“整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电项目的典型设计方案和设计要点探讨

张 敏，李爱武，计枚选

(龙源(北京)太阳能技术有限公司，北京 100034)

0 引言

2021年6月20日，国家能源局综合司下发了《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，明确提出了在屋顶资源丰富、消纳能力较好的地区，应开发利用屋顶分布式光伏发电。

分布式光伏发电是可再生能源利用的重要途径之一[1]。积极开展屋顶分布式光伏发电的规划、建设和运营，加快可再生能源创新发展，建立有质量、有效益、可持续的高比例可再生能源体系是应对能源资源约束、改善生态环境的重要举措，也是适应未来能源转型形势、实现低碳发展的关键环节。当前，分布式光伏市场呈现快速增长态势[2]。“整县推进”屋顶分布式光伏政策是实现碳达峰、碳中和与乡村振兴两大国家重大战略的重要举措。与地面光伏发电项目不同，“整县推进”模式下的屋顶分布式光伏发电项目更分散，因此设计方案是“整县推进”屋顶分布式光伏发电项目建设中的关键点，需要结合项目所在地的场景、资源、屋顶形式，因地制宜，提供安全、可靠、经济性好的设计方案。

本文首先介绍了“整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电的4种典型应用场景，并详细阐述了建设场址选择原则、主要设备的选型原则、发电量分析原则、接入电网设计原则，以及智慧光伏运维方案；然后结合实际工程中的设计实践，总结了屋顶分布式光伏发电项目设计要点，给出了可供探讨的整套设计方案，以期助力屋顶分布式光伏发电的大力发展。

1 “整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电的典型应用场景

“整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电建设的4种典型应用场景为：党政机关建筑屋顶、公共建筑屋顶、工商业厂房屋顶、农村居民屋顶。

1)党政机关建筑屋顶。主要包括市政府、乡镇政府、档案馆、博物馆、图书馆，以及文化馆等建筑物屋顶。

2)公共建筑屋顶。主要包括村委会、居委会、学校、医院、卫生所等建筑物屋顶，产权归为当地政府部门，此类场景的建筑物多为框架结构混凝土平屋顶，部分建筑物为彩钢瓦屋顶。

3)工商业厂房屋顶。主要是指各商城、工厂、酒店、办公楼等的屋顶，多为混凝土平屋顶。屋顶铺设光伏组件后，光伏组件不仅能够起到遮阴降温的作用，用户还能享受折扣低电价供电或者获得屋顶租金。

4)农村居民屋顶。各个地区的农村居民屋顶造型不一，各有特色，并且村落周围一般有树木，对部分农村居民屋顶会造成遮光影响，影响其进行屋顶分布式光伏发电建设；另外，部分居民屋顶进行分布式光伏发电建设时需要根据其具体情况采用特殊支架方案。

2 “整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电项目的典型设计方案

2.1 建设场址选择原则

屋顶分布式光伏发电项目的建设场址选择中，优先选择屋面彩钢板形式为角驰型或直立锁边型彩钢板、混凝土屋面防水良好，以及屋面突出物及遮挡物较少的屋顶；优先选择当地区域太阳能资源条件好、建筑物产权清晰、使用寿命短、屋顶可利用面积较大、附近用电负荷较大、接入电网条件较好的屋顶区域。

2.2 主要设备的选型原则

2.2.1 光伏组件选型

光伏组件的选型基本原则是在保证所选产品安全、可靠的前提下，根据项目所在地的气候特征、太阳辐射量、场地面积等因素，经过技术经济性分析后，选择出综合指标最佳、最适合于该区域屋顶分布式光伏发电项目的光伏组件。

光伏发电系统效率会直接影响光伏电站的收益[3]，光伏组件选型时需综合考虑光伏组件的光电转换效率、技术成熟性、市场占有率、价格等因素。目前，根据接入电压等级，屋顶分布式光伏发电项目通常选用72片封装的450 Wp或540 Wp型PERC单晶硅光伏组件。

2.2.2 逆变器选型

逆变器选型的主要技术原则包括：1)性能可靠，效率高；2)要求直流输入电压有较宽的适应范围；3)具有保护功能；4)波形畸变小，功率因数高；5)具备监控和数据采集功能；6)具备低电压穿越功能。

综合考虑屋顶分布式光伏发电项目的并网要求、运行期的运营维护需求和设备安全性要求等方面，本文选择组串式逆变器进行方案设计。目前，组串式逆变器已应用于国内多个屋顶分布式光伏发电项目，主流应用是直流电压为1000 V的50、60、80、100 kW组串式逆变器，以及直流电压为1500 V的230、320 kW组串式逆变器。

实际设计时，应依据屋顶分布式光伏发电项目拟建设地和项目布置容量的具体情况选择不同电压等级和不同容量的组串式逆变器。在公共基础设施的大型建筑物(构筑物)屋顶、新建工业厂房屋顶等上面可以成批、成片布置光伏组件，此类光伏发电系统装机容量较大的应用场景中，为了节约建设成本，尽量选择直流电压等级为1500 V的较大容量的组串式逆变器，以使光伏发电系统获得更高的收益。

在新建民用建筑一体化项目屋顶、社区屋顶、农村户用屋顶、停车棚顶等地方布置的光伏发电系统容量可能无法连片形成较大容量规模，在技术经济性和可行性上，这类屋顶分布式光伏发电项目会优先选择直流电压等级为1000 V的较小容量的组串式逆变器，比如30、50、80、100 kW组串式逆变器。最终逆变器选型应根据屋顶分布式光伏发电项目现场的实际情况来确定。

2.3 布置方案

屋顶分布式光伏发电项目的典型应用形式主要有混凝土平屋顶结构和彩钢瓦屋顶结构。不同屋顶结构的布置方案不同。

2.3.1 混凝土平屋顶结构

农户新建房、公共设施用房、工商业、学校等的屋顶多为混凝土平屋顶结构。混凝土平屋顶的原始设计一般分为上人屋面与不上人屋面2种形式，初始设计为上人屋面的屋顶，在考虑屋顶寿命的前提下一般能够满足增加光伏发电单元的荷载要求；而通常针对不上人屋面，在屋顶分布式光伏发电项目的开发前期需对原屋面结构进行结构复核[4]。

2.3.2 彩钢瓦屋顶结构

农户遮阳棚或配房、工商业车间厂房等的屋顶多为彩钢瓦屋顶结构，需要根据原有设计图纸校核屋面彩钢瓦结构的荷载情况。

2.3.3 布置方案

屋顶布置光伏组件的支架倾角选择需要综合考虑当地的太阳辐射量、屋面倾角、前后排阴影遮挡、周围障碍物遮挡等问题，应根据项目所在地，并结合不同应用场景来确定。

2.4 发电量分析原则

光伏电站的发电量取决于总太阳辐射量、光伏组件的光电转换效率、设备效率(比如逆变器效率)及输电线路损耗(比如：直流线路损耗、交流线路损耗、并网线路损耗等)，同时也受到其他多种因素的影响。整县推进屋顶分布式光伏开发试点工作中，根据设备选型、屋顶结构形式等各种外部输入条件的不同，4种典型应用场景下屋顶分布式光伏发电项目的系统效率和首年利用小时数会有所差异。以江苏省某县为例，其整县推进屋顶分布式光伏开发试点工作方案中，4种典型应用场景对应的系统效率和首年利用小时数情况汇总如表1所示。

表1 江苏省某县的屋顶分布式光伏发电4种典型 应用场景对应的系统效率和首年利用小时数 情况汇总Table 1 Summary of system efficiency and first year utilization hours corresponding to four types of typical application scenarios of rooftop distributed PV power generation in a county of Jiangsu Province

由于光伏组件的光电转换效率存在衰减，呈逐年递减状态，因此随着时间的推移，屋顶分布式光伏发电项目的实际年发电量将不断减少。因此，应按照工信部发布的《光伏制造行业规范条件(2021年本)》，并结合光伏组件厂家提供的光伏组件衰减参数，按照“首年衰减率不超过2%，以后每年衰减0.55%”的原则进行屋顶分布式光伏发电项目实际发电量的计算。

2.5 接入电网原则

分布式发电通常遵循“因地制宜、清洁低碳、安全高效、分散布局、就近利用”的原则。因此在屋顶分布式光伏发电项目的实际设计中，对于单个并网点，接入电网的电压等级应在满足安全性、灵活性、经济性原则的前提下，根据屋顶分布式光伏发电系统的装机容量、交流导线载流量、上一级变压器及线路可接纳上网的能力，以及当地配电网现状进行综合比选后确定[5]。

根据相关标准和要求，分布式电源装机容量为8 kW及以下可接入220 V电网，8～400 kW可接入380 V电网，400 kW～6 MW可接入10 kV电网；且若新增光伏发电系统在变压器低压侧并网时，每台变压器低压侧最多设计1个并网点。每个屋顶分布式光伏发电项目的最终并网电压等级应结合屋顶分布式光伏发电项目周边的电网实际条件和项目装机容量，通过技术经济性比选论证后确定。

2.6 智慧光伏运维方案

分布式光伏电站具有数量多、容量小、复杂程度高等特点，各种类型的分布式光伏电站集中管理，必须搭建统一的智慧光伏运维平台，以实时了解电站的运行情况，包括每块光伏组件和每串光伏组串的运行状态、性能表现，可精准定位电站故障位置并识别故障类型，做到整体可视、电站资产智慧运营及智能运维。

针对整县推进屋顶分布式光伏开发试点工作中光伏电站数量多且较为分散的特点，可利用物联网、人工智能、云计算、数字孪生等新兴技术，针对全县建设一套多层级、多维度的智慧光伏运维平台，在实现全县的屋顶分布式光伏电站三维可视化运维的同时，整合光伏组件、逆变器等设备的运行状态等各种信息。可利用数字化、人工智能(AI)、智能I-V诊断等技术，实现屋顶分布式光伏电站的在线“体检”和运维，提高整县能源的整体利用效率，实现资源优化配置、灵活调控，以及新能源高效、低碳、智能化的发展目的。

3 “整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电项目的设计要点

3.1 复核屋顶荷载和建筑物周边条件

应遵循JGJ 203—2010《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》第4章第4.1.3条的规定，“在既有建筑上增设或改造光伏系统，必须进行建筑结构安全等复核工作。”根据GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》第3.1.1条强制性条文第2款的规定，“使用用途或环境改变”需进行屋面可靠性鉴定。因此，所有用于建设分布式光伏发电项目的屋面均需复核屋顶荷载，以确认屋顶的承载能力可达到安装分布式光伏发电项目的要求，并进行可靠性鉴定。

另外，需查看屋顶所属建筑物周边是否有高层建筑物，少量的阴影遮挡会导致光伏电站输出功率下降，因此在光伏组件的排布设计阶段必须进行阴影分析，以保证光伏电站在09:00～15:00时间段(当地真太阳时)无任何的阴影遮挡。

除了复核屋顶荷载和阴影遮挡之外，当应用场景为工业厂房屋顶时，还需要考察厂房内的设备情况，排查厂房内是否存在导致厂房的电压不稳定、电流谐波超标的设备，以避免对光伏电站的设备产生影响。

3.2 自发自用的用电负荷比例计算

实际屋顶分布式光伏发电项目中，采用“自发自用，余电上网”方式的较多，此时需要进行负荷消纳分析及综合电价计算。

1)项目负荷现状及用电量情况。分析屋顶分布式光伏发电项目的负荷现状及用电量情况，统计分析项目接入的电气接线和电负荷现状，汇总整理最近1年全年的峰、谷、平用电量数据。

2)计算光伏发电的综合电价。首先了解屋顶分布式光伏发电项目供电区域的主要用电时间段及节假日等情况，根据现有月度用电量情况及用电时间段等信息计算出月度每小时的用电量情况，从而得到全年12个月的日代表性负荷曲线；以典型月的典型日的用户用电负荷及光伏发电系统发电量情况为例，可得到典型日全天的负荷用电量曲线与其发电量曲线示意图；然后用“自用电率=自用电量/光伏发电系统发电量”计算得出典型日的光伏发电系统发电量；最终可计算得到屋顶分布式光伏发电项目的负荷消纳比例和综合电价。

3.3 接入电网设计

屋顶分布式光伏发电项目一般采用“全部自发自用”“自发自用，余电上网”或“完全上网”3种结算模式。其中，后2种结算模式涉及到接入电网设计。

接入电网设计的要点主要为：

1)屋顶分布式光伏发电项目首次现场踏勘时，一般需要结合现有配电图纸勘察光伏电力接入电网的可能性和可能方式。

2)对于接入公共电网，需要在并网柜内或者产权分界点处装设光伏发电系统发电量计量表，计量表规格和装设位置需满足当地电网公司的要求。

3)通信方式根据地区电网区域发展的差异，在满足当地电网公司要求的前提下，设计中可尽量采用智能化实现方式，以实现降低项目投资的目的。

3.4 光储充一体化设计方案

大量屋顶分布式光伏发电接入电网后，由于电网末端容量受限等问题，可能引发潮流方向改变、局部电压越限、继电保护误动等诸多不利影响。针对不同应用场景提供个性化的光储充一体化方案，可实现新增屋顶分布式光伏发电与用电负荷基本平衡，从而降低电网容量压力，在极大地节省了电网增容费用的同时，还可以提高屋顶分布式光伏发电项目在不同应用场景下的供电可靠性与经济性。

3.5 不同设计阶段的要求

屋顶分布式光伏发电项目的设计中存在很多需要注意的问题[6]，不同设计阶段的工作重点有所差异。

1)前期勘测设计阶段：需提前发给业主方收资清单，收集房屋产权信息，以及总图、建筑结构、电气等相关专业图纸和资料；在此阶段可同时利用无人机等设备进行资料收集。

2)编制初步方案阶段：需在进行屋顶荷载复核或具备屋顶加固方案后，根据无人机拍摄图片和现场踏勘收集的资料，有针对性的给出可研或初步设计方案，主要包括项目所在地的光照资源状况、总图布置容量、发电量、电气接入方案，以及项目收益率等。

3)施工图设计阶段：建议根据接入电网的批复结果及前期方案的评审意见进行深入设计，保证图纸质量和深度满足施工要求。其中，光伏组件的总图布置、支架的安装方式、电缆截面选型和电缆敷设方式是重点设计内容。

4)竣工图设计阶段：依据现场施工、安装中出现的设计变更、工作联系单等有效文件，在施工图基础上进行竣工图设计工作。

4 结论

本文介绍了“整县推进”模式下屋顶分布式光伏发电的4种典型应用场景，详细阐述了建设场址选择原则、主要设备的选型原则、发电量分析原则、接入电网设计原则，以及智慧光伏运维方案；总结了屋顶分布式光伏发电项目的设计要点，并给出了整套设计方案。未来光伏发电项目的设计人员需要在实际的项目经验基础上，不断总结、探索出新型的个性化设计方案，探索屋顶分布式光伏发电新的开发模式，以助力国家“双碳”目标的实现。