屋顶光伏发电站.docx

屋顶光伏发电站.docx

《屋顶光伏发电站.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《屋顶光伏发电站.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

屋顶光伏发电站

江西工程学院

环境与能源工程学院

毕业设计

（2016届）

屋顶家用光伏电站设计

摘要

在国家更重视环境问题、提倡使用新能源的背景下,鼓励"家庭光伏电站"进社区和家庭政策的出台,催生了"光伏屋顶"的发展,而农家屋顶因其产权明晰、使用面积大等优势,让很多农民看到新的"钱景",促使他们变身为"光伏屋顶"的开拓者。

以太阳能、风能等可再生能源为主的新能源大规模应用具有可持续性,逐步发展成为化石能源的主要替代能源。

近年来,在环境保护和能源危机频发双重压力下,并网型光伏发电系统得到较快发展并成为当今光伏发电技术发展的主要方向。

关键词：

太阳能；家庭光伏政策；清洁能源；屋顶分布式光伏发电；回报率高；发电技术方案

Thedesignofroofhouseholdphotovoltaicpowerplant

abstract

Withlarge-scaleapplicationbackgroundincountrieswithmoreattentiontoenvironmentalproblems,topromotetheuseofnewenergy,toencouragethedomesticphotovoltaicpowerstation"intothecommunityandfamilypolicyintroduced,thebirthofthe"photovoltaicroof"ofdevelopment,andthefarmroofbecauseofitsclearpropertyright,theuseoflargeareaadvantage,makealotoffarmerstothenew"moneyking",promptingthemtotransforminto"photovoltaicroof"pioneerinsolar,windandotherrenewableenergybasednewenergysustainability,andgraduallydevelopedintoafossilenergythemainalternativeenergy.Inrecentyears,environmentalprotectionandenergysourcecrisispronedoublepressure,gridconnectedphotovoltaicpowergenerationsystemhasbeenrapiddevelopmentandbecomeThemaindirectionofdevelopmentofphotovoltaicpowergenerationtechnology.

Keywords:

solarenergy;familypolicy;cleanenergy;roofofdistributedphotovoltaicpowergeneration;powergenerationtechnologyforhighrateofreturn;

绪论

太阳能源是未来能源中一种非常理想的清洁能源,屋顶分布式光伏发电是把太阳能转换为电能的一种简单而又实用的途径,可以广泛应用于工业园区屋顶,大型厂房屋顶,办公大楼屋顶等场所。

屋顶光伏发电是指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。

它倡导就近发电,就近并网,就近转换,就近使用的原则,具有大大降低企业的用电成本,投资回报率高的特点,因此各地政府纷纷鼓励屋顶光伏项目的发展。

综合分析后得出:

探讨屋顶分布式光伏发电技术方案很有必要。

太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。

分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。

它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在建筑物屋顶的光伏发电项目，方便接入就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。

从发电入网角度出发，根据家庭用电情况可以给出系统施工要求、设计方法以及光伏组件、逆变器的选择等。

 太阳能是一种重要的，可再生的清洁能源，是取之不尽用之不竭、无污染、人类能够自由利用的能源。

太阳每秒钟到达地面的能量高达50万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。

从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。

近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产和市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一。

本文简单地阐述了家用分布式光伏发电系统设计方法和施工要求。

第1章

1.1太阳能光伏发电应用现状

太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。

太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。

目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。

近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。

国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。

与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。

光伏应用市场发展较为迅速。

但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。

因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。

1.2家庭光伏电站及国家补贴

1.何为家庭光伏电站

家庭式光伏电站，利用屋顶平台架设光伏阵列，将太阳能转化为电能自发自用，余量可就近向低压公网供电，能有效利用资源和保护环境，经济、社会、环境效益显著；简单来说就是除了发电给自己用，还能把多余的电卖给国家。

2.国家政策补贴形式自发自用电部分

国家财政补贴0.42元/度 + 省级补贴0.1元（各省略有不同）多余电上网部分：

当地燃煤脱硫机组标杆电价0.56元/度（各地略有不同）综上可知，虽然各省政策不同，但至少能保证，若建设一个5kW家庭式光伏电站，每天发20度电全部自用的话，则国家补贴20*0.42元=8.4元，一年则补贴3066元。

如果每天只用10度电，剩余10度电卖给国家，则补贴为10*0.42元+10*0.56元=9.8元，一年除不用交电费外，还能挣3577元。

三、投资收益分析目前，每千瓦的电池组件占地面积在10m2左右，每千瓦的电站投资在8-9元kW，假设一个5kW规模的家庭式光伏电站，投资收益分析如下

占地面积：

约40--50 m2 总投资：

4万元左右 发电量：

日均20度左右，一年7300度 补贴：

0.42元/度（国家补贴）×7300度=3066元因为是自家用电，不用交电费，故省去：

7300度×0.56元/度=4088元年收益：

3066元+4088元=7154元回本：

4万元÷0.7154万元/年=5.59年预计6年收回成本算账：

电站设计使用年限为25年，剩下的20年可以免费用电因此如果没有政府给予设备补贴或者电价补贴，很少有人愿意做的，因为按照目前一个家庭每年电费开销3000元计算，一个5kW的电站投资要在4万元，电力自发自用收回成本也要10年以上，10年之后才能见到效益。

设备包括：

光伏组件及支架、交直流断路器、逆变器等。

实例5kW光伏屋顶系统项目解决方案如下系统特点：

■ 能量转换过程简单，系统转化效率高

■ 操作、维护简单，运行稳定可靠   

■工作性能稳定，使用寿命长 

■无噪声，无污染

■结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装设备清单：

1、光伏电站组件：

20片 250kWp多晶硅，市场较好材质为4元/瓦，5千瓦≈2万元 

2、安装材料费（城市）：

铝合金材质支架≈5000元，普通钢材支架≈3000元（如在农村屋顶多为尖顶的，不需要支架，会省些钱） 

3、（逆变器质量好的）≈1万元（把电池板产生的直流电变成适合家用电器的交流电，还有防短路、通信等功能） 目前，1~10kW逆变器，价格大概在2.0~2.2元/W 

4、施工人工费等≈5000元，包含提供直流电缆、交流电缆、电表、断路器。

线缆数量根据实际屋顶来算，人工费各城市也不同。

5、各地供电公司并网服务为免费的。

（服务：

如果想安装家庭光伏电站，有专门的公司可以到现场考察、设计，提供合理的解决方案。

）

1.3屋顶光伏电站结构设计原则

（1）结构设计使用年限不应小于25年。

预埋件属于难以更换的部件，其结构设计使用年限宜按50年考虑。

（2）屋顶光伏电站结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应组合。

（3）屋顶光伏电站结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。

1.4屋顶光伏电站结构设计要点

屋顶光伏电站固定支架光伏阵列承受的荷载包括自重、风荷载、活荷载和雪荷载。

荷载通过太阳能电池板传至固定光伏支架上，最终通过支架作用至屋面板上。

在既有建筑屋顶增设或改造光伏系统，除了新增结构系统须具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力外，还应保证原有建筑结构承载力满足要求，避免屋顶倒塌、被掀翻和破裂。

因此，还需对原有建筑物进行安全性复核。

第2章

2.1分布式光伏系统结构

太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏”效应，将太阳光的辐射直接转换为电能的一种新型发电系统。

它的规模可大可小，在发电过程中不会排放污染物质，具有安装方便，没有噪音，整个寿命期间几乎无需维护等优点。

太阳能光伏发电系统分为两大类，一类是太阳能光伏发电独立系统，另一类是太阳能光伏发电并网系统。

太阳能光伏发电并网系统主要包括太阳能光伏组件、光伏汇流箱、直流配电柜、并网型逆变器和交流配电柜等，家用并网型分布式光伏系统由于规模不大，汇流箱和交直流配电柜都用不到，因此在设计过程中应充分考虑实际情况，一般应遵循经济适用原则，可靠性高、牢固耐用、容易维护、充分考虑地理和气候环境的影响。

2.2典型屋顶太阳能并网光伏发电系统的组成

2.2.1太阳能电池方阵

太阳能电池方阵是并网型光伏发电系统的主要部件，由其将接受到的太阳光能直接转换为电能。

住宅并网型光伏系统光伏器件的突出特点和优点是与建筑相结合，目前主要有两种形式：

建筑与光伏系统相结合（BAPV）和建筑与光伏元件相结合（BIPV）。

2.2.2并网逆变器

将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质等进行控制的装置叫逆变器。

逆变器按功率分类，并网逆变器可分为小型、中型、大型逆变器三种。

小型逆变器一为10KW以下，中型逆变器为：

10KW～100KW；大型逆变器为：

100KW及以上。

按是否带隔离变压器分类，按逆变器是否带隔离变压器，分为有隔离型和无隔离型。

按输出相数分类，按并网逆变器的额定输出功率、输入光伏支路数量、输出为三相或单相，无蓄电池的并网光伏发电系统的逆变方案可分为集中型逆变方案和支路型逆变方案两种。

4、逆变器配置选择

对于低压并网项目，50KW及以上逆变器设隔离变压器。

本工程逆变器为户内配置，具有以下功能：

◆允许环境温度-25℃～+55℃；

◆采用MPPT技术，跟踪电压范围要宽、最大直流电压要高；

◆提供人机界面及监控系统；

◆具有极性反接保护、防反放电保护、孤岛效应保护、交流过流及直流过载保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠压、电网过欠频、光伏阵列及逆变器本身的接地检测及保护（对地电阻监测和报警功能）等，并相应给出各保护功能动作的条件和工况（即时保护动作、保护时间、自成恢复时间等）。

◆交直流均具有防浪涌保护功能；

2.2.3控制器对系统进行控制和监测。

对于并网光伏发电系统来说，主要用于城市与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）和大型荒漠地光伏电站。

这类应用已成为光伏发电市场的主流，目前约占到世界光伏发电市场份额的80%。

2.2.4光伏组件

目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。

（1）单晶硅太阳能电池

目前单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为16%～18%，是转换效率最高的但是制作成本高，还没有实现大规模的应用。

（2）多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率约15%～17%。

制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，因此得到大量发展。

目前主流的组件是250Wp多晶硅太阳电池组件。

2.3光伏发电原理

2.3.1基本工作原理

常规电力系统中的所有在运行机组，无论容量大小，全部并网发电，待并发电机组必须同时满足以下三个条件才允许并网运行，缺一不可：

1、 频率相等 

2、 相位与相序相同 

3、 电压相等 

太阳能光伏电站同样必须同时满足上述三个并网条件才允许并网发电。

光伏发电系统是直流发电器，需经逆变器将直流电换成频率、相位和电压与电网完全相同的交流电，通过并网控制器与电网并联，成为电力系统中一台特定的小机组。

白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。

并网型光伏发电系统可分为双向互补型和单向供给型。

2.3.2实验原理

太阳能电池发电原理：

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

这个过程的实质是：

光子能量转换成电能的过程。

并网型光伏发电系统工作原理：

白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。

2.4光生伏特效应

半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。

半导体材料具有负的带电阻温度系数。

从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。

通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。

基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。

常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，它的工作原理的核心是光生伏特效应。

光生伏特效应是半导体材料的一种通性。

当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。

如果构成适当的回路就会产生电流。

这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。

第3章方案实施

3.1光伏发电系统的种类

一种是与公共电网并联而没有备用蓄电池进行储能的光伏发电系统；另一种是与公共电网并联同时也有备用蓄电池作为补充的光伏发电系统。

1.无蓄电池的并网系统

这种系统在电网可用的情况下才能运行。

因为电网的电能损耗非常小，所以这种系统一般来说可以为用户节省更多的电费开支。

然而，倘若电力中断，这个系统将会完全关闭，直到电网恢复。

典型的无蓄电池并网系统有以下部件组成:

１）光伏阵列

2）平衡系统的配备（ＢＯＳ）

3）直流－交流逆变器

4）测量仪器、仪表

5）其他元件公共电网开关

2.含蓄电池的并网系统

这种系统是在不含蓄电池的并网系统中加入蓄电池，为系统进行储能，使得即便是在电网断电的情况下，系统也能够为特殊负载提供应急供电。

而当电力中断，这个系统就与电网脱离，形成一个独立的电源供电线路，采取专用的配电线路为这些特殊负载供电。

如果电网停电故障发生在白天，光伏阵列能够和蓄电池一起给这些负载供电；如果停电发生在夜间，则全部由蓄电池给负载供电，蓄电池能释放出足够的能量来保证这些特殊负载正常运行一个蓄电池备用系统除了包含无蓄电池并网系统中的所有元件之外，还需要增加蓄电池和蓄电池组、蓄电池充电控制器、为特殊要求高保障负载供电的配电盘等部件。

3.2屋顶分析

3.2.1家用屋顶的分类

家用屋顶主要是瓦片屋顶、混凝土屋顶及彩钢瓦结构

一.瓦片屋顶及彩钢瓦结构屋顶勘测要点

（1）询问建筑的竣工年份，产权归属。

（2）屋顶朝向及方位角。

（3）屋顶倾斜角度。

量出屋面宽度和房屋宽度即可计算出屋顶倾斜角度。

南方屋顶倾角一般大于北方屋顶。

（4）瓦片类型、瓦片尺寸。

民用建筑常见瓦型包括罗马瓦、空心瓦、双槽瓦、沥青瓦、平板瓦、鱼鳞瓦、西班牙瓦和石板瓦。

（5）考虑屋顶的遮挡情况。

（6）掀开部分瓦片查看屋顶结构，注意记录主梁、檩条的尺寸和间距。

瓦屋顶的支架系统挂钩是安装固定在檩条上。

（7）从项目业主方获取房屋结构图，便于计算屋顶荷载。

（8）询问业主拟安装光伏系统屋顶南面是否有高楼建设规划。

二.混凝土屋顶勘测要点

（1）建筑竣工年份、产权归属；屋顶朝向和方位角。

（2）测量女儿墙高度，后期进行阴影分析，确定可安装利用面积。

（3）查看屋面防水情况，以不破坏屋面防水结构为原则，考虑支架的安装是采用自（负）重式还是膨胀螺栓固定式。

标准民用混凝土屋顶的承载能力需大于3.6KN/m2，在考虑短时风载、雪载的情况下支架系统的荷载也小于混凝土屋顶的承载能力。

为避免安装光伏系统后建筑产生任何的防水结构破坏问题，优先采用自（负）重式支架安装方式。

（4）从项目业主方获取房屋结构图，便于计算屋顶荷载。

（5）询问业主拟安装光伏系统屋顶南面是否有高楼建设规划。

第4章屋顶光伏系统的安装

4.1安装屋顶光伏系统要遵循的基本步骤

1.确保屋顶或其他安装位置的面积大小可以容纳将要安装的光伏系统。

2.安装时，需要检查屋顶是否能够承受外加光伏系统的质量，必要时还需要增强屋顶的承重能力。

3.根据建筑屋顶的设计标准，妥善处理屋顶。

4.严格按照规范和步骤安装设备。

5.正确、良好地设置接地系统，能有效避免雷击。

6.检查系统运行是否良好。

7.确保设计和相关设备能够满足当地电网的并网需求。

8.最后，由权威检测机构或电力部门对系统进行全面检测。

4.2.安装地点选择

家庭分布式光伏系统的选址一般可选择安装在自家屋顶上，屋面承重能力必须大于20kg/m2。

房屋房梁如果是木质结构的话就不要考虑了，光伏系统使用年限长达25年，木质房梁易腐坏，建议不要进行安装。

若在人字结构屋顶建设太阳能光伏电站，不能像地面电站那样设计最佳倾角，并且考虑前后遮挡间距。

为了便于光伏组件和屋顶结合，一般都在屋面上直接平铺支架，北半球铺朝南面，南半球铺朝北面，这样方可最大效率利用光能。

支架与屋顶采用夹具连接，电池组件再安装于支架上。

这种方式不仅美观，而且可以实现屋顶面积利用最大化。

在平顶结构屋顶建设太阳能光伏电站，需要架设光伏支架和设计最佳倾角和组件前后间距。

另外，支架基础强度的设计还要以当地气象条件做依据。

需要注意一点，考虑到组件的热胀冷缩效应，安装时上下左右组件之间的间隔要达到3cm左右为佳。

4.3我国太阳能资源分布情况如下

一类地区年日照3200～3300小时，辐射量7500～9250MJ/m2。

青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。

 二类地区年日照3000～3200小时，辐射量5850～7500MJ/m2。

河北、西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

此区为我国太阳能资源较丰富区。

三类地区年日照2200～3000小时，辐射量5000～5850 MJ/m2。

山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。

 四类地区年日照1400～2200小时，辐射量4150～5000 MJ/m2。

 长江中下游、福建、 浙江和广东的一部分地区。

五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量3350～4190MJ/m2。

四川、贵州两省。

此区是我国太阳能资源最少的地区。

结合现在的光伏发电技术，1kWp的多晶硅太阳能电池组件五类区域年发电量大致如下：

地区

1kWp发电量（kW.h）

一类地区

1666~2055

二类地区

1300~1666

三类地区

1111~1300

四类地区

922~1111

五类地区

744~922

因此用户可以根据系统的安装地点和自己年用电量情况来合理选择装机规模。

例如A家庭位于太阳能资源四类区域，平均年用电量是3000 kWh，装机3000W就够用了；B家庭位于二类地区，平均年用电量也是3000 kWh，装机2000W就可以了。

4.4光伏组件阵列安装朝向和角度

如果安装地点是平面，则要计算光伏支架的倾角，北半球朝南，南半球相反。

考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，再结合费用、实用性等因素，家庭分布式光伏系统采用固定的光伏方阵较好。

从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

 Rβ＝S×[sin（α+β）/sinα]+D 式中：

Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S ——水平面上太阳直接辐射量 D ——散射辐射量α——中午时分的太阳高度角β——光伏阵列倾角根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。

4.5太阳电池方阵间距计算

 计算当太阳能电池组件子阵前后安装时的最小间距D。

一般确定原则：

冬至当天早9:

00至下午3:

00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。

计算公式如下：

D=0.707H/（Tan（arcsin（0.648cosφ-0.399sinφ）））

式中：

φ：

为纬度（在北半球为正、南半球为负），根据项目地点经纬度计算；H：

为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列间距应不小于D。

 4.6防雷设计

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。

太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，

防雷和接地涉及到以下的方面：

1、尽量避免避雷针的投影落到光伏组件上 

2、地线是避雷、防雷的关键。

防止雷电感应：

包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。

防止雷电波侵入:

在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。

要在每条回路的出线和零线上装设。

架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆。

接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。

接地系统的要求：

所有接地都要连