分布式光伏并网发电系统设计与施工

分布式光伏并网发电系统设计与施工鲍其龙，史苏明（单位：常州天合光能有限公司，常州213031）中文摘要：随着能源危机的加剧和环境保护的压力，可再生、清洁能源在常规能源系统中的地位凸显，而太阳能是目前可知的最清洁、安全和可靠的可再生能源来源之一。发展和推广太阳能能源应用已上升至国家战略层面规划，将会对我国经济的发展模式产生深远影响。以分布式光伏发电系统为代表的太阳能能源应用，以其清洁、环保、无污染和储量极丰富等特性已受到中国乃至世界的青睐。如何建设分布式光伏发电系统的应用随之成为大家关注的焦点，对于分布式光伏发电系统的设计和施工，可以结合事先现场调查的数据，进行组件排布、支架结构、基础和电气结构设计，设计时需考虑建筑屋面的承载力、结构、朝向等因素，合理优化设备间的电气匹配性及防雷保护，须严格参照设计要求进行分部分项施工、调试及并网。关键词：分布式光伏并网发电系统；屋顶分布式；设计与施工；并网发电0.引言当前，随着全球人类经济社会的发展，对能源的需求与日俱增。化石能源是全球消耗的主要能源，化石能源的大量、广泛使用，带来了日益严重的“副产品”：环境污染，气候变暖，生态恶化。以煤炭和石油为标志的化石能源作为不可再生资源，悲观的估计还有约100年、乐观估计还有200年可供人类继续使用，这迫切需要人类开发可再生资源。在可再生资源中，风能、地热能、核聚变能以及太阳能是主要的存在形式。太阳能以其潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW被认为是最清洁、安全和可靠且唯一能够保证人类未来需求的能量来源。在我国，特别是以北京为首的大型城市雾霾严重，中央政府为此计划投入2.2万亿元治理大气污染，政府对生态问题重视已经提升到一个高度，建设生态中国、美丽中国等内容相继提出，前期高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型扩张的经济增长方式已难以为继，这也迫切需要转变发展模式和发展途径。国家能源局2012年9月12日正式发布《太阳能发电发展“十二五”规划》，其中将太阳能发电“十二五”规划目标定调为2100万千瓦，其中光伏和光热发电分别为2000万千瓦和100万千瓦。同时，《规划》明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域，并从体制和相关扶持政策上督促地方政府、电网和发电企业积极落实。结合分布式发电的发展和需求以及实施分布式发电系统的经验，我们起草了本文作为分1布式光伏发电并网系统标准化设计、施工的指南，同时也可作为行业同类项目筹建、施工安装及交付执行过程的重要参考。*作者简介：鲍其龙，男，南京人，硕士，主要研究方向为光伏产品、系统相关质量、商务、运营和服务等，[e-mail]；史苏明，男，镇江人，学士，主要研究方向为光伏产品、系统相关质量、服务、技术支持等，[e-mail]；1.概述分布式光伏并网发电系统（如下图1.1所示）是利用屋顶上安装的太阳能光伏组件通过“光生伏特”效应将太阳能直接转换为电能，在室内或室外安装逆变器以及连接设备的线缆、电度表等，经过逆变器将直流电转换为交流电、供用户使用并与电网连接并网运行的光伏发电系统，是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式。它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价、有效提高同等规模光伏电站的发电量，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。图1.1分布式光伏发电系统简视分布式光伏并网发电系统一般安装在建筑屋顶上，由于国内目前环境、住宅结构、材料等诸多因素的差异，如何有效进行分布式光伏发电系统的设计和施工成为研究的重点。鉴于目前分布式发展的需求，本文提出了分布式标准化设计、施工理念，既可以满足一般建筑屋面分布式光伏系统的建设需求，也适用于结构复杂的建筑屋面分布式系统建设。22.设计设计分布式光伏并网发电系统前，要仔细听取用户的意见，并结合周围环境和住宅结构等，以事先调查数据为基础进行设计（主要步骤参考下图2.1），合理有效利用屋面进行太阳能阵列的排布，根据屋面结构、材料及环境等因素综合采用符合要求的支架结构，最后对整个系统电气安装及引线、走线、监控等进行优化。事先调查设计条件整理组件排布设计支架结构设计基础设计电气设计图2.1分布式光伏发电系统设计流程2.1.事先调查事先调查也称事前现场调查，由于住宅屋顶的形状、结构、材料等各不相同，在屋顶上敷设太阳能组件需要对安装条件进行仔细研究，研究范围参考以下内容：用户方面：用电需求、安装场地、位置、预算、时间、设计、外形等；房屋方面：结构、材料、载荷、强度、形状、施工方法、方位角、倾斜角、日照条件等；电气设备：买电合同、引线路径、走线路径、配电盘位置、并网点位置、安装场所、接地方式等；作业环境：材料存放保管位置与方式、搬运路径与方式、周围障碍物、作业水电、安全与消防等、排水通风等；自然环境：暴雨、台风、雷击、泥石流、盐害、公害、沙层等；2.2.设计条件整理在进行设计前需要对事先调查的数据进行整理，综合数据进行设计；一方面可以形成比较准确的光伏系统成本报价；另一方面在光伏系统的设备布置上要和业主现场协商，达成一致意见，避免盲目设计造成以后的分歧，严重的会导致延误工期，造成经济纠纷。1.要能保证在冬至日的日出后1.5h至日落前1.5h之间，不会有前排方阵对后排方阵造成阴影遮挡问题。2.考察安装光伏系统的地点是否合适。3.对于整个光伏系统的设备布置以及后期的光伏系统的安装进行初步的估计。2.3.组件排布设计太阳能电池组件的方位角与倾斜角选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为0°，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度，如太阳在正东方向时，方位角为-90°，在正西方时方位角为90°。方位角决定了阳光的入射方向，决定了不同朝向的建筑物的采光状况。倾斜角是地平面（水平面）与太阳能电池组件之间的夹角。倾斜角为0°时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为90°时表示太阳能电池组件为垂直设置。方阵间距同样是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。方阵间距是指前后光伏组件阵列之间的距离，间距的大小直接影响系统的发电效率、建设成本和投资回报。过小的间距会造成相邻阵列的光线遮挡，形成热斑并降低系统效率；过大的间距会降低建设场地面积的利用率，变相降低系统整体收益。2.3.1方位角太阳电池方阵的方位角（请参考下图2.2）是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。图2.2：方位角示意图2.3.2倾斜角倾斜角（请参考下图2.3）是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角的限制条件。对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。图2.3：倾斜角示意图以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地根据安装场所的经纬度以及屋面朝向，进一步同实际情况结合起来考虑合理设计最佳倾斜角和方位角。2.3.3方阵间距光伏阵列间距的确定原则是冬至日当天9:00至15:00，光伏阵列不会相互遮挡，一般按以下方式确定最小间距。首先按式（1）和式（2）计算出地区太阳高度角α和方位角β。sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω（1）sinβ=cosδsinω/cosα（2）式中：φ为纬度，δ为太阳赤纬，ω为时角，然后由式（3）确定阵列间距：D=cosβ×H/tanα（3）式中：D为阵列间距；H为阵列高度太阳高度角α请参考下图2.4，方位角β请参考下图2.5，赤纬角请参考下图2.6，时角请参考下图2.7图2.4：太阳高度角示意图图2.5：太阳方位角示意图图2.6：赤纬角示意图图2.7：时角示意图附注：1、太阳高度角为太阳方向与水平面的夹角；2、太阳方位角为太阳方向的水平投影偏离南向的角度；3、赤纬角又称太阳赤纬，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，相当于黄赤交角，是23°26′。赤纬角以年为周期，在+23°27′与-23°27′的范围内移动，成为季节的标志。每年6月21日或22日赤纬达到最大值+23°27′称为夏至，该日中午太阳位于地球北回归线正上空，是北半球日照时间最长、南半球日照时间最短的一天。在南极圈中整天见不到太阳，而在北极圈内整体太阳不落，这样北半球就出现相对较热的天气，而南半球出现较冷的气候。随后赤纬角逐渐减少至9月21日或22日等于零时全球的昼夜时间均相等为秋分。至12月21日或22日赤纬减至最小值-23°27′为冬至，此时阳光斜射北半球，昼短夜长而南半球则相反。当赤纬角又回到零度时为春分即3月21日或22日；4、太阳时角，日面中心的时角，即从观测点子午圈沿赤道量至太阳所在时圈的角距离。以地球为例，在地球上，同一时刻，对同一经度，不同纬度的人来说，太阳对应的时角是相同的。单位时间地球自转的角度定义为时角w，规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周360度，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为15度。2.4.支架结构设计2.4.1支架材质支架的材质一般是根据使用环境和使用寿命选取的，光伏系统支架材料通常为钢结构和铝合金结构，或者两者混合。1)铝合金：质量轻是它的优点也是缺点，承载能力低，最常用的是6063型号的铝材，其优势为耐腐蚀和外观美观，在屋面上可以避免维护的成本，主要应用于家庭；2)不锈钢：这是最常见的光伏支架材料，材料选择冷弯型钢，特点为在组合附件的配合下安装方便,维护成本相对较低，同时成型工艺成熟，并且种类多样，规格和防腐蚀性能上都有突出的优点，对盐害等抵抗性强，一般在潮湿环境或海边等区域选择使用；2.4.2支架强度支架的强度要能承受自重、组件重量和风压的最大负荷。太阳能电池阵列用支架结构设计时考虑的荷重主要有固定荷重、风压荷重、积雪荷重及地震荷重；此外，也有因温度变化产生的“温度荷重”,但与其他荷重相比很小，一般忽略不计。固定荷重G：组件质量和支撑物自身质量的总和；风压荷重W：加在组件上的风压力和加在支撑物上的风压力的总和；积雪荷重S：与组件面垂直的积雪荷重；地震荷重K：加在支撑物上的水平地震力；1)雪载荷a)我国《建筑结构荷载规范GB50009》规定，屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算Sk=μrS0式中：Sk：雪荷载标准值（kN/m2）；μr：屋面积雪分布系数；S0：基本雪压（kN/m2）。基本雪压应按该规范附录中附表给出的50年一遇的雪压采用。b)美国《建筑及其它结构最小设计荷载》规定，斜度小于1/12的平屋面的雪荷载按下式计算：Pf=αCeCtIPg式中：Pf：雪荷载；α系数，美国本土为0.7，阿拉斯加为0.6；Ce为暴露系数；Ct为热力系数；I为重要性系数；Pg为地面雪荷载。地面雪荷载系基于雪荷载超过的年概率为2%（即平均重现期50年）的数值。2)风载荷a