光伏分布式电站彩钢屋面安装及注意事项研究

光伏分布式电站彩钢屋面安装及注意事项研究

李春

（国华能源投资有限公司北京100010）

摘要：分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数十兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的，就地消纳的、非外送型的发电单元。其装机规模较小，电能主要由用户自用和就地利用的可再生能源、资源综合利用发电设施或有电力输出的能量梯级利用多联供系统。目前很多厂房和建筑都采用彩钢屋顶，相对于混凝土的屋顶，彩钢结构坚固性差，倾斜度大，对于这种结构的光伏分布式电站施工要根据彩钢的结构做科学设计。

关键词：光伏分布式电站；彩钢屋面

太阳能作为一种开发潜力巨大的新能源和可再生能源受到国内外的空前重视，从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。欧盟、美国和日本把2030年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的10%以上，2050年达到20%以上，大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中占有重要地位。

一.光伏发电原理

通过光伏发电的原理是利用光伏效应在半导体如单晶硅、多晶硅、非晶硅等介质，将光能经过系列转换，产生电能的发电方式，与燃煤发电、水电、核电等传统发电技术比较，光伏发电不需要过渡过程来转变为电能，从太阳能到电能输出不耗费能源，不排放二氧化碳、二氧化硫等温室气体，同时没有废水和废气排出，没有机械旋转部分等噪声污染，机械损耗也不存在，不必使用冷却水进行发电；不对环境进行污染；发电设备采用模块化结构布置，规模不受限制，运行维护和管理简单，维护成本极低，可实现无人值守。发电设备不单独占地，既能在城市的屋顶和墙面安装，也可在无水的荒漠地带安装；光伏发电是太阳能利用的主要形式，也是最具发展前景的发电技术。

太阳能光伏发电方式有很多种，最终途径是产生电能，目前采用比较多的是光电直接转换方式，另外一种是光热电转换方式由于成本较高，在实际用途中不常采用用，下面对这两种转换方式分别进行介绍。

（1）光热电转换方式也叫做聚焦型太阳能热发电，通过各种物理方式利用太阳辐射产生的热能来发电，一般是由太阳能集热器把太阳能直射光聚焦发热，将所吸收的热能将水介质转换成高温高压的蒸汽，高温高压蒸汽再驱动汽轮机热电转换进行发电。太阳能热发电分为光热转换过程和热电转换过程，与普通的燃煤发电机组相比，太阳能热发电同样具有效率低成本高的缺点，投资成本是普通燃煤机组的5倍以上。

2）光电直接转换方式是将太阳能直接转换电能的常见形式，主要原理是光电效应，其配套装置主要通过太阳能电池来实现，太阳能通过光伏效应，直接转化为电能，实现此功能器件即太阳能电池，其核心部件是用半导体元件制作的一个光电二极管，当光能照射在太阳能电池上时，太阳光通过光电二极管转变成电能，电压形成回路产生电流。足够多的太阳能电池组合起来，通过串联、并联或混联形式形成太阳能电池方阵，产生足够大的电流，从而输出较大的输出功率。太阳能电池前景比较广阔，是我们常见的新型能源，太阳能恒久不衰，太阳能电池作为一次性投资，使用寿命较长至少10年以上，实践证明，太阳能电池有永久性、可操作性、灵活性等优点。

二.分布式光伏发电概述与优点论述

分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数十兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的，就地消纳的、非外送型的发电单元。其装机规模较小，电能主要由用户自用和就地利用的可再生能源、资源综合利用发电设施或有电力输出的能量梯级利用多联供系统。

分布式发电的核心特征是“就地消纳”。随着集中式单一的电力系统己不能满足负荷对供电质量与可靠性的要求。分布式光伏发电系统的系统建立，不仅能够提高系统的灵活性及安全性，而且能够节省投资，目前分布式光伏发电的优点主要有以下几点：

（1）分布式光伏发电系统与建筑物结合的分布式光伏安装在屋顶或墙面，无需占用新的土地资源，并且较为美观。能够有效的利用分散存在的可再生能源，减少化石燃料的消耗及其使用带来的污染。

（2）经济性方面，分布式发电相比大型电站的总投资要低，同时无需远距离的输电线路建设投资。分布式发电系统接近用户负荷，就地消纳，减少了电能的输送损耗，提高了能源利用效率。

（3）分布式有利于电力市场的改革。在大电网出现故障时，仍能够对负荷进行供电，表现出更强的可靠性。同时具有调峰的功能，是智能电网的重要组成部分。

三.彩钢结构特点

彩钢瓦：又称彩色压型瓦，是采用彩色涂层钢板，经辊压冷弯成各种波型的压型板，目前广泛应用于工业与民用建筑、仓库、特种建筑、大跨度钢结构房屋的屋面、墙面以及内外墙装饰等。鉴于目前很多投资业主咨询彩钢瓦屋面建光伏电站的相关问题，下面广东太阳库的技术人员给大家讲解彩钢瓦屋面光伏电站的安装及注意事项。

目前彩钢屋面多为坡屋面，常见的坡度为10%和5%。屋面板为压型钢板或压型夹芯板，下部为檩条，檩条搭设在门式刚架等主要支撑结构上。在国内，此种类型的屋面安装光伏电站实例较多。对于此种屋面，光伏组件可沿屋面坡度平行铺设，也可以设计成一定倾角的方式布置。上部支架可通过不同的连接件、紧固件与屋面承重结构连接。常见的彩钢板屋面的主要形式有：直立锁边型、角驰型、卡口型、明钉型等。

彩钢屋面光伏发电项目属于对已有建筑物彩钢屋面的改造项目，因而建筑物的屋面形式、建筑物的结构形式、光伏阵列的布置形式及光伏组件本身的形式，以上条件的多样性决定了屋面光伏支架的形式多种多样。屋面的形式及建筑物的结构形式对光伏支架的工程造价影响较大。一般来说，屋面的防水等级越高，屋面防水层不外露，屋面的活荷载越大及建筑物整体结构较好、承载能力较强的屋面，光伏支架的工程造价越低，反之，工程造价越高。

四.彩钢瓦屋面电站设计方案中有几个重要的注意事项：

1、明确光伏组件的形式及铺设方式，清楚原有建筑物的屋面形式。

2、清楚原有建筑物的结构形式并对主要结构受力构件进行核算。

3、根据原有建筑物的屋面形式、结构形式、光伏阵列的布置形式、光伏组件本身的形式、结构核算结果及可能的施工措施等多项条件，给出各种可行的支架布置方案，确定最优的布置方式。

4、屋面光伏电站项目有其施工上的特殊性，综合考虑现场施工条件，选择合适的施工工艺，并给出施工中的注意事项、施工保护剂安全施工措施等。

彩钢瓦屋顶光伏发电影响的九个因素：（1）、太阳的辐射量;（2）、电池组件的安装角度;（3）、电池组件的效益;（4）、整个组件的组合损失;（5）、电池组件的温度特性;（6）、最大输出功率跟踪(MPPT);（7）、线路的损失;（8）、尘土覆盖遮光造成的发电量损失;（9）、逆变器、控制器效率对电站发电量具有一定影响。

五.工程施工中遇到的问题和改进的建议及措施：

1、采用最佳的支撑方案和倾角方案，来解决积水、积尘和高温带来的影响。在建设光伏电站时，可以利用屋顶彩钢瓦坡度来进行评估。彩钢瓦基本与工业相关，彩钢瓦在夏天的时候温度很高，高温对发电效率会有一些影响。

2、光伏组件采用横向排列，减少阴影面积，提高有效利用面积，从而增加发电效率。

3、夏季时，彩钢瓦经暴晒后温度非常高，加之工业厂房本身的室内温度比较高，这样对组件的发电效率十分有影响。在彩钢瓦上增设喷洒装置，既利于电站的降温，又利于瓦面的降温。

4、设计合理的组串走线，降低线缆长度与线损。

5、使用组串式逆变器，提高弱光利用率，逆变器低电压启动，综合利用时数提高。

六.光伏分布式电站彩钢屋面安装

1、考察前屋顶光伏方阵的选址

（1）、屋顶结构(固定支架,保证防水)。

（2）、檩条间距，方向，尺寸距离。

（3）、屋面结构，组件排布。

（4）、避免阴影遮挡。

在安装光伏系统时，首先要保证在避免破坏屋顶的情况下安装。具有防水层的屋顶需要避免打孔，彩钢屋顶进行打孔的需要使用防水胶或胶垫。

2、组件方阵排布需要注意的关键点

（1）组件长宽的摆放

安装时，组件根据屋面面积确定组件长宽的摆放，组件长边垂直于龙骨时，节省支架成本。安装时要预留走线槽的宽度。

（2）彩钢屋顶荷载

一般情况下钢结构厂房上面装光伏发电设备每平米会增加15公斤的重量，大型商企业的屋顶一般都会有原设计院的图纸，考察前我们如果能够获得图纸，可以详细了解屋顶结构及电气结构分布。通过图纸查看屋顶荷载是否满足安装要求，查看建筑设计说明中恒荷载的设计值，并落实除屋面自重外，是否额外增加其他荷载，如管道、吊置设备、屋面附属物等，并确定恒荷载是否有余量能够安装光伏电站。

七.分布式光伏发电工作模式

分布式光伏并网发电系统有待机、停机、电网运行情况监控、启动、运行以及故障退出6种工作模式，各种工作模式间可以相互转换。

1.停机模式

（1）在装置交流电压加电后，系统将处于停机状态。

（2）在待机、电网运行监控、启动、运行或者故障状态下，可以通过触摸屏、后台或者启停旋钮下启动停机指令，装置即退出目前状态，转为停机状态。

（3）在待机、电网运行监控、启动以及运行状态下假如发生了一级故障或者一级以上故障下，装置在连续5次故障复位失败后会退出该状态，转为停机状态。

2.待机模式

（1）在停机状态下时，交流手动断路器以及直流手动断路器位于闭合状态，而且在触摸屏或者后台下发启动命令，亦或者在人机接口面板上转动启停按钮到启动位置后，装置会从停机状态转为待机状态。

（2）在光伏矩阵电压低于原先设定的最低启动电压时系统会持续保持在待机状态下。

（3）假如在设定时间内均有矩阵输出电压VPV>VPVstar，光伏并网装置即转为电网运行情况监控阶段。

3.电网运行情况监控模式

（1）该阶段主要是监控电网电压以及频率是否超过限度。其中电压越限分为2个等级，上下限对称;频率越限也分2个等级，上下限对称。

（2）在设备触摸屏或者远程控制中均可以设定电网运行状况监控的监控时间。

（3）在电网运行状况监控状态下，假如检测到故障发生，会退出电网监控状态，转为故障状态。

4.启动模式

（1）假如在设定时间内均有阵列输入电压VPV>VPVstar时，并且电网电压以及频率正常，则装置转为启动中状态，交直流接触器自动吸合，在该模式下逆变器会实时监控矩阵电压以及电流。

（2）在交直流接触器完全闭合时，装置即由启动中状态转为运行状态。

（3）在启动中状态下，假如检测到故障发生，会退出启动中状态，转为故障状态。

5.运行模式

（1）在设备运行过程中，装置实现了由光伏矩阵直电能向电网交流电能的转变。

（2）本系列的逆变器可以以恒功率模式、恒电流模式、恒电压模式以及最大功率点跟踪模式中的其中一种模式运行。系统默的是最大功率点跟踪模式。

（3）在系统运行状态下，在设定时间内，假如实测功率低于PPVSTOP，即做出停止向电网输送能量，并且立即跳开交流接触器处理，转为待机状态。

通过对分布式光伏发电进行初步研究，使大家对光伏发电有了清醒认识。作为一种新型清洁能源，在将来定会有良好广阔的发展前景，分布式光伏发电系统在并网状态下时，具有可接受上级调度检测中心控制运行以及系统自动控制运行两种运行不同的运行方式。系统自动实时收集光伏发电系统中运行状态参数，如太阳的辐射度、实时发电量、当前日照强度、交流电流/电压输出以及实时环境温度等。彩钢屋顶的特殊性就需要因地制宜的根据彩钢结构的特性进行施工安装和管理，达到最佳效果。

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