新建建筑预留光伏电站设计分析

陆超　朱健雍　杨松　张良利　沈道军

摘  要：现如今，利用已有厂房屋面建设分布式光伏电站已成为一种普遍模式。近十年来，全球光伏发电产业每年以40%～50%的速度在持续增长，称得上是世界上发展最快的新型产业。然而，在设计电站时总会存在各种各样的问题，象屋面受到阴影遮挡，厂房结构无法满足光伏荷载要求，厂区内无合适放置电气设备的空间等，因此实际上可能并不适合安装光伏电站。因此，如果能在建设厂房之前规避掉可能会出现的问题，那将会缩短建设周期，大大降低光伏電站的投资成本。

关键词：光伏电站;分布式;屋面;设计

中图分类号：TM615          文献标志码：A

0 引言

太阳能作为一种无污染的可再生能源，近年来受到了广泛关注。而光伏发电技术则是利用太阳能电池组件将太阳光能直接转换成电能，再配备其他的设备，象逆变器、蓄电池等，可构成完整的光伏发电系统。光伏电站最主要的形式是分布式电站，分布式光伏电站通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的发电系统，它一般接入低于35 kV或更低电压等级的电网。目前应用最为广泛的分布式光伏电站系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目大部分需要接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。

一般情况下，是在已有的建筑屋顶上设计建造光伏电站。在设计过程中，经常会受到各种因素的影响，象屋面荷载不够，屋面设备影响光伏组件安装，厂区或配电房没有预留电气设备空间等。当出现这些问题时，则往往涉及厂区的改造，这样大大增加了投资成本，延长了施工周期，对光伏电站的建设产生不利的影响。因此，对于有规划建设光伏电站的屋顶，我们需要在其建造时预留设计光伏电站的空间，以达到降本增效的目的。

1 荷载要求

一个屋顶的承载能力将直接影响屋顶安装光伏电站的安全和可靠性。然而，根据现实中的情况，往往在已建好的钢结构厂房屋顶安装光伏电站后，厂房结构不能满足要求。根据不同的情况，屋面分为混凝土屋面和彩钢瓦屋面，对于这2种屋面增加的光伏荷载主要有：基础、支架、光伏组件、电缆、桥架、汇流箱、逆变器等。但是，不同的屋面相对应荷载要求不同，在安装光伏电站之前，应根据我国现行的建筑结构荷载规范要求，结合现场实际情况，委托专业机构，对房屋进行结构承载力复核，特别是钢结构厂房的结构承载力。如不满足规范要求，必须委托设计院进行加固设计，找专业施工单位对房屋进行加固处理，才能保证房屋安全可靠。所以在建设光伏前，屋面需预留光伏部分荷载，以避免后期加固，降低建设成本。

1.1 混凝土屋面

这类屋面主要为混凝土结构的屋面，为保证原有屋面的稳定性，光伏组件一般是直接搁置在屋面上，并配上配重块来加强稳定性。根据以往经验，混凝土屋面的承载力校核通过率大于80%，是比较适合安装光伏电站的。混凝土屋面预留新增光伏荷载可按0.5 kN/m2～0.7 kN/m2考虑。

1.2 彩钢瓦屋面

这类屋面的组件安装方式主要是利用扣件直接将支架卡扣在屋面上，将光伏组件与原屋面结合在一起。角驰型彩钢瓦屋顶夹具示意图如图1所示，彩钢瓦屋面预留新增光伏荷载可按0.15 kN/m2考虑。

2 屋面配置

影响光伏发电效率的因素很多，在建设建筑物时，不仅要考虑周围的环境，象附近遮挡物和污染源的影响，还要考虑建筑物的朝向。混凝土屋顶最好是东西走向，这样能确保光伏组件能够朝正南放置，以达到发电量最大化的目的。以北京地区为例，其他条件相同的情况下，在组件方位角为正南和南偏西30° 2种不同的排布方式下，发电量有如图2所示的区别。

由图3可知，方位角为正南情况下，逆变器首年等效小时数为1 438 h;方位角为南偏西30°情况下逆变器首年等效小时数为1 402 h。由此可见，混凝土屋面的方位角对于发电量存在较大影响。

其次，直接影响到光伏电站发电量的因素是阴影遮挡，对于建筑物本身，广告牌、爬梯尽量设置在屋面北部。以北京地区为例，一个高3 m，长20 m的广告牌约能产生250 m2的阴影，将减少约150块组件的数量。在高纬度地区这种影响将会更加明显。同时，女儿墙设置不宜太高，为了安全考虑建议高度设置在0.8 m左右，这样既能为日常运维人员起到一个避险的作用，又减少了阴影对组件的遮挡。不仅如此，还要规避附近的污染源，较为常见的污染源便是灰尘。灰尘对太阳辐射具有反射、散射和吸收作用，降低了光伏电池板的透射率，从而影响组件阵列的发电量;由于灰尘非均匀遮蔽光伏组件，不仅会降低辐射量，还会引起辐照量照射的不均匀，导致光伏组件失配，降低光伏发电输出功率。同时，灰尘遮挡还会降低光伏组件表面的散热性，导致发电效率和性能比（PR）降低，清洗费用增加，对于含氧化物的灰尘污物还将提高光伏电池的故障率，影响使用安全性，减少组件寿命。

3 厂区配置

除了屋面配置外，厂区其他设施也要考虑到为建设光伏电站预留一些空间。有计划地建设光伏电站的厂区，可以在配电间到屋顶之间预留电力井和预埋电力管道，以避免后期破路施工的麻烦。对于低压并网的项目，厂区变压器容量要足够光伏电站的接入。低压配电房内也要有适宜的空间方便电气柜的布置，平均每兆瓦所需空间约为50 m2。对于高压并网项目，升压房和开关柜需要预留约70 m2的空间，若考虑采用户外箱变的形式，为了容纳箱变基础，厂区绿化在规划时宽度需大于5 m。在建设光伏电站前，可先与当地电力局对接，了解当地电网条件和要求，提前为电站设计做准备。

4 结论

太阳能光伏发电作为可再生的清洁能源，受到日益广泛的关注和应用，同时太阳能光伏发电的技术水平也得到快速发展与提高。目前已有地区政府发文通知，通知指出：为了有效拓展屋面资源。鼓励电力用户利用各类具备条件的既有屋顶建设分布式光伏电站。新建建筑屋顶要合理预留建设空间，其中政府投资新建的标准化厂房、大型场馆等公共建筑，除特殊用途及要求外，具备安装、使用条件的均须按照分布式光伏对屋面荷载标准进行设计。现有重点耗能企业要优化用能结构，利用自有屋面采取多种方式建设分布式光伏电站;新建项目特别是综合能耗超过3 000 t标准煤的项目，无特殊原因均须预留分布式光伏建设屋面。因此，为了在建设光伏电站时能够更加便利，就需要在新建厂房前将影响光伏电站的各种不利因素优先考虑，避免后期不必要的麻烦，为建设电站节省成本，缩短生产周期，提高经济效益。

参考文献

[1]吉春明，朱庆东.屋面光伏阵列荷载分析与结构承载力评估[J].武汉大学学报 （工学版），2011 （S44）：109-112.