并网型屋顶分布式光伏发电设计

汪树升

（宁夏新能源研究院（有限公司））

并网型屋顶分布式光伏发电设计

汪树升

（宁夏新能源研究院（有限公司））

本文概述了并网型屋顶分布式光伏发电系统，描述了系统的设计思路及设计原则，本着理论联系实际的观念，选取典型的实际屋顶详细描述整个系统设计过程，展现了一种实际的设计工作思路和过程，让设计人员、施工人员、研究人员都充分地理解并网型屋顶分布式光伏系统及设计思路，对今后屋顶分布式光伏的推广、应用、设计及研究有着一定的借鉴价值。

并网型；屋顶；分布式光伏发电；设计

0 引言

如今，人们对地球上资源的不断索取导致能源危机和环境污染逐步加剧，光伏能源作为一种新型的清洁能源，成为世界各国研究开发的热门。经过长时间的研究，光伏发电技术逐步走向成熟。目前国内外大型光伏电站如雨后春笋不断增多，而为了有效利用土地空间及减少能量传输损耗，分布式光伏发电已成为目前重点发展方向，如利用建筑屋顶可用面积安装光伏发电系统，不仅解决自家供电，同时还能长期地向公用电网提供电能。

本文概述了并网型屋顶分布式光伏发电系统，简单罗列了系统的设计思路及设计原则，分享了一些设计经验，重点从实际工况出发，以银川市某商业楼顶为例开展并网型屋顶分布式光伏发电设计，依托实际工况的设计描述更为形象具体，易于理解及应用，对今后屋顶分布式光伏的推广、应用、设计及研究有着极其重要的借鉴价值。

1 并网型屋顶分布式光伏发电系统概述

并网型屋顶分布式光伏发电在通常情况下指的是利用建筑楼顶（住宅房顶、居民及商业楼顶、农村土木结构屋顶、彩钢房顶等）为支撑，建设起来的小型的能够就近提供用户用电的光伏发电系统。它是光伏发电的一种应用模式，其技术形式简单、环保、经济、无污染、无噪声、无机械转动和化石燃料的损耗，系统架设便捷，屋顶组件还有一定的遮阳作用，不影响用电质量，并在一定程度上解决了光伏发电远距离传输的电能损耗问题。

并网型屋顶分布式光伏发电系统由电池组件、组件支架、逆变器、智能控制模块等组成，其发电原理简单，以屋顶为基础装设组件，系统的光伏组件方阵在光照的作用下，利用光生伏特效应，将光辐射转变为电能，产生直流电通过光伏专用线将其送入逆变器并将直流电转化成交流电并入配电网。光伏系统产生的电能部分就近供建筑物内部负荷消纳，多余电能送入配电网。系统设计结构图如图1所示，效果图如图2所示。

2 系统设计思路及原则

并网型屋顶分布式光伏发电设计思路：

1）勘察建筑屋顶选取合适的组件安装位置（考虑阴影遮挡、屋顶结构和组件安装方式），测量可利用的屋顶面积；

2）测量建筑屋顶地理坐标，分析当地光资源和组件最佳安装倾角，计算组件安装间距；

3）屋顶可利用面积组件布置设计，测算屋顶可铺设的光伏组件总容量；

图1 并网型屋顶分布式光伏发电系统结构图

图2 并网型屋顶分布式光伏发电系统效果图

4）依据建筑自用电负荷功率、业主资金情况、经济效益等因素，确定最终屋顶铺设容量（小于等于屋顶有效面积可铺设的最大光伏组件容量）；

5）光伏方阵串并联设计及逆变器选型；

6）电气主接线设计。

并网式屋顶分布式光伏发电设计原则：

1）必须遵循合理性、经济性、安全性、节约性；

2）需了解当地的气候、地震烈度、屋面坡度、地理位置等因素；

3）要考虑提高发电效率，保证人身安全、提供优良的环境；

4）需要考虑施工的便捷程度。

3 系统设计要求及经验

并网式屋顶分布式光伏发电设计基本要求：

1）选取具有承载组件能力的建筑屋顶；

2）光资源、组件倾角、组件间距、阴影遮挡等需要分析计算，不能随意确定；

3）分析计算当地气候，考虑支架及安装的可靠安全性；

4）电气设备及线缆的选型和配置要合理安全；

5）光伏发电系统运行安全性和持久性。

并网式屋顶分布式光伏发电设计经验分享：

1）通常情况下水泥屋顶多数考虑最佳倾角安装，而彩钢瓦屋顶或坡面屋顶考虑沿向阳屋顶面铺设（特殊需求除外）；

2）光资源需要多数据库、多软件计算分析，并结合项目地附近实际光伏电站运行数据综合考虑；

3）屋顶有阴影遮挡但不代表一定不能利用，要详细分析遮挡的时间段，把遮挡规律相同的组件接入组串逆变器的一组MPPT中，减少短板效应。

4 典型实例设计

依据选取的典型工况进行并网型屋顶分布式光伏发电设计，充分展现了整个设计思路及关键技术，让并网型屋顶分布式光伏发电设计技术更为通俗易懂地理解及应用。

4.1 场址情况

以银川市某商业楼顶为例开展并网型屋顶分布式光伏发电设计。

1）现场勘查及收资：勘查现场工况，大楼高约23m，楼顶较空旷平坦且周边无其他建筑物遮挡，采光较好，从光资源角度初步判断适合建设分布式光伏项目；拿仪器现场打点，确定好卫星坐标北纬X度，东经Y度；粗略估算此楼顶可铺设光伏容量约50kWp以内，按50kWp容量初步勘察楼体电气接入情况，判断接入情况较好，采用低压直接接入建筑物电力系统；收集大楼的建筑和电气图纸做进一步分析。

2）依据打点的卫星坐标值，在卫星图中寻找到该楼顶如图3所示。

图3 商业楼顶卫星图

4.2 光伏电池的组件

经筛选比较，考虑到晶硅电池成熟度较高，效率稳定，国内外都有工程应用实际案例，市场占有率大（其中多晶硅太阳能电池所占比重较大），且由于技术的不断更新和硅片厚度持续减少，使其成本也在不断缩减，同时结合实际经验，本工程拟选用多晶硅组件。

另外，通过市场调查，国内部分主流厂商生产的多晶硅光伏组件应用于屋顶分布式光伏发电系统的实例规格在250～315Wp之间。综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率、施工便捷性以及采购订货时的可选择余地，本工程初选多晶硅光伏组件的规格为270Wp。某品牌270Wp多晶硅太阳能组件规格尺寸如图4所示，结构及电性能主要参数如表1所示。

图4 270Wp多晶硅太阳能组件尺寸（单位：mm）

表1 270Wp多晶硅太阳能组件结构及电性能参数

4.3 组件最佳倾斜角与间距

4.3.1 最佳倾角计算

依据项目地经纬度由美国NASA地球科学项目公布的卫星气象数据资料得出表2。

表2 项目地日照强度数据Monthly Averaged Radiation Incident On An Equator-Pointed Tilted Surface/(kWh/m2/day)

由上表及专业PVsyst软件计算，并结合现场工况，得出当组件按推荐23°倾角铺设时，年辐照量为1883.4kWh/m2/a。

通过以上数据可以看出场址所在地区太阳能资源丰富，年平均太阳辐射量比较稳定，能够为项目点光伏发电提供充足的光照资源，实现社会、环境和经济效益。

4.3.2 组件间距的计算

光伏组件间距是决定发电量的直接因素，在安装过程中如果间距不合理，不符合安装要求，前一组的组件会遮挡后一组组件的太阳照射面积，因此必须考虑南、北向的前后排的阴影遮挡问题，应计算确定组件方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离。一般的确定原则是：冬至当天早9:00～下午3:00的时间段内，太阳能电池方阵不应被遮挡。计算公式如下（太阳能电池方阵前后间距的计算参考见图5）。

图5 太阳能电池方阵前后间距的计算参考

光伏方阵间距或可能遮挡物与方阵底边的垂直距离应不小于D：

式中，D为遮挡物与阵列的间距，m；H为遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差，m；φ为当地纬度，deg；δ为赤纬角，deg；β为太阳方位角，deg；ω为时角，deg。

依据组件尺寸（1650mm×992mm×40mm）和组件铺设最佳倾角（按推荐的23°倾角铺设），在CAD软件中制图，并经上式计算，光伏方阵间距取1.78m,详细参数及布置如图6和图7所示。

图6 前后排太阳能组件布置图（单位：m）

图7 单块太阳能组件布置俯视图（单位：m）

4.4 楼顶太阳能组件布置设计

在考虑到组件规格、组件铺设倾角、组件间阴影遮挡、组件合理间距、楼顶其他建筑物阴影遮挡等问题后，用CAD绘图软件反复设计出如图8所示，并经统计楼顶共铺设270Wp多晶硅太阳能组件119块。

图8 楼顶太阳能组件布置俯视图

4.5 太阳能电池组件的串、并联设计

太阳能电池组件串联的数量多少取决于逆变器的最高输入电压和最低工作电压，也与太阳能电池组件允许的最大系统电压有关。而并联组串数量与逆变器的输出功率参数有关。

经楼顶太阳能组件布置设计，可铺设270Wp多晶硅太阳能组件119块，合计总容量为32.13kWp，初步选取国内某品牌额定输出功率30kW的逆变器，其最高允许输入电压Vdcmax为1000V，MPPT工作电压范围为200～950V。

270Wp多晶硅太阳能开路电压Voc为38.8V，最佳工作电压Vmp为31.7V，开路电压温度系数为-0.30%/℃。

电池组件串联数量计算：

式中，Vdcmax为逆变器输入直流侧最大电压；Vdcmin为逆变器输入直流侧最小电压；Voc为电池组件开路电压；Vmp为电池组件最佳工作电压；N为电池组件串联数。

计算得，串联多晶硅电池组件数量N为：6≤N≤25。

综合考虑组件布置及工况等各方面因素，最终确定多晶硅光伏组件的串联数量为N=20（块）。

本设计主要按上述太阳能光伏组件最佳串联数量计算，其中的每一路太阳能光伏组件串联的额定功率容量＝270Wp×20=5400Wp。如选用额定输出功率为30kW的逆变器，则所选逆变器需要并联的路数=30000/5400≈6路，而额定输出功率30kW逆变器一般具有最大输入路数6路功能。

现场楼顶实际能铺设119块270 Wp组件，如果这119块组件每20块组件串联为一路，那么需要并联的路数=119/20≈6路（其中5路每路串联20块组件，1路串联19块组件），合计总容量=119×270=32.13kWp,相应的推荐选用国内某品牌的33kW组串逆变器（额定输出功率为30kW，最大视在功率为33kVA,最大有功功率（cosφ=1)为 33kW）。

4.6 电气接线设计

根据光伏组件选型、组件串并联设计、所选场址条件、电气接入情况等，最终核心设备采用270Wp组件和33kW组串逆变器，总光伏容量为32.13kWp，安装在大楼楼顶。另由相关并网技术原则，本设计采用用户侧380V低压并网，共1个并网接入点。光伏并网逆变器安装在组件支架上，通过低压电缆并入大楼负一楼380V低压配电柜。经电气设计，并通过CAD软件制图完成电气主接线和逆变器及组件接线，如图9和图10所示。

图9 电气主接线图

图10 逆变器及组件接线图

5 结束语

在环保问题难，多种污染日益加剧，需求所迫的情况下，光伏能源成了各国开发利用的一种清洁能源。经过不断研发，光伏技术逐步成熟，不断推动光伏能源的发展。同时，我国《可再生能源发展“十三五”规划》和《电力发展“十三五”规划》中均提出要积极发展及推广分布式光伏发电，目前屋顶分布式光伏发电已成为重点发展方向之一，它具有就近发电，就近并网的优势。在这种背景下，本文较为形象地概述了并网型屋顶分布式光伏发电系统，依据经验概括性地描述了系统的设计思路及设计原则，本着理论联系实际的观念，选取典型的实际屋顶详细描述整个系统设计过程，展现了一种实际的设计工作思路和过程，让设计人员、施工人员、研究人员都充分地理解并网型屋顶分布式光伏系统及设计思路，对今后屋顶分布式光伏的推广、应用、设计及研究有着一定的借鉴价值。

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2017-09-27）