民用建筑屋頂分布式光伏發電系統設計要點

張 奇

（常德市規劃建筑設計院有限責任公司，湖南 常德 415000）

0 引 言

不可再生資源具有不可再生特性，難以滿足新時代背景下社會經濟可持續發展的實際需求。分布式光伏發電系統不僅具有生產分散的特征，還可實現就地利用。在多能源互補發展的要求和新的發展理念前提下，屋頂分布式光伏發電系統將作為一種太陽能發電的能源利用方式，得到極大的推廣應用，在加快建設更清潔高效的能源體系過程中發揮重大作用。

1 分布式光伏發電系統的優勢及構成

1.1 分布式光伏發電系統的優勢

第一，與其他發電系統相比，分布式光伏發電系統的輸出功率更小，可解決集中式光伏發電系統過于依賴輸電線路的問題。集中式光伏發電系統需應用輸電線路將電力傳輸至電網中，隨后由電網統一調度及分配電力。在此環節中，系統運行易受電網影響。與集中式光伏發電系統相比，分布式光伏發電系統的容量更小，但電網不會對發電效率造成影響，且應用成本更低，工作效率與集中式光伏發電系統不相上下。第二，分布式光伏發電系統的運行過程不會出現污染問題，施工單位可將分布式光伏發電系統設置在民用建筑物屋頂。此外，分布式光伏發電系統運行過程不會對周邊生態環境造成破壞，不會產生任何有毒有害物質，僅利用太陽光照射便可實現發電目標，太陽能向電能轉化過程十分環保[1]。第三，新型水力發電及風力發電方式對環境的要求十分嚴格，難以適應各個地區的實際情況。太陽能這一清潔能源在各個地區均有所分布，只要受到太陽照射，分布式光伏發電系統的作用及價值就能夠得到體現。第四，分布式光伏發電系統與建筑工程結合緊密，應用成本更低，安裝難度不高，優勢尤為顯著。

1.2 分布式光伏發電系統的構成

分布式光伏發電系統由光伏電池板、直流匯流箱（可選）、控制器、逆變器、電表等共同組成。

分布式光伏發電系統可劃分為獨立光伏發電系統及并網光伏發電系統，二者的差異體現于獨立光伏發電系統具備蓄電池，并網光伏發電系統不具備蓄電池，電能直接輸入電網內，省略了蓄電池儲能過程及蓄電池能量釋放過程，可依托可再生太陽能發出的電能，降低傳統電能損耗。此外，并網光伏發電系統不僅能夠使用電網電能及光伏發電系統電能滿足區域用典需求，降低負載停電的發生概率，還具有公用電網調峰作用。

不難看出，并網光伏發電系統是我國太陽能發電的主要方向。分布式光伏發電系統的運行原理是依托光伏組件半導體材料的“光電”效應，將太陽能輻射轉化為直流電能，利用控制器將直流電用于用戶日常用電，也可在并網逆變器影響下將直流電轉化為交流電，用于本地交流電使用，剩余交流電可輸入電網中，利用計量表計算出賣出電量。在夜晚及光照條件不佳時，電網向用戶供電，計量表可計算出買入電量，結合買入電量及賣出電量可完成電費統計。分布式并網型光伏發電系統如圖1 所示。

圖1 分布式并網型光伏發電系統拓撲

但需要注意的是，分布式光伏發電系統的能量密度低，部分地區民用建筑屋頂分布式光伏發電系統安裝的可用面積小，難以全面解決區域電力資源緊缺這一問題。為提高分布式光伏發電系統的應用水平，如何提高能量密度已成為技術人員研究的重點內容。

2 民用建筑屋頂分布式光伏發電系統設計要點

2.1 相關計算

2.1.1 發電量計算

以山東某分布式光伏發電系統為例。若各光伏組件1 h 可接收1 MJ/m2的太陽輻射，則1 000 W/m2太陽輻照度條件下的等效發電小時數為3.6 h。光伏組件的峰值功率是在太陽輻照度為1 000 W/m2條件下標定的，光伏發電系統理論發電量的計算方法為峰值日照小時數乘以裝機容量。結合水平面太陽總輻射量與裝機容量，即可計算出平均傾斜面太陽總輻射量及發電量。

2.1.2 系統效率計算

在并網光伏發電系統內，發電效率、轉換效率與并網效率均會對光伏發電系統總效率造成影響。

（1）發電效率為η1，是指在太陽輻照度為1 000 W/m2下，光伏陣列直流輸出功率與其標稱功率的比。在光伏陣列能力轉換過程中，陰影遮擋損失記作1%，組件匹配損失記作2%，線路損失記作2%，溫度影響損失記作2%，光伏陣列灰塵遮擋記作1%，光照損失記作1%，無法利用太陽輻射記作1%，質量損失記作2%，山東某分布式光伏發電系統的發電效率為88%。

（2）轉換效率為η2，是指交流輸出功率與直流輸入功率的比。在逆變器運行過程中，變壓器損失記作1%，逆變器轉化損失記作2%，山東某分布式光伏發電系統逆變器的轉換效率為97%。

（3）并網效率為η3，是指電能由逆變器輸入至高壓電網的傳輸效率。在傳輸階段，損耗主要集中于線路損耗及升壓變壓器損耗，一般情況下為94%～96%，山東某分布式光伏發電系統的并網效率記作95%。

山東某分布式光伏發電系統系統總效率η為η1、η2、η3的乘積，約為80%。

2.2 光伏方陣設計

在分布式光伏發電系統的運行過程中，常見基礎結構為水泥屋頂及彩鋼屋頂。與彩鋼屋頂相比，水泥屋頂結構的承載能力更強。應科學調整陣型傾斜角度與間距，確保水泥屋頂上方光伏發電系統的重要作用得以發揮，為業主提供更加優質的電能保障。但需要注意的是，水泥屋頂分布式光伏發電系統設置需使用多種附件，可用面積較彩鋼屋頂更小，所以彩鋼屋頂上方鋪設分布式光伏發電系統的這一形式更為多見。在分布式光伏發電系統內部組件溫度不斷上升的情況下，開路電壓也會隨之降低。當組件溫度下降時，開路電壓也會隨之上升。為使逆變器能夠適應多種工作條件，在光伏方陣設計階段，應充分考慮到區域最高溫度及最低溫度，以此為基礎科學調整串聯元件數量及元件電壓值[2]。

2.3 逆變器選型設計

在分布式光伏發電系統的運行階段，逆變器具有交流/直流轉換功能。此外，還可實現振動頻率與簡諧波等多個指標的轉換管理。逆變器能夠將光伏方陣與分布式光伏發電系統相連接，重要作用不言而喻。在分布式光伏發電系統電氣設計環節中，應科學選擇逆變器設備種類。設計人員需結合分布式光伏發電系統的裝機容量，科學選擇逆變器設備功率。除此之外，設計人員還應做好大直流電壓分析、最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）數量分析、輸出電壓分析及輸出功率分析，充分考慮到多項要素對分布式光伏發電系統運行環節產生的不利影響。在直流輸入接線端口數量分析過程中，需綜合考量組串并聯路數。在組件組串數量選擇過程中，應充分考慮到最大直流電壓及MPPT 電壓區間等多項要素[3]。現階段，集散式逆變器、集中式逆變器、組串式逆變器是極為常見的逆變器種類。其中，集散式逆變器的功率為2 500 kW，集中式逆變器的功率為1 250 ～3 125 kW，更加適用立式安裝法。與上述2 種逆變器相比，組串式逆變器的功率低，大多為320 kW 以下，體積更小，可利用壁掛法進行安裝。應用模塊化設計方案能夠避免不同模塊相互影響，還能夠解決逆變器與最佳工作點不相符合的問題，所以應優先選擇組串式逆變器使用，不僅不會在運輸及搬運環節消耗過多的成本費用，安裝過程也十分便捷。

2.4 并網方式設計

在分布式光伏發電系統并網方式設計過程中，設計人員應充分掌握行業規范及標準，加強電壓等級及電能質量分析。現階段，可結合接入電網，將分布式光伏發電站劃分為大型分布式光伏發電站、中型分布式光伏發電站及小型分布式光伏發電站。其中，大型分布式光伏發電站可接入110 kV 電網，中型分布式光伏發電站可接入10 kV ～35 kV 電網，小型分布式光伏發電站可接入0.4 kV 電網。在并網電壓等級分析過程中，應充分掌握電網具體情況，科學分析成本要求等多項要求。若低電壓接入方式及高電壓接入方式均適用分布式光伏發電站，則應優先選擇低電壓接入方式，通過這種方式提高分布式光伏發電系統的運行效率，降低成本支出，減少資金投入[4]。

3 民用建筑屋頂分布式光伏發電系統設計優化措施

3.1 加強系統設計方案優化

結合分布式光伏發電站的建設要求，太陽能機房應優先設置在民用建筑屋頂或頂層，使各類設備實現集中管理。加強線路敷設方案調整，降低電能傳輸損耗，避免故障問題的發生。逆變器是光伏發電系統中不可缺少的重要構成設備，內部含有顯示屏及電容等多個元件，耐高溫性極差，應集中安裝在屋面機房或頂層機房中，做好遮陽、遮雨處理，加強防潮防塵，確保運行環境干燥通風。安裝位置需結合組件位置及網點位置做出科學調整，靠近網點能夠降低建設成本，靠近組件可減少電能損耗，提高施工便利性[5]。電池方陣基礎大多為鋼筋混凝土，在澆筑環節中，應將防水添加劑加入混凝土內，與屋面防水結構共同展開設計及建設，避免民用建筑工程室內出現漏雨等問題。在充分發揮出分布式光伏發電系統實質價值的基礎上，為民用建筑使用者創造一個舒適的環境。

3.2 科學選擇光伏產品及技術服務

在數十年的發展背景下，我國光伏制造業生產環節本土化程度已得到了顯著提升，生產環節的技術水平已達到世界前列，逆變器、電池板及各類設備與材料的生產成本也有所降低，但發展前景廣闊的市場也潛藏著許多問題，如何從眾多光伏產品中選擇最優產品，延長分布式光伏發電站的運行年限，已成為一項主要問題。分布式光伏發電站的使用壽命可達到數十年，關鍵設備品牌及技術服務水平是影響電站收益的主要因素。買方單位應科學選擇品牌方，結合實際需求做好光伏市場調研，綜合考量品牌方影響力、未來發展潛力及科學技術水平等多項要素，選擇最優方合作。秉持性能提高及成本控制理念，優先選擇研發投入量大、技術水平高、產品質量不斷提升的品牌方進行合作，簽訂長期戰略合作協議。針對太陽能電池板等重要設備而言，應給予光電轉化效率足夠重視程度。針對質量及技術成熟的逆變器、電纜及變壓器等設備而言，在確保參數與工程建設要求相一致的基礎上，優先選擇性價比更高的產品。

3.3 擬定完善的管理方案

應擬定科學完善的管理方案，明確產權單位的責任及義務，強化工作人員的工作積極性及責任意識。現階段，我國已針對分布式光伏發電站的管理及維護提出了一系列的規范與標準，應定期展開維護檢查，做好設備運行狀態分析，明確故障點位及故障原因，判斷配電柜及各類箱體內部是否存在灰塵或觸點松動等問題。加強線路老化檢查，充分掌握電池板及逆變器等元件的工作狀況。在維護管理環節中，還應做好信息記錄，其中涵蓋發電時間、運行負荷等多項內容，以此分析系統運行是否穩定，及時擬定針對性的處理預案。

4 結 論

分布式光伏發電系統的設計水平與分布式光伏發電系統的后續運行效率及運行年限聯系密切。針對這一現象，設計人員應充分掌握分布式光伏發電系統的特點，科學選擇分布式光伏發電系統內部的組件及設備，明確分布式光伏發電系統的設計要求與設計標準，及時解決分布式光伏發電系統設計環節中存在的不足之處，推動我國分布式光伏發電事業的健康發展。