新建建筑預留光伏電站設計分析

陸超　朱健雍　楊松　張良利　沈道軍

摘? 要：現如今，利用已有廠房屋面建設分布式光伏電站已成為一種普遍模式。近十年來，全球光伏發電產業每年以40%～50%的速度在持續增長，稱得上是世界上發展最快的新型產業。然而，在設計電站時總會存在各種各樣的問題，象屋面受到陰影遮擋，廠房結構無法滿足光伏荷載要求，廠區內無合適放置電氣設備的空間等，因此實際上可能并不適合安裝光伏電站。因此，如果能在建設廠房之前規避掉可能會出現的問題，那將會縮短建設周期，大大降低光伏電站的投資成本。

關鍵詞：光伏電站;分布式;屋面;設計

中圖分類號：TM615? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

太陽能作為一種無污染的可再生能源，近年來受到了廣泛關注。而光伏發電技術則是利用太陽能電池組件將太陽光能直接轉換成電能，再配備其他的設備，象逆變器、蓄電池等，可構成完整的光伏發電系統。光伏電站最主要的形式是分布式電站，分布式光伏電站通常是指利用分散式資源，裝機規模較小的、布置在用戶附近的發電系統，它一般接入低于35 kV或更低電壓等級的電網。目前應用最為廣泛的分布式光伏電站系統，是建在城市建筑物屋頂的光伏發電項目。該類項目大部分需要接入公共電網，與公共電網一起為附近的用戶供電。

一般情況下，是在已有的建筑屋頂上設計建造光伏電站。在設計過程中，經常會受到各種因素的影響，象屋面荷載不夠，屋面設備影響光伏組件安裝，廠區或配電房沒有預留電氣設備空間等。當出現這些問題時，則往往涉及廠區的改造，這樣大大增加了投資成本，延長了施工周期，對光伏電站的建設產生不利的影響。因此，對于有規劃建設光伏電站的屋頂，我們需要在其建造時預留設計光伏電站的空間，以達到降本增效的目的。

1 荷載要求

一個屋頂的承載能力將直接影響屋頂安裝光伏電站的安全和可靠性。然而，根據現實中的情況，往往在已建好的鋼結構廠房屋頂安裝光伏電站后，廠房結構不能滿足要求。根據不同的情況，屋面分為混凝土屋面和彩鋼瓦屋面，對于這2種屋面增加的光伏荷載主要有：基礎、支架、光伏組件、電纜、橋架、匯流箱、逆變器等。但是，不同的屋面相對應荷載要求不同，在安裝光伏電站之前，應根據我國現行的建筑結構荷載規范要求，結合現場實際情況，委托專業機構，對房屋進行結構承載力復核，特別是鋼結構廠房的結構承載力。如不滿足規范要求，必須委托設計院進行加固設計，找專業施工單位對房屋進行加固處理，才能保證房屋安全可靠。所以在建設光伏前，屋面需預留光伏部分荷載，以避免后期加固，降低建設成本。

1.1 混凝土屋面

這類屋面主要為混凝土結構的屋面，為保證原有屋面的穩定性，光伏組件一般是直接擱置在屋面上，并配上配重塊來加強穩定性。根據以往經驗，混凝土屋面的承載力校核通過率大于80%，是比較適合安裝光伏電站的。混凝土屋面預留新增光伏荷載可按0.5 kN/m2～0.7 kN/m2考慮。

1.2 彩鋼瓦屋面

這類屋面的組件安裝方式主要是利用扣件直接將支架卡扣在屋面上，將光伏組件與原屋面結合在一起。角馳型彩鋼瓦屋頂夾具示意圖如圖1所示，彩鋼瓦屋面預留新增光伏荷載可按0.15 kN/m2考慮。

2 屋面配置

影響光伏發電效率的因素很多，在建設建筑物時，不僅要考慮周圍的環境，象附近遮擋物和污染源的影響，還要考慮建筑物的朝向?；炷廖蓓斪詈檬菛|西走向，這樣能確保光伏組件能夠朝正南放置，以達到發電量最大化的目的。以北京地區為例，其他條件相同的情況下，在組件方位角為正南和南偏西30° 2種不同的排布方式下，發電量有如圖2所示的區別。

由圖3可知，方位角為正南情況下，逆變器首年等效小時數為1 438 h;方位角為南偏西30°情況下逆變器首年等效小時數為1 402 h。由此可見，混凝土屋面的方位角對于發電量存在較大影響。

其次，直接影響到光伏電站發電量的因素是陰影遮擋，對于建筑物本身，廣告牌、爬梯盡量設置在屋面北部。以北京地區為例，一個高3 m，長20 m的廣告牌約能產生250 m2的陰影，將減少約150塊組件的數量。在高緯度地區這種影響將會更加明顯。同時，女兒墻設置不宜太高，為了安全考慮建議高度設置在0.8 m左右，這樣既能為日常運維人員起到一個避險的作用，又減少了陰影對組件的遮擋。不僅如此，還要規避附近的污染源，較為常見的污染源便是灰塵。灰塵對太陽輻射具有反射、散射和吸收作用，降低了光伏電池板的透射率，從而影響組件陣列的發電量;由于灰塵非均勻遮蔽光伏組件，不僅會降低輻射量，還會引起輻照量照射的不均勻，導致光伏組件失配，降低光伏發電輸出功率。同時，灰塵遮擋還會降低光伏組件表面的散熱性，導致發電效率和性能比（PR）降低，清洗費用增加，對于含氧化物的灰塵污物還將提高光伏電池的故障率，影響使用安全性，減少組件壽命。

3 廠區配置

除了屋面配置外，廠區其他設施也要考慮到為建設光伏電站預留一些空間。有計劃地建設光伏電站的廠區，可以在配電間到屋頂之間預留電力井和預埋電力管道，以避免后期破路施工的麻煩。對于低壓并網的項目，廠區變壓器容量要足夠光伏電站的接入。低壓配電房內也要有適宜的空間方便電氣柜的布置，平均每兆瓦所需空間約為50 m2。對于高壓并網項目，升壓房和開關柜需要預留約70 m2的空間，若考慮采用戶外箱變的形式，為了容納箱變基礎，廠區綠化在規劃時寬度需大于5 m。在建設光伏電站前，可先與當地電力局對接，了解當地電網條件和要求，提前為電站設計做準備。

4 結論

太陽能光伏發電作為可再生的清潔能源，受到日益廣泛的關注和應用，同時太陽能光伏發電的技術水平也得到快速發展與提高。目前已有地區政府發文通知，通知指出：為了有效拓展屋面資源。鼓勵電力用戶利用各類具備條件的既有屋頂建設分布式光伏電站。新建建筑屋頂要合理預留建設空間，其中政府投資新建的標準化廠房、大型場館等公共建筑，除特殊用途及要求外，具備安裝、使用條件的均須按照分布式光伏對屋面荷載標準進行設計?，F有重點耗能企業要優化用能結構，利用自有屋面采取多種方式建設分布式光伏電站;新建項目特別是綜合能耗超過3 000 t標準煤的項目，無特殊原因均須預留分布式光伏建設屋面。因此，為了在建設光伏電站時能夠更加便利，就需要在新建廠房前將影響光伏電站的各種不利因素優先考慮，避免后期不必要的麻煩，為建設電站節省成本，縮短生產周期，提高經濟效益。

參考文獻

[1]吉春明，朱慶東.屋面光伏陣列荷載分析與結構承載力評估[J].武漢大學學報 （工學版），2011 （S44）：109-112.