屋頂太陽能光伏發電系統的設計

李寧峰，于國才

(國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

太陽能光伏發電作為國家重點推廣的節能技術，在今后幾年將取得快速發展。太陽能光伏發電系統有離網光伏發電系統和并網發電光伏系統2種形式[1]。離網光伏發電系統常用于邊遠地區的村莊供電、微波中繼站電源、太陽能路燈系統等獨立電源場合，配有蓄電池，可以保證供電的連續性。并網光伏發電系統是指可并網運行的光伏發電系統，包括帶蓄電池和不帶蓄電池2種方式。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性，常安裝在民用建筑上；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性，常用于大型發電系統。基于對后續的大型光伏發電系統設計、運行提供技術支持和實驗條件支撐，文中的光伏發電系統設計采用了離網與并網相結合的形式，可視工作需要進行切換。

1 太陽能光伏發電系統構成

太陽能光伏發電系統通常由光伏組件、組件支架、防雷系統、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜、并網變壓器等組成，如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發電系統組成原理

系統中將光伏組件及支架按屋頂自然條件進行合理布置，形成屋頂光伏陣列，用于太陽能的獲取及光電轉換，然后根據屋頂光伏系統的特點將光伏組件進行合理串并聯后，接入防雷匯流箱，根據光伏逆變器的容量配置分路接入直流配電柜，就完成了光伏直流電源的匯集過程。直流配電柜的出口按額定功率匹配接入并網逆變器，經過逆變器將直流電流轉換為并入電網的交流電流，如逆變器的輸出電壓和并網電壓不相等，就需要經過變壓器轉換為同步的交流電壓后再并入電網。

2 太陽能光伏發電系統設計

2.1 光伏組件的選型

光伏組件按光電池材料不同可分為晶硅組件、薄膜組件及聚光組件。

晶硅組件又細分為單晶組件、多晶組件、高效多晶組件，其光電能量轉換效率在15%～20%之間，整體性價比較高，是目前應用最為廣泛的太陽能光電轉換材料。

薄膜組件具有生產成本低、便于大面積連續生產、可制成柔性卷曲形狀等特點。目前已能產業化大規模生產的薄膜太陽能電池主要有硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池（CIGS）和碲化鎘薄膜電池（CdTe）。薄膜電池轉換率在6%～8%之間，轉化率不高是制約薄膜電池組件發展的技術瓶頸。

聚光組件的優勢在于其采用廉價的光學材料來代替昂貴的硅電池材料，且轉換效率可達到40%，遠高于普通太陽能電池。不足之處是該電池組件需要冷卻裝置，聚光鏡體積較大，整體價格較高。

綜上所述，按經濟、可靠、易擴展的原則，設計擬采用晶硅組件。采用相同功率、不同材料的晶硅組件在同一環境下進行比較試驗。3個月的試驗顯示，單晶組件的發電量最高，多晶組件稍低，高效多晶組件接近單晶組件，試驗數據如表1所示。

表1 不同材料光伏組件發電性能比較

目前單晶組件的價格最高，其次為高效多晶組件和多晶組件。考慮性價比及設計目的，該設計采用多晶組件作為光伏發電系統的光電轉換器件。選用的組件外形尺寸為1665mm×991mm×50mm，單組功率為220 W，具體組件參數如表2所示。

表2 設計選用的多晶組件技術參數

2.2 光伏陣列的布局設計

2.2.1 確定光伏陣列的最佳傾角

并網光伏發電系統中，最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角，通過調整組件的放置支架得到。光伏組件支架有可變傾角和固定傾角2種形式。可變傾角適用于大型光伏發電系統；固定傾角支架相對較為簡單，一般按能獲得全年最大輻射量的組件放置角度來制作。該設計規模較小，主要用于光伏發電系統的研究與驗證，故文中采用固定傾角方式的支架。根據相關文獻[2]，南京地區正南向坡面的分月總輻射最佳傾角隨季節變化而各不相同。全年各月最佳輻射傾角的平均值為26.4°，將該角度設定為放置光伏組件支架的水平傾角。

2.2.2 確定光伏組件陣列間距

光伏陣列間距的確定原則是冬至日當天9:00至15:00，光伏陣列不會相互遮擋，一般按以下方式確定最小間距。

首先按式（1）和式（2）計算出南京地區太陽高度角α和方位角β[3]。

式中：φ為緯度，南京為北緯32.4°；δ為太陽赤緯，冬至日為-23.5°；ω為時角，9:00時角為45°。通過計算可得：sinα=0.3338 ，可知南京地區太陽高度角α為19.5°；sinβ=0.6334 ，可知南京地區太陽方位角β為39.3°。然后由式（3）確定陣列間距：

式中：D為陣列間距；H為陣列高度。因采用固定傾角的支架，由表2已知組件長度為1.665 m，南京地區光伏最佳傾角為26.4°，陣列高度為：H=1.665×sin26.4=0.74 m，可算得陣列間距D為1.6 m。

因此，光伏陣列支架應按1.6 m的間距來布置，以達到在取得最佳光伏傾角的同時，最大限度地利用有限屋頂面積資源的目的。

2.2.3 光伏組件陣列的布置

設計中可供布置光伏發電系統的樓頂有效面積為7500m2，長約60 m，寬約15 m，綜合考慮光伏組件外形及間距，可以由南向北擺放5行組件，每行50片，共可放置250片功率為225 W的多晶光伏組件，總功率約56kW。組件布置設計時，要考慮屋面承重、防水，組件抗風、防雷等問題[4]。該設計采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個整體，固定在屋面承重梁上，架體分段與屋面防雷帶相連，解決了承重、防水、抗風、防雷等問題。

2.3 光伏逆變器的選型及分組匹配

設計中采用SG 20KTL并網光伏逆變器，其部分電氣參數如表3所示。

表3 并網逆變器SG 20KTL電氣參數

因每片光伏組件輸出電壓只有29.6V，遠低于逆變器需要的直流輸入電壓，所以必須適當串聯才能滿足逆變器對輸入電壓的要求。串聯的原則是最高溫度時最佳工作電壓不低于光伏逆變器的MPPT最小電壓，否則會出現功率失真；最低溫時開路電壓不能高于光伏逆變器的最大輸入電壓，否則可能會損壞逆變器。結合所選光伏組件的相關參數，可以確定光伏組件最大和最小串聯數。

組件最小串聯數=逆變器最小輸入電壓/組件高溫最優輸出電壓=380/29.6=13；組件最大串聯數=逆變器最大輸入電壓/組件低溫開路電壓=800/36.7=21。

逆變器選定后，可確定組件的串聯片數應在13～21片之間，串聯后組件滿足了逆變器對輸入直流電壓的要求，還必須將多路串聯組件再進行合理的并聯，使組件總功率達到逆變器的設計功率，減少逆變器的資源浪費。

該設計中，組件總功率約56kW，逆變器額定輸出功率為20kW，需將組件平均分為3組接入3臺逆變器，結合組件的屋頂布置情況，及逆變器的功率匹配設計，對原來按面積布置確定的組件數量進行了微調，最終確定該光伏發電系統實際組件總數為240片，總功率54kW。每臺逆變器接入80片組件，分為5個串聯組，每組16片組件串聯，工作電壓為473.6V，輸入功率為18kW。

2.4 屋頂光伏發電系統的組成

屋頂光伏組件的輸出電流經匯流箱、并網柜、逆變器后，可直接作為電源驅動負荷。亦可切換到外部三相電網，實現小型光伏并網系統的運行。為保證系統安全可靠運行，還需要綜合設計防雷系統、保護系統、測控系統等配套設施，如圖2所示。

2.4.1 防雷系統設計

雷電主要有直擊雷和感應雷2種。直擊雷是指直接落到太陽能電池陣列、電氣設備等上面或附近的雷擊，防直擊雷主要依靠避雷針。該系統處于屋頂四周女兒墻的下方，設計采用將光伏系統的所有鋼結構與屋頂的防雷網相連，以達到防直擊雷的目的。感應雷主要由電磁感應或靜電現象產生，感應雷產生的電磁浪涌會損壞電氣設備，甚至引起火災，根據SJ/T1127的相關規定，該系統通過在直流接口設備、并網逆變器、交流配電柜的各輸入端口設置浪涌保護器來防護侵入系統的感應雷電。

2.4.2 保護及測控系統配置

該設計采用的逆變器具有RS232/RS485和以太網通信功能，系統的電流、電壓、發電量等參數可以由通信方式實時獲得，該逆變器還具有對系統直流、交流兩側開關的手動/遙控分斷和保護功能，以及先進的孤島效應檢測和防護功能。逆變器保護范圍以外，如匯流箱的輸入開關、并網變壓器開關等設備，設計中也配置了斷路保護器、狀態監視器等設施，從而保證了全系統的安全穩定運行。

3 結束語

按方案建設的屋頂太陽能發電系統已正式運行，月均發電量約6000kW·h，系統負荷切換正常，系統相關防雷、保護、電氣測量等指標均達到了設計要求，為建筑內蓄電池組和照明用電提供了環保的清潔能源。該屋頂發電系統的建設實施，為今后大型太陽能并網發電系統的研究、設計積累了經驗；也為太陽能光伏系統相關的計量、控制、保護裝置掛網運行提供了便利條件；還在防雷系統設計、支架設計等相關方面獲取了寶貴的實踐經驗。

圖2 屋頂光伏發電系統的組成結構

[1] 王長貴，崔榮強.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] 朱超群.南向坡面總輻射最佳傾角的表示式[J].南京大學學報：自然科學，1997，33（4）：623-629.

[3] 王春明，王金全.天和家園43kW屋頂并網光伏發電系統設計[J].建筑電氣，2007（2）：13-18.

[4] 喜文華.太陽能實用工程技術[M].北京：化學工業出版社，2001.