典型商业分布式屋顶光伏系统设计全过程一览！
在目前国家补贴政策下，最合适的是分布式屋顶项目，这将是未来5-10年增长最快的光伏发展方向，并有望在2018年全面超越地面光伏电站，成为主流。
1项目背景
本文所提到的光伏项目安装地点为新泰市龙庭镇某烧鸡厂，该烧鸡厂每天用电约1200度，用电价格较高，达1.2元/度，无自有变压器，并且用电负荷多集中在白天，到了夏季会出现白天用电高峰时电压偏低，部分设备噪音大、磨损快，机械生产工艺系数不稳定导致损失，业主期望新上自有变压器容量400kVA,期望通过光伏尽可能的满足白天的用电需求，项目安装的具体位置在厂房屋顶，大概面积700平方米，在厂区院落也可以考虑安装，投资回收期不高于7年。
根据业主的要求和实际用电情况，以及对现场的勘察的情况和屋顶图纸以及厂区用电网络和周围用电负荷的情况，得出以下制约条件：
2系统设计
■2.1 项目设计方案确定
根据现场踏勘情况和业主要求，本工程适合充分利用安装面积，在保证安全发用电基础上，尽可能提高安装容量，特给出以下解决方案：
拆除南北走向屋顶彩钢瓦，减小排气孔安装高度，采用12度倾角满铺电池板，减少最佳倾角所产生的阴影遮挡的情况，不会产生前后排因防止产生阴影遮挡造成的间距面积的浪费。经图纸布局，考虑遮挡因素的影响，满足电业局等归口管理部门光伏安装容量不超过最大负荷的30%的要求，最大可以做到100kWp的安装量，每天发电量平均在400度电左右。并网点在新上变压器的低压侧母线配电柜上。遮阳安装容量扩大1倍多，虽增加了承重支架材料，因费最佳倾角造成部分发电损失（主要体现在冬季），但收益是最大的。
相对于统购统销方式，我们选择自发自用，余电上网，即光伏发电发的电优先自己使用，多余的部分已脱硫煤标杆电网电价进行卖电交易。
系统的电池组件选用目前最成熟的高效260Wp多晶硅太阳能电池组件，工作电压为31.03V，开路电压为38.66V。整个102kWp的光伏系统需配置400块260Wp电池组件。
光伏发电系统的电气原理图如下图所示:
■2.2 系统选型设计
2.2.1组件布局图
考虑到安全性和安装维护的便捷性，同时保持光伏系统整体的美观性，本项目光伏组件布局图如下图所示：
2.2.2支架及组件安装
根据该项目屋顶情况，平屋顶采用植根支架安装方式，用镀锌膨胀螺栓固定支架，光伏组件以12°倾角斜铺在支架上。支架示意图如下所示：
图3 平屋顶光伏支架安装图
2.2.3组串并联设计
光伏组件方阵是通过组件的串并联得到的，组件的串并联必须满足并网逆变器输入电压和输入功率的要求，本项目拟采用阻串式并网逆变器，多晶260Wp的组件，组件的开路电压为38.66V，最大工作电压为31.03V,根据组串式并网逆变器和组件的相关参数，经过计算可知：接入逆变器每条支路的串联组件数应为18-22串，逆变器的MPPT电压范围为260V-850V，组件串联之后的工作电压在其MPPT电压调节范围之内。
2.2.4混凝土屋顶荷载荷载计算
荷载条件：根据光伏发电系统结构形式，本项目光伏系统采用水泥基础固定C型钢支架形式安装在用户混凝土平屋顶上，单个组件重18.5kg，光伏组件按照12°倾角安装。
单块电池板面积1.64m×0.992m=1.62688m2，以35°倾角投影至屋顶平面上的面积为1.6m2，对应安装支架、线缆、桥架、水泥基础、防雷及其他辅料重量如下：
折合在每平方米中，承重=70.5/1.6=44kg/,小于混凝土屋顶承重设计要求2kN/m2(折合200kg/m2)，满足该项目分布式光伏电站的建设条件。
■2.3 设备选型
2.3.1光伏组件
太阳电池板无论是在基础研究还是生产技术上近几年都取得了很大的进步。现在商用的太阳能电池板主要有：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒和碲化镉薄膜电池等。日益成熟的多晶硅在性价比上已经超过了单晶硅，同时薄膜产品效率不稳定所造成的被动局面。设计采用了性价比最高得多晶硅组件设计。
太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件，其各项参数指标的优劣直接影响着整个光伏发电系统的发电性能。表征太阳能电池组件性能的各项参数为：标准测试条件下组件峰值功率、最佳工作电流、最佳工作电压、短路电流、开路电压、最大系统电压、组件效率、短路电流温度系数、开路电压温度系数、峰值功率温度系数、输出功率公差等。
综合太阳能电池技术现状和性价比分析，本项目选用单板容量为260Wp的多晶硅光伏组件。多晶硅电池的参数为
2.3.1.1、正常工作条件
环境温度：－40℃-＋85℃；
相对湿度：≤95％（25℃）；
2.3.1.2、太阳能电池组件性能
1）组件的每片电池与互连条排列整齐，组件的框架整洁无腐蚀斑点。
2）在标准条件下（即：大气质量AM=1.5，标准光强E=1000W/m2，温度为25±1℃，在测试周期内光照面上的辐照不均匀性≤±5%），太阳电池组件的实际输出功率均大于标称功率。
3）光伏电池组件具有较高的功率/面积比，功率与面积比=149W/m2。功率与质量比=11.6W/Kg，填充因子FF≥0.7。
4）组件2年内功率的衰减<2%，使用10年输出功率下降不超过使用前的10%；组件使用25年输出功率下降不超过使用前的20%。
5）组件使用寿命不低于25年。
6）太阳能电池组件强度通过《IEC61215光伏电池的测试标准》中第10.17节钢球坠落实验的测试要求。并满足以下要求： 撞击后无如下严重外观缺陷。
2.3.2逆变器选型
逆变器作为光伏发电系统中将直流电转换为交流电的关键设备之一，其选型对于发电系统的转换效率和可靠性具有重要作用，本项目结合《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》的及其它相关规范的要求，在本工程中逆变器的选型主要考虑以下技术指标：
1）单台逆变器容量 本工程项目拟选用25KW组串式逆变器4台总共4台。
2）转换效率 逆变器转换效率越高，光伏发电系统的转换效率越高，系统总发电量损失越小，系统经济性也越高。
3）电压异常时响应特性
逆变器在电网电压异常时的响应要求满足下表：
4）系统频率异常响应 光伏电站并网后频率允许偏差符合GB/T 15945 的规定，即偏差值允许±0.5%Hz,当电网接口处频率超出此范围时，过/欠频保护应在0.2秒内动作，将光伏系统与电网断开。
5）可靠性及可恢复性 逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力，如：过电压情况下，光伏发电系统应正常运行；过负荷情况下，逆变器需自动向光伏电池特性曲线中的开路电压方向调整运行点，限定输入功率在给定范围内；故障情况下，逆变器必须自动从主网解列。系统发生扰动后，在电网电压和频率恢复正常范围之前逆变器不允许并网，且在系统电压频率恢复正常后，逆变器需要经过一个可调的延时时间。
2.3.3线缆选型
2.3.3.1、电缆选型依据
所选电缆横截面积和连接器容量必须满足最大系统短路电流（用于单个组件的电缆线材质和横截面积为铜芯，耐压1000V，连接器的额定电流大于10A）。方阵内部各方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.5倍。逆变器的连接、选用的交流电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.36倍。
2.3.3.2、直流电缆选型
根据以上原则，在工程中使用符合技术文件要求的电缆：直流侧采用耐压等级高、耐光热老化、绝缘性能好、机械强度大、抗紫外线的光伏专用电缆，其规格型号如下：
名称：光伏专用直流电缆；型号：PV1-F；线芯材质：镀锡铜丝；护套材质：交联聚烯烃；尺寸截面：1×4 mm2；敷设：穿管加以保护，利用组件支架作为电缆敷设的通道和固定， 降低环境因素的影响。
技术性能描述：1）工频额定电压U0/U为0.6kV/1kV；2）电缆导体允许长期最高工作温度135℃；3）短路时（最长时间不超过5S）电缆导体的最高温度不超过280℃；4）电缆弯曲半径不小于电缆外径6倍；5）具有良好的耐热性能
2.3.3.3、交流电缆选型
对于交流线缆部分，选用ZR-YJV（交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆）。交联聚乙烯绝缘电力电缆具有卓越的热-机械性能，优异的电气性能和耐化学腐蚀性能，还具有结构简单，重量轻，敷设不受落差限制等优点，是目前广泛应用于城市电网的新颖电缆。电缆的绝缘-交联聚乙烯是利用化学方法和物理方法使线型分子结构的聚乙烯转化为立体网状结构的交联聚乙烯，从而大幅度的提高了聚乙烯的热机械性，从而保持了优异的电气性能。
交流YJV线缆相关特性如下：1）工频额定UO/U为0.6/1KV。2）电缆导体允许长期最高工作温度为90℃。3）短路时（最长持续时间不超过5s）电缆导体的最高温度不超过250℃。.4）电缆敷设时环境温度应不低于0℃。5）电缆弯曲半径：不小于电缆外径的15倍。
2.3.4交流并网配电柜选型
交流配电柜用于并网逆变器同交流电网的连接、控制保护以及防雷的功能。配电柜内含有断路器、防雷浪涌保护器，具备可靠的防雷、短路过载保护。计量柜用于电能的计量、采集和上传，安装有自动重合闸保护器、刀闸开关、多功能电表和采集器，自动重合闸具备自投自复功能，通过刀闸开关与电网之间形成明显断开点，确保人身和设备安全。多功能电表可测量电压、电流、功率、频率和计量有功、无功电能并通过采集器进行远程传送。
2.3.5监控系统
光伏并网发电系统的监控系统要具备远程监控和现场监控功能，能满足对各村、各户建设的电站的监控、显示及故障提示功能，相关监控数据能同时满足在手机或移动PC设备显示的功能。其监控功能如下：
1） 控制中心能够通过监控装置采集光伏电站逆变器和电池方阵运行时相关的实时数据，并对系统运行状态进行详细记录。监控装置具有自诊断功能，能够接收控制中心的指令，并对逆变器和配电柜发送相应数据执行操作。
2）监控装置能够采集的量和执行的操作：①数据采集量包括：光伏电站输出的电压、电流、频率、总功率值和三相电压的不平衡度。逆变器的各种故障信息、工作状态；电池方阵的输出电压、电流。②执行的控制操作：按指定地址切断逆变器的输出；电池方阵的电压输出。③信息数据的存储：能够将装置的采集数据和逆变器的故障信息进行存储；同时可进行人工查阅，并以数据报表的形式打印。
监控系统方案如下：Ezlogger数据采集器GPRS版：通过RS485 总线与逆变器相连，通过内置GPRS向光伏系统监控网站发送数据。
3项目收益
■3.1 经济效益
固定资产的价值分析、新增效益分析、运行费用及来源分析。
表3.1 项目投资收益分析表
■3.2 环境效益
102kW光伏发电项目的建设，将在节省燃煤、减少CO2、SO2、NOx、烟尘、灰渣等污染物排放效果上，起到积极的示范作用。项目25年寿命期内年均发电量为11.62万度，无污染排放，有力支持了本地可持续发展。年节约标准煤38.6吨，年减排温室效应气体CO2约100吨，每年减排大气污染气体SO2约1吨、NOx约0.27吨。同时该项目可节约用水，不存在废水和温排水等对水环境的污染，有明显的环境效益。
■3.3 社会效益
1）光伏发电有利于节省不可再生资源，平衡能源的单一供给情况。随着石油和煤炭的大量开发，不可再生能源储量越来越少，面临很大的能源枯竭压力，因而新能源的开发已经提高到了战略高度。
2）光伏发电可以减少温室气体排放，减少温室效应。
3）102KWp光伏发电项目选择闲置的屋顶上，大大的提高了屋顶的利用率和价值。
4）102KWp光伏发电项目的建设可以带动当地的经济增长和就业。光伏电站项目的开发和建设，可促进地区相关产业，如建材、交通运输业的大力发展，对扩大就业和发展第三产业将起到显著作用，光伏发电将成为地区又一大产业，为地方经济开辟新的增长点，拉动地方经济的发展。
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁可再生能源，具有独特的优势和巨大的发展潜力。充分利用太阳能对节能减排、保 护环境和地方经济有着重大的意义，同时为全球能源的可持续发展做出贡献。光伏作为新兴战略产业，必然对未来能源结构，能源消费方式带来变革性的影响。
来源：山东力诺瑞特新能源有限公司
责任编辑：晓光伏 （GF-Solarbe）
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