建筑屋面分布式光伏发电项目设计探讨

建筑屋面分布式光伏发电项目设计探讨

刘飞

身份证号码：610125198904140034

摘要：随着国家“双碳”目标的出台，各行业响应了政府号召，尤其是建筑行业，采用最新技术降低能耗及资源是建筑节能发展的必要途径。本文首先阐述了分布式光伏发电的相关概述，详细分析了建筑屋面分布式光伏发电项目设计。

关键词：建筑屋面；分布式光伏；项目设计

近年来，我国建筑工程建设取得了重大进展，分布式光伏项目的设计越来越受到关注。在倡导节能时代，发展清洁能源已成为我国发展的一项重要任务。在可再生资源中，太阳能是一种重要资源类型，具有开发广泛的优势，将其纳入开发项目对促进社会进步意义重大。

一、分布式光伏发电概述

分布式光伏发电特指在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源，替代和减少化石能源消费。

分布式光伏发电具有以下特点：①输出功率小。一般而言，一个分布式光伏发电项目的容量在数千瓦以内。与集中式电站不同，光伏电站的大小对发电效率影响小，因此对其经济性影响小，小型光伏系统的投资收益率并不会比大型低。②污染小，环保效益突出。分布式光伏发电项目在发电过程中，无噪声，也不会对空气和水产生污染。③在一定程度上缓解局地用电紧张状况。但分布式光伏发电能量密度低，每平方米分布式光伏发电系统的功率仅约100瓦，再加上适合安装光伏组件的建筑屋顶面积有限，不能从根本上解决用电紧张问题。④可发电用电并存。大型地面电站发电是升压接入输电网，仅作为发电电站而运行；而分布式光伏发电是接入配电网，发电用电并存，且要求尽可能地就地消纳。

二、项目概况

项目采用平铺安装、光伏发电和建筑屋顶相结合方式，在屋面建设分布式光伏发电工程，实现资源有效利用。对于设计中带采光带区屋面，组件应远离采光带安装，同时保留原建筑屋面采光功能，不打孔，不破坏防水。项目总装机容量为4.1MW，项目运行期总发电量为9791.4万kW·h，年均发电量391.7万kW·h，首年发电量419.6万kW·h，首年峰值利用时长1050h。

三、系统总体方案设计

1、光伏组件选择

①选择组件类型。结合当前国内光伏组件市场产业现状及产能，对市场占比最大的晶体硅及薄膜光伏组件进行全面比较，考虑到晶体硅光伏组件成熟度高、效率稳定、市场份额大、价格低、产能大等因素，以及国内外大规模应用实例，最终选择晶体硅光伏组件作为晶体硅光伏。

②确定组件规格参数。晶体硅光伏组件功率规格多，应用范围广。项目装机规模大，组件数量多，为减少占地面积和组件安装量，优先选择单位面积功率更大光伏组件。组件量少，表明组件间衔接点少，施工进度快；降低了故障发生率，减少了接触阻力及电缆用量，从而降低了系统整体损耗。

本项目方阵的一部分布置在屋顶，较靠近屋面，反射比低，双面组件电量提升效果一般；同时，主流双面组件比单面组件贵，结合各种因素，最终选择单晶硅单面组件。

当前，主流市场上单晶硅组件电池片封装多为60、72片，60片电池片组件主流峰值功率450W，72片是540W。根据屋顶4.1MW项目比较分析表明，与450W组件相比，540W组件可节省926m2的屋顶面积；节省光伏专用电缆长度3万米，节省电缆费用9万元；节省2×28支架66套。根据技术经济比较与项目特点，采用72片封装单晶硅光伏组件，规格为单面540 W。只能选择固定运营模式，考虑到项目实施载体及结构承载力，彩钢瓦屋面屋顶光伏系统可用平铺方式安装。

2、选择逆变器。当前，市场上有三种主流逆变器，即集中式、组串式、集散式逆变器。其中，集中式逆变器设备技术成熟，市场占有率大；集散式逆变器价格及技术需进一步优化，尚无实测数据；在山地、屋顶、复杂地形光伏中，组串式逆变器在提高发电量的同时兼顾价格及性能，具有显著优势。

基于选型原则，考虑到屋面朝向并非正南，屋面有5%散水坡度，导致组件朝向不一致，发电电压不一致，结合项目施工区实际气候、屋面平整度等特点，项目屋面光伏系统选用组串式逆变器。

根据屋面尺寸和组件布置，为减少线缆长度，降低施工难度，并确保各回路导线长度尽可能一致，项目屋面光伏系统选用100kW组串式逆变器。

3、光伏阵列设计和布置方案。根据逆变器最佳输入电压、安装区域、光伏组件工作环境等的分析，项目选择的晶体硅太阳能光伏组件串联数为16块/串，能减少组件间连接线数量，提高系统可靠性。

在光伏组件串单元中光伏组件有多种排列方式，然而，为简化接线，减少线缆使用，充分利用有限屋面资源，光伏组件根据工程计算排列，由于彩钢屋面一些区域存在采光带，最终排布方案为每串16块。

在本项目中，光伏组件布置在园区高库及仓库彩钢瓦屋顶，屋顶无女儿墙，组件布置留1.5m距离；屋顶风帽多，用SK模型定位分析阴影进行避让；屋顶采光带处组件避让距离≥300mm，确保采光充足。彩钢屋面的光伏组件预留0.02m压块安装空间，阵列单元预留0.8m检修维护通道，在每个彩钢屋面光伏组件阵列中间统一预留1～3条专用检修与电缆通道。

4、方阵接线方案设计。屋面电缆桥架、地面土建开挖量对发电系统效率、工程投资、工期有很大影响。基于降低屋面承重、电缆损耗、节约投资的综合考虑，结合总体布置方案，提出子方阵直流电缆敷设方案。

①光伏组件串在支架/导轨单元上的接线：组件自带的光伏专用电缆通过直接插拔安装，在支架檀条/导轨凹槽中固定线缆绑扎。

②同一汇流区光伏组件出线：需跨东西向支架/导轨间隔敷设的连接电缆，以及位于东西向同一排支架/导轨上的串单元，均通过穿管布置；汇流区内每组串单元的出线应以同路穿管或进入电缆桥架敷设，并跨越方阵南北间距进入逆变器的线路。

③逆变器出线：根据逆变器及变压器分布位置，采用电缆桥架或穿管敷设，电缆先就近敷设在同一主干通路上，以最大限度地减少电缆槽箱在支路上的敷设量，避免与光伏组件串汇流电缆交叉；电缆应通过穿管、桥架或直埋敷设，应在隐蔽处翻越屋面女儿墙，通过穿管或直埋进入新建升压变压器。从升压变压器到10kV开关柜电缆及从10kV开关柜到并网点母线应采用直埋或厂区原有电缆管道敷设。

四、发电量与发电效益

1、发电量。系统效率是影响发电量的一个关键因素。灰尘与雨水遮挡、低温及组件串联不匹配会导致效率下降，逆变器、直流-交流线缆、变压器功率损耗都会导致系统效率下降，影响发电量。

在PVsyst软件中模拟，获得系统各种损失。其中，污秽损失约3%，组件温度损失约4.55%，失配损失为2.06%，低压电缆线损约0.53%，逆变器效率损失约1.52%，系统整体效率约84.6%。

光伏发电项目年总发电量可根据太阳能年总辐射量、系统组件总功率、系统总效率等数据计算，计算公式为：

Ep=Ha×Paz×K

式中：Ep为年总发电量，kW·h；Ha为年总太阳能辐射照量，kW·h/m2；Paz是系统组件总功率，kW；K是系统总效率。

考虑到电池组件不同效率随时间推移而有所衰减，可计算出年发电量。PVsyst软件中的工程建模，4.07646MW光伏方阵分为2个2.038MW方阵，倾角2.86°，计算得出总发电量及年均发电量。

2、发电效益。本项目年均发电量为391.7万kW·h，若按火电煤耗315g/(kW·h)计算，建设运营后年均可节约标准煤1194.6t，每年可减少多项大气污染物排放，在不消耗水资源下，降低环境污染，无污水排放。

参考文献：

[1]宋浩平.大型并网光伏电站电池组件的选型讨论[J].甘肃水利水电技术,2015,51(10):53-55.

[2]石彦明.光伏技术在公共建筑屋面中的实践与应用[J].新型建筑材料，2020(07):139-142.