分布式光伏发电系统安装过程中对屋面的影响及用电安全分析

胡俊新

安徽四创电子科技股份有限公司，安徽合肥 230000

光伏发电主要是通过应用光伏组件、逆变器等电子设备，使太阳能转化为电能的现代化发电方式。可以说，这是一种新型的、清洁的、环保的、发展空间广阔的综合能源利用方式。一方面，光伏发电系统发展至今技术已非常成熟，维护简单，完全可以做到无人值守，绿色、环保、可再生是其广受推广的主要原因；另一方面，还切实缓解了电能在长距离运输过程中的损耗问题，对现代能源结构具有重要意义。

1 分布式光伏电站屋面选择与支架结构方案的思考

现阶段，比较常见的屋顶分布式光伏发电站主要建设于两种类型屋面，即混凝土屋面以及工厂厂区彩钢板屋面。这两种屋面，在应用方面各有其优点，在支架结构设计方面也存在一定的差异性。下面，就对这两种屋面应用形式进行分析研究。

1.1 混凝土屋面

混凝土屋面与彩钢瓦屋面相比较，其承载能力能较强，能够承受较强的风压以及雪压，安全性以及稳定性突出。同时，这一结构屋面不需要在原屋顶上进行打孔、改造、破坏，对屋面的防水、隔热保温不产生任何负面影响。现阶段，比较常见的混凝土屋面支架结构方案主要落实在以下几个方面：第一种，预制负重钢筋混凝土块结构。这一方案首先需要对施工地的风速以及风向进行调查，对风压进行计算。在此基础之上，可以对混凝土块的配重进行计算。在施工时，先加工好混凝土块，再到现场进行安装。第二种，预制钢筋混凝土压块方案。为了使组件支架能够在风压作用之下保证稳定性，可以将支架直接放置在屋面平面上，并于横梁位置添加混凝土压块。第三种，现浇支架结构。这一方式主要是将屋面的部分钢筋露出，并焊接基础支架。在这一基础上，进行混凝土的浇筑，以此形成屋面结构。第四种，主要是考虑老旧建筑屋顶的承重问题，可以选择利用钢构材料将光伏阵列前后左右排焊接形成一个整体，利用系统自重，最后与女儿墙有效连接，如此可以减轻负重块重量或不用负重块，从而减轻光伏发电系统加载在屋顶的重量来保证屋面的使用安全。

1.2 彩钢瓦屋面

彩钢瓦一般应用于轻钢结构的建筑物之上，其重量较轻，施工方便。一般工业厂房彩钢板屋面较为空旷、屋顶面积规模较大，对分布式光伏发电站的建设具有非常大的推广价值。现阶段，比较常见的彩钢瓦屋面支架结构主要涵盖以下几个重要方面。首先，直立锁边结构，主要是通过夹具将螺栓拧入，以此实现连接紧固的效果，而不需要应用穿透板，对屋面防水层没有破坏。其次，角驰型结构，主要根据波峰的形状，通过夹扣的形式对导轨进行固定，以此实现组件的安装。再次，梯形结构，即通过自攻螺钉与橡胶垫配合（必要时加专用防水胶）实现夹具在屋顶的固定，在此基础上，落实导轨的安装以及组件的固定。彩钢板屋顶的光伏系统支架直接利用专用的夹具来安装固定，进而使光伏组件与屋面彩钢板形成一个统一整体，无需加装混凝土屋面的负重块，这样系统整体加载在屋顶的重量较混凝土屋面轻。

2 分布式系统光伏支架的强度及屋面承重计算

2.1 混凝土屋面负重式光伏支架屋面

首先，要进行取值设计。举例说明，某一区域的荷重最大设固定负载为G=136，风压荷载是W[2]。其安装面积的长为10.125m，宽为2.973m。如此，就可以对支架的强度进行运算。下面，就以具体的实例进行运算实践。已知组件尺寸为1640mm×990mm×50mm；组件重量为20kg；最大风速为30m/s。安装方式：组件安装采用纵向2×10阵列安装，20块组件为一个单元；采用固定倾角钢支架，支架倾角为33°（对于混凝土屋面，采用最佳倾角33°安装的系统需要考虑足够的配重，确保组件方阵的稳定可靠）。屋面高度为10 m。

现以2×10阵列为一个单元进行计算，则光伏组件质量G1=20kg×20=400kg，因此，C形轨道承载的固定荷载重量G=400×9.8=3920N，根据 《建筑结构荷载规范》，再考虑风载荷W、雪荷载S、地震荷载FEk、荷载基本组合P，通过现场环境参数计算材料弯曲应力δ，比对受弯构件允许的挠度值L/250，来确定支架结构的安全性。屋顶承重的相关计算：光伏组件质量G1=20×20=400 kg，支架总荷质量G2=136 kg，混凝土基础质量G3=160×10=1600 kg。因此，总荷重G4=400+136+1600= 2136kg，组件安装面积为10.125×2.973=30.1m2；屋顶单位面积受力为2136/30.1=70.96kg/m2=0.80kN/m2。

由于本项目建筑均为上人屋面，根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》设计，混凝土屋面设计载荷为2 kN/ m2，屋顶平均载荷为0.80kN/m2，安装太阳能方阵后的载荷远小于设计载荷，所以屋面承重安全。

2.2 彩钢板屋顶光伏系统屋面承重计算

彩钢板屋顶光伏组件的排布、支架设计主要考虑屋顶的承重、采光、通风、排水、电缆敷设、电气设备安装、后期维护等因素，光伏板铺设密度一般取屋顶整体面积的0.6～0.9左右，具体光伏组件分布情况还需视屋顶载荷分析情况来校核。彩钢板屋顶光伏系统重量主要为太阳能光伏组件、导轨支架、夹具、电缆等的自重，目前加装在屋顶的光伏支架系统单位重量一般约20kg/m2，通过分析屋顶载荷来复核加装的光伏系统重量是否满足屋顶的安全承重，必要时应减少屋顶面积利用率。

3 屋顶光伏发电系统的构造与电能质量

3.1 构造

屋顶光伏发电系统的构造主要由太阳电池组件以及控制逆变两部分构成。太阳能电池组件是电能的应用模块，其决定着光伏发电系统的应用效果以及应用价值。而控制系统是光伏发电系统的控制核心，其主要负责系统的运行，对系统的效能以及安全性具有非常重要的实际影响，其主要由汇流箱、逆变器、防雷接地装置构成。汇流箱的作用，主要就是对系统之中的多个太阳能组件进行汇总操作，使分散的电能有机的集中起来。如此，通过汇流箱将相同规格的列阵串联起来，进行统一的输出。一方面优化了系统的实用性以及可靠性，有利于提高运行的效率。另一方面，有利于便捷的开展检修工作，能够在一定程度上提高系统的安全性以及稳定性。可以说，通过汇流箱的作用，使系统有机的发挥出了其最大的功效。

逆变器，就是使系统之中运行的直流电转化为交流电的装置内容[3]。逆变器的作用，在某种程度上决定了系统的整体输出效率，对光伏发电系统的运行具有重要意义。逆变器的工作原理主要是对半导体的功率开关进行中断以及联通，以此实现直流电与交流电之间的转换，可以说，其是整流发生变化的逆变流程。

为了保证光伏系统运行的安全性以及可靠性，必须要对系统进行防雷接地设置。通过这一装置，能够有效地避免线路或装置被雷电击中，并在发生雷击现象的时候，直接将雷电所携带的电压导入到地面之中，以此避免或降低雷电对系统造成的损害，进而实现保护系统运行安全性以及稳定性的根本目的。

3.2 电能质量评价

一个较为理想的电力系统，应该能够通过恒定的标准频率进行电能的输送，并按照严格标准电压数值对用户进行供电，以此保证电力系统运行的安全性。一般来说，对电能质量的评价可以落实在电压偏差、电压波动、电压闪变、电网谐波、三项不平衡度等几个方面。按照我国的 《光伏发电站接入电力系统技术规定》以及《光伏发电系统并网技术要求》 的相关规定，光伏系统在向相应区域内提供电能时，应该在电压、谐波、频率、波形畸变、功率因数等方面满足既定的标准。

逆变器是分布式光伏发电系统中对电能质量影响最为关键的一个设备，逆变器的好坏直接影响分布式光伏发电系统的电能质量，逆变器在出厂使用时各项指标必须满足国家电网标准，逆变器在使用前必须通过NB/T 32004—2013光伏发电并网逆变器技术规范、CGC-R46016l：2013 太阳能光伏产品认证实施细则、光伏并网逆变器 （判定依据） 等相关检测标准。

大型的分布式光伏发电项目并网验收要求更为严格，项目在竣工后，施工单位、监理方、业主方三方对项目质量进行检查并消缺，消缺完成后向县、市供电部门提出并网验收申请，供电部门根据分布式光伏发电项目并网技术验收规范来验收项目直至达到验收标准，这样层层把关就保证了分布式光伏发电系统在投运前的用电安全。大型的分布式光伏发电项目在并网前还需提供有资质单位出具的环境评估报告、电能质量检测报告等资料，完全保证了分布式光伏发电项目的用电安全、环境安全[4]。

现阶段的光伏发电系统，在以上各部分指标方面，都能够满足GB/T14549—1992的标准要求，其中，谐波电流普遍处于逆变器评定输出的5%以下，偶次谐波能够保证在谐波限制的25%以下。这一标准意味着光伏发电系统完全不会对周围的用户造成身体上的不良影响，完全能够投入普及使用。

4 结语

综上所述，分布式光伏系统是我国现阶段重点开发的新能源项目，其对优化我国的能源结构，推进能源产业的健康稳定发展具有重要的积极意义。对此，必须要落实系统对屋面的影响，并进行科学的支架结构选择，严格把抓设备质量及项目施工质量，以此促进系统的可持续发展。

[1] 韦立坤，赵波，吴红斌，等.虚拟电厂下计及大规模分布式光伏的储能系统配置优化模型[J].电力系统自动化，2015，39（23）：66-74.

[2] 刘皓明，陆丹，杨波，等.可平抑高渗透分布式光伏发电功率波动的储能电站调度策略[J].高电压技术，2015，41（10）：3213-3223.

[3] 买发军，潘甲龙，白荣丽. 混凝土平屋面光伏支架强度及屋面承重计算[J].太阳能与建筑，2015，11（13）：63-64.

[4] 刘健，黄炜.分布式光伏电源与负荷分布接近条件下的可接入容量分析[J].电网技术，2015，39（2）：299-306.