屋顶分布式光伏发电系统的安装设计及可行性研究

李煜 舒鑫滔 刘勇

摘要：由于运作和维护成本低，屋顶分布式光伏发电系统得到广泛使用。基本原理是使用用户的非活动屋顶来重建屋顶。安装设计时，请考虑屋顶的面积和承载能力。在安装过程中，请主要使用现有屋顶，同时考虑使用过程的照明时间、强度和安全性。但是，目前在安装这些系统时会遇到下列问题：屋顶承载能力有限;安装能力低;安装成本难以控制;寿命的可靠性;如果密封性受损。为了解决这些问题，本文研究了屋顶分布式光伏发电系统的设计和可行性。

关键词：分布式光伏;屋顶;安装设计;可行性分析

前言

太阳能是绿色清洁能源。太阳能光伏发电直接将光能转化为电能，既能满足人民的日常电力需求，又能减少传统化石能源的消耗，这对保护资源和环境十分重要。分布式光伏发电是一个靠近用户的光伏发电项目，它产生供用户自己使用和在当地使用的电力，并以低于或等于10kv的电压连接到公共电网，其中包括光伏系统和公共电网之间的电能输入和输出用电能计量表计量，电费按适用的费率计算。分布式光伏发电系统由光伏并网、双向开关控制器、并网逆变器、储能电池和电能表组成。

一、分布式光伏发电系统概述

光伏系统主要分为集中光伏系统和分布式光伏系统。集中光伏发电系统主要安装在广阔的土地上，所生产的电力与电网相连，电网均匀部署光伏发电系统，为用户供电的光伏发电系统。分布式光伏系统主要是在用户地点附近建造的光伏电站，主要特点是用户自发使用和获得剩馀电力。中央光伏电站是一个大型并网光伏电站，投资量大、面积大、输电线路长。与集中光伏发电相比，分布式光伏发电具有地面面积小、对电网依赖小、智能灵活等优点，被认为是光伏发展的主要方向。目前，世界其他地区主要使用分布式发电，占所有光电系统的80%以上。同时，分布式光伏发电可分为渔业农业的补充光伏发电、光伏路灯、屋顶分布式光伏发电等。其中，屋顶分布式光伏发电是分布式光伏发电的主要形式，一直是各国发展的主要形式。

二、分布式光伏系统安装设计

1.分布式光伏发电系统安装的必要性分析

光伏系统设备的使用寿命为25年，是开发和使用的一次性投资和长期效益。系统会充分利用和重新开发闲置屋顶。此外，在使用过程中还具有下列特性：（1）屋顶系统彼此独立，并受到平行控制，以避免屋顶发生大规模停电;（2）可以独立集中供电，操作方便，弥补大型电网的不稳定;（3）无需建造配电站就能在当地发电，从而减少远距离配电的损失，安装成本相对较低，偏远地区更好地适应电力供应;（4）峰值调节性能良好，操作简单;（5）设备操作系统少，操作和控制方便，自动化方便;（6）污染低，环境效益高。分布式光伏发电项目在发电过程中是清洁、安全、低碳和无害环境的，有助于在全球气候观测系统恶化时保护环境。分布式光伏发电系统利用太阳能光伏技术开发和利用绿色、清洁和丰富的太阳能，可以提高可再生能源应用的比例，促进能源结构调整，减少碳排放，促进节能环保。

2.光伏组件的布局及安装倾角设计

（1）组件布局

光伏组件的布局和安装取决于屋顶的形状、结构、承载能力和尺寸。本文设计为平屋顶。安装光伏组件时，有三种不同的布局模式，具体取决于屋顶的大小和形状。安全性、安装和维护方便，可保持系统的整体美观性。

（2）组件安装倾角设计

部件的倾斜角度是指光伏板与屋顶之间的角度。由于太阳能的使用，设计的持续倾斜取决于其地理位置、太阳辐射的年度分布、直接辐射与漫射辐射之间的关系、供电要求和具体场地条件。在设计和安装期间，当系统每年产生最大电力时，最佳安装倾斜角度必须是倾斜角度。安装倾斜设计不应太大，因为倾斜越高，构件的抗风压力越大，构件支撑基础和钢结构的材质成本也就越高。分析本地太阳辐射源数据并安装屋顶结构。安装倾斜设计为35度，即光伏组件表面和地面水平排列为35度。組件固定为混凝土基础和钢结构。

3.支架及组件方阵间距的设计及安装

（1）方阵间距设计

该项目正在中国北方、北半球、太阳辐射最大量计划的南北方向实施。确定手指骨骼的倾斜角度后，为了避免前后阴影，必须从北向南建立前后骨骼之间的合理距离，通常使用当天的实际照明时间（上午9：00到下午3：00）作为前后距离的计算方法。计算公式如下安装固定矩形阵列后，斜度不会调整。光伏阵列安装前后的最小间距d计算如下：

D=（H÷tanα）□cosβ（1）

在公式（1）中，β是太阳的方位角;α是太阳的仰角（根据局部纬度单独计算）;h是太阳电池板的最大高度。根据公式（1），倾斜支架作为水平双线光伏组件安装，各组件之间间距为20mm，因此晶体硅固定支架组件的坡度宽度为2004mm.h=2004xsin35：1149mm，d-北-南=cosβxl：2500mm。

（2）支架及组件的安装

安装介质和部件时，必须满足以下要求：重量轻、成本低、可靠性高和无损坏。因此，在生产零部件并满足使用条件和环境条件时，环境要求意味着零部件能够主要根据当地气候承受风力发电。简单的结构和快速安全的安装不仅提高了系统安装的效率。降低安装成本。屋顶电站的轻型安装方法可靠、易于建造、成本低、重量轻，可为光伏电站投资者、建造者和运营者带来生产能力优化、工期缩短和投资成本降低等客观经济效益。

4.混凝土平屋顶载荷计算

如果分布式光伏电站安装在屋顶上，首先要确保现有屋顶满足安装要求，并考虑到屋顶的承载能力。视光伏系统的结构形式而定，本工程光伏系统安装在用户的混凝土平顶上，作为水泥基固定钢支架，每个部件重18.5kg，光伏组件安装在35倾角。单块嵌板面积为1.64m□0.992m=1.62688321m²，倾斜角度为35的屋顶平面投影面积为1.33英寸，安装支架、电缆、桥梁、水泥基脚、泥浆等辅助材料的单位总重量为1.33英寸。其承载能力为70.5千克，为70.5/1.33=53kg/m²，低于2kn/m²。

三、经济可行性分析

1.投资方

根据国家发展改革委员会的通知（NDRC价格（2013年）），投资者可获得0.42元/kwh的电费补贴，对于完全接入互联网，可获得较高的基准收入。例如，广东省网上基本电价为0.98元/kWh，项目发电由南网广东电网公司按光伏电站网上基本电价采购。此外，我国各省市的地方当局对分布式光伏发电项目实行了各种地方补贴政策。

2.建设成本

虽然建造光伏电站的单位成本与水力发电站或火力发电厂的单位成本没有很大差别，但太阳能发电厂可以连续发电，而且只能在白天发电。因此，屋顶分布式光伏发电电站的建设成本相对较高。此外，光伏组件的成本占屋顶分布式光伏发电系统建设总成本的一半以上。如果屋顶结构是钢筋混凝土，需要水泥桩安装光伏组件，单位成本将增加约0.4元/瓦，光伏组件在建筑成本中所占份额将为50.63%，仍占总成本的一半以上。因此，为了最大限度地降低建筑成本，投资者通常单独投标光伏组件，而不是将其列入建筑招标。

结束语

综上所述，屋顶分布式光伏发电系统充分利用未使用的屋顶资源，在安装设计中充分考虑到屋顶的承载能力，采用水泥基钢梁支撑的轻型安装方法设计安装，而不破坏屋顶的防水层。满足轻巧、低成本、可靠性和完整性要求。与此同时，对其投资预算和经济效益的分析符合可持续发展原则和国家能源发展政策，并对减轻环境压力和迅速发展地方经济产生积极影响。

参考文献：

[1]吴志杰，李春龙.屋顶分布式光伏发电系统的经济性分析[J].太阳能，2017（04）：58—62.

[2]章海灿，杨松，沈道军，等.分布式光伏电站的屋面选择与支架结构方案研究[J].太阳能，2016（03）：60—63.

[3]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2017：

1—50.

[4]江林.屋顶并网分布式光伏发电技术方案应用探讨[J].电工技术，2018（11）：139—141.

[5]黄坤，李敏.屋顶分布式光伏發电项目建设[J].农村电气化，2018（06）：

59—61.

[6]裴传逊.宁波象山大规模新能源发电资源调研及并网适应性研究[D].北京：华北电力大学，2017：11—57.