学校建筑屋顶分布式光伏发电示范项目设计方案.docx
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学校建筑屋顶分布式光伏发电示范项目设计方案
学校建筑屋顶分布式光伏发电示范项目设计方案
1.1太阳能发电原理及系统特点和方式
1.1.1太阳能电池发电原理
太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的装置。
当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。
太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内部产生电子—空穴对，电子带负电，空穴带正电。
在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴被分离，产生定向运动，并被太阳能电池的正、负极收集，在外电路中产生电流，从而获得电能。
太阳能电池结构原理
1.1.2 太阳能发电系统特点
（1）简单方便、安全可靠、无噪音、无空气污染、不破坏生态、能量随处可得、无需消耗燃料、无机械转动部件、维护简便、使用寿命长、建设周期短、规模大小随意、可以无人值守、也无需架设输电线路。
（2）系统中的太阳能电池组件，使用寿命长具备良好的耐候性，防风，防雹。
有效抵御湿气和盐雾腐蚀，不受地理环境影响。
具有稳定的光电转换效率，且转换效率高。
并保障系统在恶劣的自然环境中能够长期可靠运行。
（3）在项目用地面积充足的情况下，为追求光伏组件最大发电效率，方阵支架都有一定的倾斜角度，该角度和方阵所处的地理位置有关。
1.1.3并网太阳能系统发电方式
太阳能并网发电示意图
太阳能电池组件通过合适的串并联，满足并网逆变器要求的直流输入电压和电流。
每块组件接线盒都配有旁路二极管，防止"热斑效应"，将组件由于部分被遮荫或电池片故障而导致的失效对系统效率的危害降到最低。
同时，太阳能方阵的直流汇流箱内设置防反二极管，以防止各并联组件串之间形成回路，造成能源浪费和缩减组件的寿命。
并网逆变器采用双环控制系统，实时检测电网状态，取得电网电压、电流、频率、相位等关键变量，通过计算分析，使输出电力与电网同步运行。
且在运行期间，并网逆变器按工频周期检测电网状态，一旦电网异常如突然停电，压降幅度超标，并网逆变器立即触发内部电子开关，实现瞬时与电网断开。
同时，并网逆变器不断检测电网状态，一旦其恢复正常并通过并网逆变器的计算分析，并网逆变器将重新并网。
总之，作为并网系统的控制核心和直流变交流的枢纽，并网逆变器高度的自动化和精密的检测控制功能从根本上保证了系统并网的安全性和可靠性。
光伏组件边框及其支撑结构均与建筑现有的接地系统连接，并网逆变器开关柜等设备外壳接地，防止直击雷及触电危险。
另外，直流和交流回路中均设有防雷模块，防止感应雷击波伤害。
系统配有完善的通讯监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485或以太网或GPRS传输直控制中心，实现远程监控；同时如将同一地区多个并网电站的信息传输直同一控制中心，可方便区域的电网调度管理。
并网系统可作为一种补充性能源，而不能作为后备或主要电力；这是因为其发电量相对安装场所的用电量而言，一般比重不超过20%，而且由于其"孤岛保护"功能，即电网停电时，并网逆变器要与电网断开，以防止太阳能系统所发电力在电网停电检修时引发安全事故。
并网系统不可按照系统的发电量而将并网系统与特定的负载挂钩，即将并网系统与特定负载实现一对一供电和用电。
这是因为并网系统的发电量依赖于系统的装机容量和天气条件（主要是光照和气温），其有效输出不是恒定的而是随机波动的；另一方面，负载的耗电量也会随负载特性（功耗的大小变化，如待机和工作时功耗明显不同）、负载投入使用的频次、使用时间而随机变化，因此如将并网系统和特定负载挂钩，将很难在不同时点上实现供需平衡。
理想的做法是将并网系统的输出直接连接在当地供电母排上，实现系统即发即用，就近使用，不足部分可从电网索取补充。
1.2设计说明和依据
1.2.1 设计说明
本技术方案严格按照相关工程技术说明书规定组织设计，以说明书中所述规范、规定和标准为根本，同时考虑国内、国外规范要求。
除非另作说明，所有相关标准均为现行标准。
当设计与技术说明书中规定之规范出现差异或矛盾时，采用较为严格的规范。
方案中个别部分在允许的范围内，即经相关政府部门审定及认可后，采纳本地类似规范或标准。
在此情况下，我方会与有关部门等提出论证，说明所采纳规范与所要求的规范的性质相同性，获认可后组织设计。
1.2.2设计依据
配电系统设计遵循标准：
《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》GB/T9535
《地面用光伏（PV）发电系统概述和导则》GB/T18479
《低压配电设计规范》GB50054
《低压直流电源设备的特性和安全要求》GB17478
《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》GB50171
《光伏器件》GB6495
《电磁兼容试验和测量技术》GB/T17626
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620
《交流电气装置的接地》DL/T621
《电气装置安装工程施工及验收规范》GB50254-96
《高层民用钢结构技术规程》JGJ99-98
《建筑设计防火规范》GB50016-2006
《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2001
《建筑物防雷设计规范》GB50057-2000
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2008版）
《民用建筑电气设计规范》JGL/T16-92
《电力工程电缆设计规范》GB50217-94
《智能建筑设计标准》GB/T50314-2000
并网接口参考标准：
《光伏并网系统技术要求》GB/T19939-2005
《光伏发电接入电力系统技术规定》GB/Z19964-2005
《光伏系统电网接口特性》GB/T20046-2006
《地面用光伏（PV）发电系统》GB/T18479-2001
《太阳能光伏系统术语》GB/T2297-1989
《电能质量供电电压允许偏差》GB/T12325-2003
《安全标志（neqISO3864:
1984）》GB/T2894-1996
《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993
《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995
《电能质量电力系统频率允许偏差》GB/T15945-1995
《安全标志使用导则》GB/T16179-19956
《地面光伏系统概述和导则》GB/T18479-2001
《光伏发电系统的过电压保护—导则》SJ/T11127-1997
《光伏电站接入电网技术规定》Q/GDW617-2011
围护结构设计依据标准：
《钢结构工程施工质量及验收规范》GB50205—2001
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）
《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113—2003
《钢结构设计规范》GB50017-2003
《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB50018-2002
《中国地震烈度表》GB/T17742-1999
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2008版）
《建筑抗震设防分类标准》GB50223-2004
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
《建筑装饰工程施工质量验收规范》GB50210-2001
《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002
《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》（01SG519）
《钢结构防火涂料》GB14907-2002
《铝合金建筑型材》GB/T5237-2000
《混凝土接缝用密封胶》JC/T881-2001
《硅酮建筑密封胶》GB/14683-2003
《建筑用硅酮结构密封胶》GB16776-2003
1.2.3系统设计原则
本工程设计在遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想和设计原则下，着重考虑以下设计原则：
（1）先进性原则：
随着太阳能技术的发展，太阳能电源设计必须考虑先进性，使系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证系统具有较长的生命周期。
（2）安全可靠原则：
作为公共建筑，安全是首要考虑的因素；针对本工程的特点，公司选用的结构充分考虑了风荷载、温度应力和地震作用对光伏系统的影响，设计安全系数保证满足国家规定及本工程的要求。
（3）结构轻巧而稳定原则：
结构稳定可以保证结构的安全，同时也会产生一种结构稳定所特有的美感，失稳的结构会给人带来危机感，造成人的紧张，使人很不愉快。
但过于保守、粗放的设计则又显得笨拙、累赘，缺乏灵气，也会使人不愉快。
（4）环保节能原则：
本工程光电技术的应用主要体现为光伏屋顶的应用。
其主要功能是发电，特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。
其对于整个建筑的环保节能性能的影响，已经到了至关重要的地步。
（5）可拆卸更换、维修方便原则：
当太阳能屋顶的某个局部受损、更新时，组件板块能否灵活方便地进行拆卸更换，直接关系到系统的功能是否能得到保持，结构能否受到影响等因素，因此在结构设计时要求必须可更换、并且要很方便，且不能影响发电系统正常使用。
（6）经济性原则：
在以上原则得到充分保证的基础上，要充分考虑经济实用性、效益性，提高发电系统的经济与实用价值。
保证资金投向合理，在确保满足国家规范的基础上，合理地使用材料至关重要，只有巧妙地、合理地发挥各种材料的特性，才能产生极佳的经济效益。
对于本工程，集中优势、精心研究，创造精品工程。
1.3建设类型
工程选择在学校建筑屋顶，光伏组件安装坐北朝南，其方位有利于日光的采集，大大提高了光电转换效率。
光伏工程安装位置位于北纬28°。
彩钢板屋面结构采用屋面平铺安装方式，可上人混凝土现浇屋面结构采用20°倾角安装方式，光伏组件安装方向与建筑物轴向一致。
本项目中的太阳能光伏电站安装类型包含屋面平铺支架系统、屋面倾角铺设支架系统。
对于倾角铺设光伏系统支架特点包括：
（1）大规模整齐铺设
（2）多种稳固牢靠的与基础连接方式（本项目中采用支架与女儿墙预埋铁件连接方式固定系统）
对于彩钢板屋面结构采用屋面平铺方式，其光伏系统支架特点包括：
（1）适合瓦屋面不同厚度可调高度配件灵活满足客户应用。
（2）连接板等配件采用多开孔设计，灵活有效实现支架位置调整。
（3）光伏支架不破坏屋面自防水系统。
（4）对于混凝土可上人屋面采用屋面倾角铺设方式。
对于厂区东南侧草坪空地采用单轴跟踪支架系统，其特点包括：
（1）在早晨和傍晚采用先进的控制策略，防止东西方向相互遮挡，从而达到节省占地和提高发电量的最优平衡
（2）发电量提高比例最高达35%，可与双轴跟踪光伏支架媲美
（3）与双轴系统相比，更少的旋转部件意味着更长的寿命和更少的维护
（4）采用连杆驱动，单个电动推杆最多可推动50kW光伏方阵
（5）搭积木方式，无论是中小型还是MW级系统均能快速实现
（6）采用最优离散跟踪策略减少了机械传动部件的运动次数，从而大幅提高机械系统寿命并降低系统自用电量。
1.4建筑面积和安装容量
1.4.1 建筑面积
经实地测量计算，本项目光伏建筑面积为2.5万平方米，建设地点为某师范大学屋顶。
本系统共使用5台500kWp并网逆变器，5台0.4kV交流并网柜，5台直流柜柜，汇流箱若干台等。
太阳能电池板采用YL250P-29b型号多晶硅组件；逆变器选用SG-500K3型号光伏并网逆变器。
1.4.2 安装容量
本项目总装机容量为2.5MW,预计年均发电269万千瓦时。
某师范大学电站安装分布位置
序号
安装位置
面积
单位
设计装机容量
单位
备注
1
惟义楼
11081
平方米
838
KW
2
先骕楼
7688
平方米
582
KW
3
名达楼
6750
平方米
511
KW
4
方荫楼
7519
平方米
569
KW
某师范大学Googl地图
屋顶太阳能光伏组件安装效果图
屋顶太阳能光伏组件安装效果图
屋顶太阳能光伏组件安装效果图
屋顶太阳能光伏组件安装效果图
1.5系统方阵布置及结构设计方案
1.1.1 自然条件
（1）基本风压W0=0.45kN/m2
（2）基本雪压S0=0.4kN/m2
（3）设计基本地震加速度值为0.20g
1.1.2 抗震设防
（1）根据《中国地震烈度区划图》南昌市基本烈度8度。
（2）根据周边已建项目的地质勘察情况，本项目所在区域地貌单一，地层岩性均一且层位稳定，对基础无任何不良影响，适于一般性工业及民用建筑。
（3）抗震设施方案的选择原则及要求
建筑的平、立面布置宜规划对称、建筑的质量分布和刚度变化均匀，楼层不宜错层，建筑的抗震缝按建筑结构的实际需要设置，结构设计中根据地基土质和结构特点采取抗震措施，增加上部结构及基础的整体刚度，改善其抗震性能，提高整个结构的抗震性。
1.1.3 荷载确定原则
在作用于光伏组件上的各种荷载中，主要有风、雪荷载、地震作用、结构自重和由环境温度变化引起的作用效应等等，其中风荷载引起的效应最大。
在节点设计中通过预留一定的间隙，消除了由各种构件和饰面材料热胀冷缩引起的作用效应。
在进行构件、连接件和预埋件承载力计算时，必须考虑各种荷载和作用效应的分项系数，即采用其设计值。
（1）荷载标准值计算
1．恒荷载：
太阳能板：
q1=0.2KN/块Q2=0.12KN/m2
2．风荷载：
风荷载标准值Wk=w0μzμsβz
南昌市基本风压：
w0=0.45KN/m2
标高30米位置B类地区：
μz=1.42
体型系数：
μS=0.7（正风压）μS=-1.4（负风压）
Wk（+）=w0μzμsβz=0.45×1.42×0.7=0.45KN/m2
Wk（-）=w0μzμsβz=0.45×1.42×（-1.4）=-0.89KN/m2
3．雪荷载：
雪荷载标准值Sk=μrS0
南昌市基本雪压：
S0=0.40KN/m2
体型系数：
μr=0.8（太阳能板倾角为30度）
Sk=μrS0=0.8x0.4=0.32KN/m2
（2）荷载组合：
1）1.2恒+1.4风（+）=1.2x0.12+1.4x0.45=0.774KN/m2
2）1.2恒＋1.4雪+0.6x1.4风（+）
=1.2x0.12+1.4x0.32+0.84x0.45=0.97KN/m2
3）1.0恒+1.4风（-）=1.0x0.12-1.4x0.89=-1.126KN/m2
4）1.2恒＋1.4风+0.98x雪（+）
=1.2x0.12+1.4x0.35+0.98x0.32=0.95KN/m2
最不利组合为：
正压：
1.2恒＋1.4风+0.98x雪（+）
=1.2x0.13+1.4x0.55+0.98x0.24=0.97KN/m2
负压：
1.0恒+1.4风（-）=1.0x0.13-1.4x1.09=-1.126KN/m2
每块电池板所承受荷载：
S=1.126x1.7x0.99=1.9KN
作用到次梁上的节点处荷载：
S1=2.73/4=0.47KN/块
1.1.4 电池组件倾角铺设方式的支架结构和安装设计
1.1.4.1电池组件屋面倾角铺设方式的支架倾角计算
设计依据：
方阵安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如：
地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等。
该项目所处地理纬度为北纬27度，设计最佳倾角不应超过该纬度值。
根据当地的阳光照射条件，每年5月～9月是阳光照射强度最大的时间段，日照辐射总量约占全年辐射总量的75%，该时间段的阳光垂直入射所对应的平均安装倾角约为20度。
为了更好的接受全年辐照量，最大的提高发电量，我们采用20°倾角。
与独立光伏发电系统需要照顾冬天发电量不同，并网光伏发电系统只需考虑全年总发电量最大。
综合考虑上网电量、可实现装机容量、发电效率、安装成本等主要因素，该光伏发电系统主要安装方式为：
太阳能电池组件以20度安装角度倾斜安装，即所有可利用屋面面积太阳能光伏组件的安装方式为光伏组件电池表面与地面水平方向呈20度的倾角朝阳倾斜安装，组件的底边为水平方向。
1.1.4.2电池组件倾角铺设方式的支架间距测算
当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高大建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或前排方阵的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。
一般确定原则：
冬至当天9:
00～15:
00太阳电池方阵不应被遮挡。
光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离应不小于D。
计算公式如下：
D=0.707H/tan[arcsin（0.648cos0.399sinφ）]式中：
φ为纬度（在北半球为正、南半球为负），该项目纬度取北纬27度，Η为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差，该项目如果根据上式计算，18度倾角倾斜安装时，为保证在9:
00～15:
00时段内前排电池板不会对后排产生影响，水平屋顶前后排电池组件之间、电池板与屋顶遮光障碍物之间最小预留前后间距为前排垂直高度的2倍。
水平屋顶组件最小间距示意图
折合标准光照条件下，项目建设所在地全年平均日有效日照时数3.8小时，组件朝向与建筑朝向一致，组件按前后排设置。
为减少屋顶安装太阳能光伏组件所增加的荷载对建筑结构强度的影响，组件支架将生根在女儿墙上。
固定倾角支架系统参见结构示意图：
固定倾角支架系统正视图
图表5−11固定倾角支架系统侧视图
固定倾角支架系统檩条槽钢示意图
1.1.4.3电池组件屋面平铺方式支架系统
屋面平铺方式支架系统示意图
倾角支架系统主梁受力分析1
倾角支架系统主梁受力分析2
倾角支架系统次梁受力分析1
倾角支架系统次梁受力分析2
1.1.5 安装注意事项
1.1.1.1电池组件安装防触电措施
每个多晶硅组件开路电压为37.5V,但是若串联一定数量的太阳能电池组件，则会输出很高的直流电压，以下安全措施是防触电的有效对策：
●作业时在太阳能电池组件表面铺设遮光板，遮挡太阳光。
戴好低压绝缘手套。
●使用已有绝缘处理的工具。
●不要在雨天作业（不但存在触电隐患，而且会因湿滑导致坠落事故）。
1.1.1.2组件串联电缆的连接注意事项
一般的布线是指交流布线，而且负载并联接线工程占一半以上，而太阳能光伏发电系统的电气工程主要以直流布线工程为主，而且串联、并联的接线场合很多，因此对于极性要特别注意。
施工必须符合相关的标准。
电气施工前，请注意以下几点:
1.6.电力系统设计
1.6.1 接入系统方案
本系统共用5台500kW逆变器。
根据国家电网公司2009年7月《光伏电站接入电网技术规定》（试行），小型光伏电站接入电压等级为0.4kV；中型光伏电站接入电压等级为10‐35kV；大型光伏电站接入电压等级为66kV及以上电网。
根据国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》，本项目新建光伏发电系统总装机容量为2.5MW，采取就地消纳，故采用0.4kV并网点，不同电压等级接入电网。
满足本工程接入系统需求。
建议本期光伏发电系统低压侧并网，具体以本项目的接入系统审查意见为准，最终接入系统方案以电网主管部门的接入系统报告审批意见为准。
1.6.2 光伏方阵电气设计
1.6.2.1系统直流侧最高工作电压
在光伏并网发电系统中，系统直流侧的最高工作电压主要取决于逆变器直流侧最高电压，以及在直流回路中直流断路器额定工作电压。
但设备的工作电压与设备所处的工作环境和海拔高度有关，南昌市处于北亚热带和暖温带过渡地带地区,空气相对比较潮湿，根据GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》、GB/T16935《低压系统内设备的绝缘配合》及直流开关、并网逆变器的资料，电站现场设备的绝缘水平应与正常使用条件基本相当。
1.6.2.2组件串联方式设计
在计算组件串联数量时，必须根据组件的工作电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的开路电压温度系数。
并网逆变器SG500K3为例，最大阵列开路电压880V，MPPT范围450V-820V。
多晶240Wp组件开路电压为37.5V，峰值工作电压30V。
设串联组件数为S，最多为Smax，
①Smax=UDCmax/VOC=880V/37V=23.8（块）,选取23块，结合厂家推荐的最佳MPPT范围560V-620V，则S=600/30=20（块）。
每支路的太阳电池组件功率为20×240Wp=4800Wp。
S＜Smax，每支路串联20块组件满足系统耐用及最大功率跟踪的要求。
SG250K3，SG500K3同样可以选择20组件串联排列方阵。
②组件串联的最大功率点电压=20×30V=600V＜880V。
故设计符合要求。
1.6.2.3电气系统防孤岛效应设计
孤岛效应是指光伏系统并网逆变器在并入的电网失压时或电网断电时，逆变器仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态，这样电力孤岛效应区域会发生电压和频率不稳定现象，有可能对外部设备造成损坏或发生触电安全事故。
根据《光伏系统并网技术要求》GB/T19939‐2005对于防孤岛效应的规定：
当光伏系统并入的电网失压时，必须在规定的时间内（2s内）将该光伏系统与电网断开，防止出现孤岛效应。
为此，在该发电项目孤岛效应设计时，接入交流接触器对孤岛效应进行防护，即当电网电压断电时并入电网的接触器线圈失电，连接在并网回路的接触器常开触点断开，使并网回路断开逆变器停止工作，起到整体对于孤岛效应的防护作用。
1.6.2.4电气系统构成选型设计
太阳能光伏发电系统由光伏组件、直流汇流箱、并网逆变器、计量装置、上网配电系统及监控系统组成。
太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过直流汇流箱汇集至并网型逆变器，将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流。
直流逆变为380V交流后并入厂内电网。
1.6.3系统设备选型设计
1.6.3.1光伏组件选型设计
对于该并网发电系统电池组件选型遵循以下原则：
●在兼顾易于搬运条件下，选择大尺寸，高效的电池组件；
●选择易于接线的电池组件；
●组件各部分应能抗强紫外线（符合GB/T18950‐2003橡胶和塑料管静态紫外线心能测定）；线缆等应抗扭折和摩擦；
目前，世界光伏市场上，主要产品为多晶硅及单晶硅太阳电池组件。
英利公司具备生产多晶硅及单晶硅电池组件的技术能力，之所以选择多晶硅技术的太阳电池组件。
因为较之单晶技术，具有下述优势：
①低成本、工业规模化生产
多晶硅技术为采用铸锭、切片技术进行工业化生产，随着切片技术的进步，硅片已经达到180uM厚度，故相较于单晶及其他太阳能电池产品，多晶硅电池更适于大规模生产，通过大规模的工业化生产，实现成本降低，从而有利于太阳能光伏发电的推广应用。
②高效率
本项目选用多晶硅组件的转换效率＞14%--达每平方米138瓦，代表了目前
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