一種屋頂光伏發電系統的方案研究

關鍵詞：屋頂光伏；分布式發電；可行性研究；系統設計；并網技術中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0014-04D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.004

0 引言

隨著全球能源危機與環境污染問題的日益嚴峻，開發利用可再生能源已成為全球共識。太陽能作為一種清潔、可再生能源，具有分布廣泛、取之不盡的特點，分布式光伏發電系統通過在建筑物屋頂等閑置空間安裝光伏組件，實現太陽能到電能的直接轉換，不僅能緩解電網供電壓力，還能減少化石能源消耗與溫室氣體排放[。我國擁有豐富的屋頂資源，發展分布式光伏具有巨大潛力。某小學的屋頂分布式光伏發電項目的實施，是落實國家能源戰略、推動地方能源結構轉型的重要實踐[2。本文通過對該項目的全面分析，深入探討屋頂光伏系統的技術方案與實施路徑，為分布式光伏項目的規劃、設計與運營提供科學依據[3]。

1 工程概況

1.1 項目站址情況簡介

項目位于江門市某山村小學，利用校內兩棟建筑屋頂建設分布式光伏系統。其中，一號樓屋頂長寬尺寸為 32300mm×8400mm， ，可利用面積約 271.32m² 二號樓屋頂長寬尺寸為 18500mm×6800mm ，可利用面積約 125.8m² ；總可用屋頂面積約 397.12m² 。屋頂為混凝土結構屋面，承載能力滿足光伏支架安裝要求，且周邊無高大建筑物遮擋，日照條件良好。項目所在地交通便利，便于設備運輸與施工部署，且電網接入條件成熟，為光伏電力的就近并網提供了有利條件。

1.2 太陽能資源情況簡介

根據NASA與Meteonorm數據庫的輻射量數據綜合分析，項目地太陽輻射量穩定，其多年平均太陽總輻射量為 1356.52kW?h/m² ，依據GB/T37526—2019《太陽能資源評估方法》，該區域屬于“資源豐富\"等級（C級），適合大型光伏電站建設。從全國太陽能資源分布來看，項目地處于三類地區（豐富帶），年均日照時數充足，太陽能資源開發利用潛力顯著，為光伏系統的高效發電提供了堅實的資源基礎。

2 項目整體方案

2.1 光伏發電系統的構成

如圖1所示，屋頂光伏發電系統主要由光伏組件、支架系統、匯流箱、逆變器、電氣設備及監控系統等部分構成。光伏組件是能量轉換的核心單元，負責將太陽能轉化為直流電能；支架系統用于固定組件，確保其在各種氣候條件下的穩定性；逆變器將直流電能轉換為符合電網要求的交流電能；電氣設備包括并網箱、電纜等，實現電能的傳輸與分配；監控系統則實時監測系統運行狀態，保障系統安全高效運行。

2.2 光伏組件選擇與布置

本設計選擇晶科能源TigerNeo系列JKM635N-72HL4組件，該組件為N型單晶硅（TOPCon技術）組件，采用72片 ×210mm 半片電池片，封裝方式為 2.5mm 玻璃 + 白色EVA膠膜雙玻封裝。在電氣性能方面，標準測試條件（STC）下峰值功率為 635Wp ，轉換效率達 22.7% （組件面積 2.795m²，635W/27 950cm²） 開路電壓 V_oc 為 54.5V ，峰值工作電壓 V_mpp 為 48.2V ，短路電流 I_sc 為 14.7A ，峰值工作電流 I_mpp 為 13.9A ，低溫修正系數 K_v 為 ，優于常規PERC組件的-0.35%/^°C ，高溫修正系數 K^′ 為- 0 . 2 6 % /℃ 。物理參數上，組件尺寸為 2 465mm×1 134mm×30mm ，與項目屋頂排布完全匹配。可靠性方面，最大系統電壓為 1500V ，兼容高壓并網系統，具備 IP65 防護等級，適應嶺南氣候，為項目25年穩定運行提供了技術保障。

圖1屋頂光伏系統圖

該光伏組件通過高功率密度、低溫度系數及雙面發電特性，在該小學屋頂實現了“小面積高收益”的目標。其電氣參數與逆變器MPPT（MaximumPowerPointTracking，最大功率點追蹤）深度匹配，物理設計適應嶺南氣候，為項目25年穩定運行提供了技術保障。結合組件尺寸及屋頂可使用面積，計算出一號樓豎向布置4行29列共116塊，二號樓豎向布置3行17列共51塊，兩棟樓總共布置167塊，總裝機容量為 106.045kWp 。

2.3 光伏組串設計

本設計根據裝機容量選擇陽光電源SG100CX組串式逆變器，其額定交流功率為 100kW ，最大直流輸入功率 110kW ，具備16路MPPT即最大功率點跟蹤通道，每路MPPT電壓范圍為 150～1000V ，可靈活適配不同光照條件下的組串電壓需求，每路MPPT最大輸入電流為15A，能夠兼容組件峰值工作電流13.9A的運行要求。其最大直流輸入電壓 V_dcmax 為 1 100V ，滿足組件串聯后的電壓安全范圍，防護等級達IP65，適應戶外潮濕多塵環境，為系統穩定運行提供了保障。

為確保低溫環境下組串電壓不超過逆變器最大輸入電壓 1 100V ，組串組件數最大值按下式計算：

式中： N_max 為光伏組件的最大串聯數量，即保證逆變器安全運行的最大組件串聯數； V_dcmax 為逆變器允許的最大直流輸入電壓； V_oc 為開路電壓； χ_t 為光伏組件工作條件下的極限低溫，項目取當地極端低溫 -5^°C ：K_v 為低溫修正系數。

分母通過 V_oc 乘以低溫修正量 [1+（t-25）×K_v] ，計算出低溫時組串的實際開路電壓，確保其不超過逆變器最大輸入電壓 V_dcmax ，從而得出安全串聯數量上限。

為保證逆變器MPPT功能有效實現，組件串聯數量不可太少，最小組件串聯數量 ?N_min 按下式計算：

式中： V_mpptmin 為逆變器MPPT電壓范圍的最小值； V_mpp 表示光伏組件在標準測試條件下的峰值工作電壓，JKM635N組件為 48.2V ，是組件輸出最大功率時的電壓值； t^′ 為光伏組件工作條件下的極限高溫，項目取當地極端高溫 40°C ，用于修正高溫環境對組件電壓的影響； K^′ 為高溫修正系數。

分母通過 V_mpp 乘以高溫修正量 [1+（t^′-25）×K^′，] 計算出高溫時組串的實際峰值工作電壓，確保其不低于逆變器MPPT最低電壓 V_mpptmin ，從而得出安全串聯數量下限。

代入數據求出本設計中的 N_max 為18塊， N_min 為4塊，故本次設計的每串組件數量必須在 4～18 之間，結合屋頂布局和逆變器MPPT路數，設計出具體的組串接線如圖2所示。

3 并網方案設計

本項目并網方案以適配某小學屋頂光伏系統的實際需求為核心，結合晶科JKM635N-72HL4組件與陽光電源SG100CX逆變器的技術特性進行設計，確保系統安全高效接入電網。

3.1接入方案與電氣主接線

項目采用 0.4kV 低壓并網方式，在學校配電室設置1個并網點，通過低壓電纜將逆變器輸出的交流電接入電網低壓母線。該方案遵循“分塊發電、就近并網”原則，逆變器輸出端經 YJV-0.6/1kV4×35mm² 鎧裝電纜連接至并網箱，再通過計量裝置實現“全額上網”。并網箱采用防護等級IP65的304不銹鋼材質，內置HD11F-150/4P隔離開關、CM1-125A/4P斷路器及 40kA 浪涌保護器（SPD），進線與出線均從箱體底面引入，孔洞采用防火泥封堵，防止雨水與小動物侵入。

圖2某小學屋頂光伏組串連接圖

電氣主接線采用組串式結構：167塊635Wp組件分為13路組串 （PV1～PV13） ，其中PV1～PV4每路15塊、PV5～PV8每路14塊、PV9～PV10分別為8塊和9塊、 PV11～PV12 各11塊、PV13為12塊，各組串通過 PV1-F1×4mm² 光伏專用電纜接入陽光電源SG100CX逆變器的16路MPPT接口，實際使用13路，預留3路擴容空間。根據公式計算，組串數量需滿足4～18 塊/串的安全范圍，當前設計中所有組串的組件數量均滿足要求，組串電壓均可運行于MPPT有效區間，且接線貼合實際現場，有利于運維。本設計的主接線圖如圖3所示。

圖3某小學屋頂光伏并網接線圖

3.2保護配置與通信方案

系統配置多級保護機制：逆變器內置防孤島檢測功能，當電網異常時0.5s內斷開并網開關；并網斷路器具備過電壓 （gt;110% 額定電壓）、欠電壓 （lt;90% 額定電壓）及短路保護功能，故障時快速切斷電路；并網箱內SPD模塊可吸收雷電過電壓，組件邊框與支架通過 4mm² 等電位線接入防雷接地網（接地電阻 ?4Ω ，形成完整的防雷體系。

通信方案采用RS485+GPRS雙模式：逆變器通過RS485接口連接數據采集器，實時采集各組串電壓、電流及逆變器輸出功率等數據，再經GPRS模塊上傳至云平臺。用戶可通過手機App或電腦終端查看實時運行數據（如日/月/年發電量、等效利用小時數）及故障報警信息（如過流、過熱），同時系統預留與電網調度中心的通信接口，滿足新能源數據上送要求。

本并網方案通過精準匹配組件與逆變器參數、優化電氣接線及強化保護通信功能，確保該小學光伏系統安全可靠并網，實現“發-輸-配\"全流程的高效管理與風險防控。

4結束語

本文以某小學屋頂分布式光伏發電項目為研究對象，系統探討了屋頂光伏系統的方案設計與實施路徑。研究圍繞項目的工程特性與區域資源條件，從光伏組件選型、組串設計、并網技術等維度構建了完整的技術方案框架。通過分析屋頂空間布局與太陽能資源特征，確定了適配的單晶硅組件與多MPPT逆變器組合，形成了“分塊發電、就近并網”的優化設計，并對系統保護、通信及電纜敷設等關鍵環節進行了針對性規劃。該屋頂光伏系統在技術上具備可行性，通過多MPPT逆變器與差異化組串設計，有效提升了復雜屋頂場景下的發電效率，其方案對同類小規模分布式光伏項目具有參考價值。

[參考文獻]

[1]光伏發電工程可行性研究報告編制辦法（試行）：GD003一2011[S].

[2]光伏發電站設計標準：GB50797—2012[S].

[3]郭毅.屋頂分布式光伏電站的設計與研究[J].能源科技，2025，23（2）：55-58.

收稿日期：2025-05-20

作者簡介：邱家華 （1993-） ，男，廣東臺山人，工程師，研究方向：光伏發電及儲能應用。