民用建筑屋顶分布式光伏发电系统设计要点

张 奇

（常德市规划建筑设计院有限责任公司，湖南 常德 415000）

0 引 言

不可再生资源具有不可再生特性，难以满足新时代背景下社会经济可持续发展的实际需求。分布式光伏发电系统不仅具有生产分散的特征，还可实现就地利用。在多能源互补发展的要求和新的发展理念前提下，屋顶分布式光伏发电系统将作为一种太阳能发电的能源利用方式，得到极大的推广应用，在加快建设更清洁高效的能源体系过程中发挥重大作用。

1 分布式光伏发电系统的优势及构成

1.1 分布式光伏发电系统的优势

第一，与其他发电系统相比，分布式光伏发电系统的输出功率更小，可解决集中式光伏发电系统过于依赖输电线路的问题。集中式光伏发电系统需应用输电线路将电力传输至电网中，随后由电网统一调度及分配电力。在此环节中，系统运行易受电网影响。与集中式光伏发电系统相比，分布式光伏发电系统的容量更小，但电网不会对发电效率造成影响，且应用成本更低，工作效率与集中式光伏发电系统不相上下。第二，分布式光伏发电系统的运行过程不会出现污染问题，施工单位可将分布式光伏发电系统设置在民用建筑物屋顶。此外，分布式光伏发电系统运行过程不会对周边生态环境造成破坏，不会产生任何有毒有害物质，仅利用太阳光照射便可实现发电目标，太阳能向电能转化过程十分环保[1]。第三，新型水力发电及风力发电方式对环境的要求十分严格，难以适应各个地区的实际情况。太阳能这一清洁能源在各个地区均有所分布，只要受到太阳照射，分布式光伏发电系统的作用及价值就能够得到体现。第四，分布式光伏发电系统与建筑工程结合紧密，应用成本更低，安装难度不高，优势尤为显著。

1.2 分布式光伏发电系统的构成

分布式光伏发电系统由光伏电池板、直流汇流箱（可选）、控制器、逆变器、电表等共同组成。

分布式光伏发电系统可划分为独立光伏发电系统及并网光伏发电系统，二者的差异体现于独立光伏发电系统具备蓄电池，并网光伏发电系统不具备蓄电池，电能直接输入电网内，省略了蓄电池储能过程及蓄电池能量释放过程，可依托可再生太阳能发出的电能，降低传统电能损耗。此外，并网光伏发电系统不仅能够使用电网电能及光伏发电系统电能满足区域用典需求，降低负载停电的发生概率，还具有公用电网调峰作用。

不难看出，并网光伏发电系统是我国太阳能发电的主要方向。分布式光伏发电系统的运行原理是依托光伏组件半导体材料的“光电”效应，将太阳能辐射转化为直流电能，利用控制器将直流电用于用户日常用电，也可在并网逆变器影响下将直流电转化为交流电，用于本地交流电使用，剩余交流电可输入电网中，利用计量表计算出卖出电量。在夜晚及光照条件不佳时，电网向用户供电，计量表可计算出买入电量，结合买入电量及卖出电量可完成电费统计。分布式并网型光伏发电系统如图1 所示。

图1 分布式并网型光伏发电系统拓扑

但需要注意的是，分布式光伏发电系统的能量密度低，部分地区民用建筑屋顶分布式光伏发电系统安装的可用面积小，难以全面解决区域电力资源紧缺这一问题。为提高分布式光伏发电系统的应用水平，如何提高能量密度已成为技术人员研究的重点内容。

2 民用建筑屋顶分布式光伏发电系统设计要点

2.1 相关计算

2.1.1 发电量计算

以山东某分布式光伏发电系统为例。若各光伏组件1 h 可接收1 MJ/m2的太阳辐射，则1 000 W/m2太阳辐照度条件下的等效发电小时数为3.6 h。光伏组件的峰值功率是在太阳辐照度为1 000 W/m2条件下标定的，光伏发电系统理论发电量的计算方法为峰值日照小时数乘以装机容量。结合水平面太阳总辐射量与装机容量，即可计算出平均倾斜面太阳总辐射量及发电量。

2.1.2 系统效率计算

在并网光伏发电系统内，发电效率、转换效率与并网效率均会对光伏发电系统总效率造成影响。

（1）发电效率为η1，是指在太阳辐照度为1 000 W/m2下，光伏阵列直流输出功率与其标称功率的比。在光伏阵列能力转换过程中，阴影遮挡损失记作1%，组件匹配损失记作2%，线路损失记作2%，温度影响损失记作2%，光伏阵列灰尘遮挡记作1%，光照损失记作1%，无法利用太阳辐射记作1%，质量损失记作2%，山东某分布式光伏发电系统的发电效率为88%。

（2）转换效率为η2，是指交流输出功率与直流输入功率的比。在逆变器运行过程中，变压器损失记作1%，逆变器转化损失记作2%，山东某分布式光伏发电系统逆变器的转换效率为97%。

（3）并网效率为η3，是指电能由逆变器输入至高压电网的传输效率。在传输阶段，损耗主要集中于线路损耗及升压变压器损耗，一般情况下为94%～96%，山东某分布式光伏发电系统的并网效率记作95%。

山东某分布式光伏发电系统系统总效率η为η1、η2、η3的乘积，约为80%。

2.2 光伏方阵设计

在分布式光伏发电系统的运行过程中，常见基础结构为水泥屋顶及彩钢屋顶。与彩钢屋顶相比，水泥屋顶结构的承载能力更强。应科学调整阵型倾斜角度与间距，确保水泥屋顶上方光伏发电系统的重要作用得以发挥，为业主提供更加优质的电能保障。但需要注意的是，水泥屋顶分布式光伏发电系统设置需使用多种附件，可用面积较彩钢屋顶更小，所以彩钢屋顶上方铺设分布式光伏发电系统的这一形式更为多见。在分布式光伏发电系统内部组件温度不断上升的情况下，开路电压也会随之降低。当组件温度下降时，开路电压也会随之上升。为使逆变器能够适应多种工作条件，在光伏方阵设计阶段，应充分考虑到区域最高温度及最低温度，以此为基础科学调整串联元件数量及元件电压值[2]。

2.3 逆变器选型设计

在分布式光伏发电系统的运行阶段，逆变器具有交流/直流转换功能。此外，还可实现振动频率与简谐波等多个指标的转换管理。逆变器能够将光伏方阵与分布式光伏发电系统相连接，重要作用不言而喻。在分布式光伏发电系统电气设计环节中，应科学选择逆变器设备种类。设计人员需结合分布式光伏发电系统的装机容量，科学选择逆变器设备功率。除此之外，设计人员还应做好大直流电压分析、最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）数量分析、输出电压分析及输出功率分析，充分考虑到多项要素对分布式光伏发电系统运行环节产生的不利影响。在直流输入接线端口数量分析过程中，需综合考量组串并联路数。在组件组串数量选择过程中，应充分考虑到最大直流电压及MPPT 电压区间等多项要素[3]。现阶段，集散式逆变器、集中式逆变器、组串式逆变器是极为常见的逆变器种类。其中，集散式逆变器的功率为2 500 kW，集中式逆变器的功率为1 250 ～3 125 kW，更加适用立式安装法。与上述2 种逆变器相比，组串式逆变器的功率低，大多为320 kW 以下，体积更小，可利用壁挂法进行安装。应用模块化设计方案能够避免不同模块相互影响，还能够解决逆变器与最佳工作点不相符合的问题，所以应优先选择组串式逆变器使用，不仅不会在运输及搬运环节消耗过多的成本费用，安装过程也十分便捷。

2.4 并网方式设计

在分布式光伏发电系统并网方式设计过程中，设计人员应充分掌握行业规范及标准，加强电压等级及电能质量分析。现阶段，可结合接入电网，将分布式光伏发电站划分为大型分布式光伏发电站、中型分布式光伏发电站及小型分布式光伏发电站。其中，大型分布式光伏发电站可接入110 kV 电网，中型分布式光伏发电站可接入10 kV ～35 kV 电网，小型分布式光伏发电站可接入0.4 kV 电网。在并网电压等级分析过程中，应充分掌握电网具体情况，科学分析成本要求等多项要求。若低电压接入方式及高电压接入方式均适用分布式光伏发电站，则应优先选择低电压接入方式，通过这种方式提高分布式光伏发电系统的运行效率，降低成本支出，减少资金投入[4]。

3 民用建筑屋顶分布式光伏发电系统设计优化措施

3.1 加强系统设计方案优化

结合分布式光伏发电站的建设要求，太阳能机房应优先设置在民用建筑屋顶或顶层，使各类设备实现集中管理。加强线路敷设方案调整，降低电能传输损耗，避免故障问题的发生。逆变器是光伏发电系统中不可缺少的重要构成设备，内部含有显示屏及电容等多个元件，耐高温性极差，应集中安装在屋面机房或顶层机房中，做好遮阳、遮雨处理，加强防潮防尘，确保运行环境干燥通风。安装位置需结合组件位置及网点位置做出科学调整，靠近网点能够降低建设成本，靠近组件可减少电能损耗，提高施工便利性[5]。电池方阵基础大多为钢筋混凝土，在浇筑环节中，应将防水添加剂加入混凝土内，与屋面防水结构共同展开设计及建设，避免民用建筑工程室内出现漏雨等问题。在充分发挥出分布式光伏发电系统实质价值的基础上，为民用建筑使用者创造一个舒适的环境。

3.2 科学选择光伏产品及技术服务

在数十年的发展背景下，我国光伏制造业生产环节本土化程度已得到了显著提升，生产环节的技术水平已达到世界前列，逆变器、电池板及各类设备与材料的生产成本也有所降低，但发展前景广阔的市场也潜藏着许多问题，如何从众多光伏产品中选择最优产品，延长分布式光伏发电站的运行年限，已成为一项主要问题。分布式光伏发电站的使用寿命可达到数十年，关键设备品牌及技术服务水平是影响电站收益的主要因素。买方单位应科学选择品牌方，结合实际需求做好光伏市场调研，综合考量品牌方影响力、未来发展潜力及科学技术水平等多项要素，选择最优方合作。秉持性能提高及成本控制理念，优先选择研发投入量大、技术水平高、产品质量不断提升的品牌方进行合作，签订长期战略合作协议。针对太阳能电池板等重要设备而言，应给予光电转化效率足够重视程度。针对质量及技术成熟的逆变器、电缆及变压器等设备而言，在确保参数与工程建设要求相一致的基础上，优先选择性价比更高的产品。

3.3 拟定完善的管理方案

应拟定科学完善的管理方案，明确产权单位的责任及义务，强化工作人员的工作积极性及责任意识。现阶段，我国已针对分布式光伏发电站的管理及维护提出了一系列的规范与标准，应定期展开维护检查，做好设备运行状态分析，明确故障点位及故障原因，判断配电柜及各类箱体内部是否存在灰尘或触点松动等问题。加强线路老化检查，充分掌握电池板及逆变器等元件的工作状况。在维护管理环节中，还应做好信息记录，其中涵盖发电时间、运行负荷等多项内容，以此分析系统运行是否稳定，及时拟定针对性的处理预案。

4 结 论

分布式光伏发电系统的设计水平与分布式光伏发电系统的后续运行效率及运行年限联系密切。针对这一现象，设计人员应充分掌握分布式光伏发电系统的特点，科学选择分布式光伏发电系统内部的组件及设备，明确分布式光伏发电系统的设计要求与设计标准，及时解决分布式光伏发电系统设计环节中存在的不足之处，推动我国分布式光伏发电事业的健康发展。