分布式屋顶光伏发电系统设计

摘 要：针对目前光伏发电系统的发展情况，提出了小型分布式平面屋顶光伏发电系统设计过程，介绍了控制器、逆变器的选择依据。依据不同地理气候条件和具体用电情况阐述了蓄电池组、光伏方阵容量计算公式，光伏方阵的安装角度和阵列间距的计算公式。通过上述公式辅以设定参数，实现了整个小型分布式光伏发电系统的优化设计。

關键词：分布式；光伏发电；屋顶

太阳能是绿色清洁能源，太阳能光伏发电把光能直接转换为电能，既能满足居民的日常用电需求，又减少了常规化石能源的消耗，对节约资源、保护环境意义重大。分布式光伏发电是指位于用户附近，所发电能由用户自用和就地利用，以10kv及以下电压等级接入公共电网，且单个并网点总装机容量不超过6MW的光伏发电项目[1]。分布式光伏发电系统的主要特点是白天有太阳光照时通过光伏方阵发电，所发电能经由控制器向蓄电池组充电，蓄电池组充满电后将盈余电能传送至公共电网，晚上用电时优先从蓄电池组取能；如晚上蓄电池组储能不足以支撑负荷时则切换至公共电网，从公共电网中取电。光伏发电系统与公共电网之间电能的进出由电能计量表进行计量，电费由相关计费标准执行。分布式光伏发电系统由光伏方阵、具有双向换流的控制器、并网逆变器、储能蓄电池和电能计量表等组成。

1 设计参数设定

南昌地区普通家庭负载一般包括：6个20W电灯，每日工作4小时；1台120W电视机，每日工作5小时；1台100W的电脑，每日工作4小时；1台200W的电冰箱，日耗电量0.8kW·h；1台300W的洗衣机，每日工作0.5小时；2台制冷功率为1600W的空调，日耗电量每台2kW·h；考虑到手机充电器等小型电器，增加预期用电负荷5%。

通过上述分析，家庭用电负荷约为4.2kW，日均用电量约为6.8kW·h。考虑到向公共电网买电卖电的价格差异和用电设备的使用同时系数[2]，本文将以负荷约为3kW，日均用电量约为5kW·h作为分布式光伏发电系统的设计数据。

2 逆变器的选型配置

逆变器的功能主要是将光伏方阵所发的直流电转换为负载所需的交流电。由于负载的用电总功率大于逆变器总功率的80%时，逆变器将会发热过度，进而缩短逆变器的使用寿命[3]，因此配置的逆变器功率应大于3.75kW，选用合肥阳光电源有限公司的型号为SG4KTL，容量为4kW的逆变器，其具体技术参数如表1。

表1 SG4KTL逆变器技术参数

3 控制器的选型配置

用于分布式光伏发电系统的控制器既可以控制蓄电池充放电，又可以控制与公共电网的接驳。为了便于单体蓄电池的串并联，考虑蓄电池直流侧电压设计为48V，选用南京特玛亨能源有限公司的L系列电压等级为TM48V的光伏控制器，其具体参数如表2。

表2 控制器技术参数

4 蓄电池的设计与选型

考虑到太阳能发电在白天有光照时进行，居民用电高峰又集中于晚上，需要配备相应容量的蓄电池组。蓄电池组容量的计算公式为：

C=（L×D×TO）/（DOD×Ka） （1）

其中L是负载日均耗电量，单位为kW·h；D是储能天数，1d；TO为温度修正系数，本文涉及的最低温度不低于-10℃，取1.1；DOD为蓄电池放电深度，采用铅酸蓄电池，一般取0.75；Ka为包括逆变器等交流回路电力传输损耗，取0.9。代入数据计算出蓄电池组容量为8.15kW·h。

一般选用标称电压为12V单体蓄电池串联得到蓄电池侧电压48V，则蓄电池安时数为170A·h，蓄电池组串联数为4；选用标称容量为180A·h的蓄电池并联得到蓄电池的总容量，则蓄电池组的并联数为170/180=0.94，取整数1，所以蓄电池组为4块全部串联。选用广州志成冠军集团有限公司的型号为NP180-12的阀控式铅酸免维修蓄电池，其单体蓄电池参数如表3。

表3 蓄电池技术参数

分布式光伏发电系统蓄电池储能不能满足用电负载时，可以从公共电网获取市电。

5 光伏方阵的设计与选型

组成光伏方阵的光伏组件主要有单晶硅组件、多晶硅组件和非晶硅组件等，晶体硅光伏组件光电转换效率较高，性能稳定，后期扩容方便，是光伏市场的主流。多晶硅性价比高，因此选用常州天合能光有限公司型号为TSM-PC05的多晶硅光伏组件，其具体参数如表4。

表4 TSM-PC05光伏组件技术参数

5.1 光伏方阵串并联设计

因单个光伏组件电压和功率有限，必须串并联才能满足系统电压和功率的需要。串联时最高工作电压不能低于逆变器最大功率点的最小电压，否则会出现逆变器功率失真；最低温时组件开路电压不能低于逆变器的最大输入电压，否则可能会引起逆变器损坏[4]。

光伏组件的串联数NS可由下式计算[5]：

（2）

（3）

式中Vdcmax为逆变器允许的最大输入直流电压；Voc为光伏组件的开路电压；Vpm为光伏组件的工作电压；Vmpptmin为逆变器MPPT处的最小电压；Vmpptmax为逆变器MPPT处的最大电压；KV为光伏组件的开路电压温度系数；KV'为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温，本文取-10℃；t'为光伏组件工作条件下的极限高温，本文取50℃。

根据逆变器、光伏组件和当地实际情况，由式（2）、式（3）可确定组件的串联数为4.7≤NS≤13.3，选择7片组件串联，每片组件功率245W，每串组件功率1715W。并联支路数Np=3000/1715=1.75，取2并。光伏方阵组件总数为7×2=14片，总功率为245×14=3430W，小于逆变器的最大输入功率4300W，所以此光伏发电系统的装机容量为3430W。

5.2 光伏方阵安装角度

为了获得最大发电效率，可以安装逐日跟踪系统，让光伏方阵始终处于太阳光直射下，但对于小型分布式光伏发电系统来说成本很高，所以采用固定支架式安装。本文南昌市安装地点为纬度为28.4°，最佳倾斜角Q顷为28.4°+5°=33.4°。实际安装过程中，在不影响光伏方阵发电效率，可以兼顾安装的方便性，适当调整倾斜角。

5.3 光伏方阵阵列间距

在平面屋顶进行光伏方阵的安装时，为了避免前后组件阴影遮挡而引起热斑效应，一定要选择合适的阵列间距。先要得到太阳高度角α和方位角β的相关数值，计算公式为：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω（4）

sinβ=cosδsinω/cosα（5）

式中，φ为纬度，δ为太阳赤纬，取冬至日-23.5°，ω为时角，取9：00时角45°。可以算得tanα=0.4119、cosβ=0.7127，代入下式：

D=LcosβsinQ/tanα（6）

式中D为阵列间距，L为组件长度，可以算出D=0.823L。实际布置时可以根据现场施工情况调整阵列间距，在满足最佳安装角度和阵列间距的前提下，充分利用现有屋顶面积资源。

方阵安装布置时还要考虑屋面本身的承重、防水、抗风、防雷接地等问题，可以采用不锈钢支架将所有组件连接为一个整体，固定在屋面承重梁上，也可以在屋面浇注水泥基础，将支架固定在水泥基础上[6]。

6 结束语

本文对小型分布式平面屋顶光伏发电系统光伏方阵、蓄电池组、控制器、逆变器等进行了选型配置。依据不同地理气候条件和具体安装施工情况选择了光伏方阵的安装角度和阵列间距。通过上述公式辅以设定参数，实现了整个小型分布式光伏发电系统的优化设计。

参考文献

[1]国家电网办〔2012〕1560号

[2]郝晓晓.住宅小区用电负荷及配变容量的测算[J].华北电力技术，2011，（8）16-18.

[3]曹莹.家用太阳能光伏发电系統设计[J].机电工程，2011，28（1）115-117.

[4]李宁峰，于国才.屋顶太阳能光伏发电系统的设计[J].江苏电机工程，2012，（3）43-45.

[5]杨洪兴，周伟.太阳能建筑一体化技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6]李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

作者简介：肖友鹏，工作单位：江西科技学院机械工程学院，学历：硕士，职称：助教，研究方向：光伏材料与器件。