的轉(zhuǎn)換效率和良好的溫度特性，能夠在不同氣候條件下保持穩(wěn)定的發(fā)電性能。在品牌選擇上，優(yōu)先考慮了主流光伏組件制造商的產(chǎn)品，確保組件的質(zhì)量和可靠性。所選組件均符合GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，并通過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。在光伏組件的排列和安裝方式上，根據(jù)屋頂結(jié)構(gòu)和朝向，設(shè)計(jì)了合理的方陣布局。每個(gè)光伏方陣中，各光伏組件的電氣性能參數(shù)保持一致，采用同一規(guī)格、同一品牌的產(chǎn)品，以確保發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，壓塊選用高強(qiáng)度鎂鋁合金，增加壓塊數(shù)量，增大壓塊面積，確保在惡劣天氣下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 逆變器的配置

逆變器的選擇應(yīng)考慮功率匹配、轉(zhuǎn)換效率和可靠性。功率匹配需要根據(jù)光伏組件的總輸出功率選擇合適的逆變器，以確保系統(tǒng)的最佳運(yùn)行。轉(zhuǎn)換效率則要求逆變器具備高效的直流–交流轉(zhuǎn)換能力，以減少能量損耗。逆變器的可靠性和耐用性也是關(guān)鍵，需要具備良好的散熱性能和防護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境條件[4]。

2.3 系統(tǒng)布線與并網(wǎng)技術(shù)

合理的系統(tǒng)布線不僅能減少電能損耗，還能提高系統(tǒng)的安全性。布線過(guò)程中，需要考慮光伏組件的排列和電纜的長(zhǎng)度，以減少電壓降和能量損失。應(yīng)選擇高質(zhì)量的電纜和連接器，以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。并網(wǎng)技術(shù)方面，逆變器的選擇和配置至關(guān)重要，需保證其與電網(wǎng)的兼容性和穩(wěn)定性。并網(wǎng)逆變器應(yīng)具備良好的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，并符合國(guó)家電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)需配置完善的保護(hù)裝置，如防孤島效應(yīng)保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)等，以保障系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化與技術(shù)發(fā)展

3.1 提升光能利用效率

在提升光能利用效率方面，需要優(yōu)化光伏組件的選型。高效光伏組件能夠更有效地將光能轉(zhuǎn)化為電能，選擇具有較高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性能的組件至關(guān)重要。在江蘇蘇州某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，一家大型制造企業(yè)實(shí)施了屋頂分布式光伏系統(tǒng)的全面升級(jí)，顯著提升了光能利用效率。該企業(yè)選用了最新一代的單晶硅高效光伏組件，這些組件憑借超過(guò)21%的轉(zhuǎn)換效率和卓越的耐候性能，確保了即使在多云天氣下也能高效地將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該企業(yè)引入了智能模塊化逆變器，這些逆變器不僅具有高效電能轉(zhuǎn)換能力，還內(nèi)置了先進(jìn)的MPPT算法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)光伏組件的輸出功率，自動(dòng)調(diào)整至最佳工作狀態(tài)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。逆變器還支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，極大地降低了運(yùn)維成本。在系統(tǒng)布線方面，采用了高導(dǎo)電率的銅心電纜，并設(shè)計(jì)了科學(xué)合理的布線方案，避免了長(zhǎng)距離傳輸和線纜交叉，有效減少了電阻損耗和能量損失。光伏陣列的布局充分考慮了建筑物朝向和周圍環(huán)境因素，通過(guò)精確計(jì)算陰影遮擋情況，確保每一塊光伏組件都能最大限度地接收到陽(yáng)光照射。并網(wǎng)環(huán)節(jié)，采用了先進(jìn)的并網(wǎng)控制技術(shù)，與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)需求自動(dòng)調(diào)整發(fā)電量，確保在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定的同時(shí)，最大化地利用光伏發(fā)電資源。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性

穩(wěn)定性主要指系統(tǒng)在各種工作條件下保持正常運(yùn)行的能力，可靠性則是指系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)故障運(yùn)行的概率。

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法包括優(yōu)化組件選型、合理配置逆變器、精確設(shè)計(jì)系統(tǒng)布線。選擇質(zhì)量過(guò)硬的光伏組件和逆變器能有效減少故障率。精確的布線設(shè)計(jì)則能確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性，減少線路損耗和干擾。

針對(duì)可靠性問(wèn)題，需建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。引入冗余設(shè)計(jì)也是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段，通過(guò)冗余配置關(guān)鍵組件，確保在部分組件失效時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作。

系統(tǒng)的定期維護(hù)和檢查也是保障其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施，包括清潔光伏板表面、檢查電氣連接和逆變器狀態(tài)。通過(guò)以上方法，可以有效提高屋頂分布式光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的高效運(yùn)行。

3.3 未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向

在屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常見(jiàn)問(wèn)題包括光伏組件的遮擋、逆變器故障、系統(tǒng)布線不當(dāng)及并網(wǎng)難題。針對(duì)光伏組件的遮擋問(wèn)題，可采用遮擋優(yōu)化算法和模塊級(jí)電力電子技術(shù)，以減少遮擋對(duì)系統(tǒng)性能的影響。逆變器故障問(wèn)題則需通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和智能監(jiān)控系統(tǒng)提高逆變器的可靠性。系統(tǒng)布線不當(dāng)常導(dǎo)致能量損失和安全隱患，通過(guò)優(yōu)化布線方案和使用高質(zhì)量電纜可有效解決。并網(wǎng)技術(shù)方面，采用智能并網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的并網(wǎng)效率和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)，屋頂分布式光伏系統(tǒng)能提高光能利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)不同屋頂結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和極端氣候下的表現(xiàn)，還需要進(jìn)一步研究。此外，如何降低系統(tǒng)成本和提高施工效率也是重要問(wèn)題。未來(lái)，可以深入研究各類屋頂結(jié)構(gòu)對(duì)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，開(kāi)發(fā)更有針對(duì)性的方案。還可以探索新材料和新技術(shù)在光伏組件和逆變器中的應(yīng)用，提升系統(tǒng)性能和可靠性。同時(shí)，加強(qiáng)系統(tǒng)全生命周期管理，包括智能監(jiān)控、運(yùn)維優(yōu)化和廢棄組件回收利用，以實(shí)現(xiàn)屋頂分布式光伏項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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