屋顶并网光伏系统关键器件选型(完整电子文档,配习题)

第6章屋顶分布式光伏系统关键器件选型

【学习目标】

1.掌握屋顶分布式光伏电站的分类、结构及组件类型；

2.掌握屋顶分布式电站电池方阵安装的朝向与发电量估算方法；

3.熟悉屋顶分布式电站电池遮挡、温升、通风情况对发电量的影响；

4.掌握屋顶分布式电站光伏组件、接线箱、逆变器、直流线路、防雷和接地系统设计方法；

5.熟悉屋顶分布式电站配电及电网接入设计方法，掌握电量计量方式。

【本章简介】

屋顶分布式光伏发电系统具有配电侧并网、电流双向、自发自用的特点，且系统设计受可用面积、建筑结构等因素影响。其结构一般由光伏方阵、光伏接线箱、逆变器（限于包括交流线路系统）、蓄电池及其充电控制装置（限于带有储能装置系统）、电能表和显示电能相关参数的仪表组成。本章将在前章讲述基础对屋顶分布式光伏发电系统电池方阵、关键部件及净电表计量等方面进行分析。

6.1屋顶光伏发电系统认识

有别于大型集中式并网光伏电站，建筑物屋顶并网光伏发电系统的设计，由于受制于

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安装光伏组件的可用面积，其首先考虑的问题有所不同。

另外，在建筑物上安装的并网太阳能光伏发电系统的并网点一般在电网的配电侧(400V、230V)，属于分布式发电系统，其特点为：①并网点在配电侧；②电流是双向，可以从电网取电，也可以向电网送电；③大部分光伏电量直接被负载消耗，自发自用；④分“上网电价”并网方式（双价制）和“净电表计量”（平价制）。它不同于在输电侧(10kV、35kV、110kV)并网的大型集中式光伏电站。屋顶分布式光伏电站如图6-1所示。

图6-1 屋顶分布式光伏系统

1.屋顶分布式光伏电站建设意义

全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右，光伏建筑一体化是太阳能利用最佳的形式。其优点如下：

(1)可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源；

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(1)能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。并网光伏系统在白天阳光照射时发电，也是用电高峰期，从而舒缓高峰电力，多余的电力并入电网；

(2)原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资；

(3)光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑集成光伏系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升；

(4)安装简便，可以任意选择发电量；

(5)并网光伏系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，增加楼盘的综合品质。

2.屋顶光伏发电系统分类

按光伏系统是否接人公共电网分，可分为并网光伏系统和离网光伏系统。

按光伏系统是否具有储能装置分，分为带有储能装置的系统和不带储能装置的系统。

按光伏系统其太阳电池组件的封装形式分，分为建材型光伏系统、构件型光伏系统、安装型光伏系统。

通常所说光伏与建筑一体化(building integrated photovoltaic，BIPV)，是指光伏系统与建筑物功能及外观协调、有机结合，其中也包括BAPV。

2.屋顶光伏发电系统组件类型

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在BIPV设计与安装中使用建材型光伏组件、构件型光伏组件、安装型光伏组件3种不同的光伏组件,如下图6-2所示。

(a)建材型光伏组件 (b)构件型光伏组件 (c)安装型光伏组件

图6-2 BIPV电池组件

(1)建材型光伏组件(material photovoltaic module)

将太阳电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等。

(2)构件型光伏组件(elemental photovoltaic module)

与建筑构件组合在一起或成为建筑构件的光伏组件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件、栏板构件等。

(3)安装型光伏组件(building attached photovoltaic module)

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在屋顶或墙面上架空安装的光伏组件，与地面安装的组件几乎一样。光伏与建筑结合可分为如下一些形式：

①采用普通太阳电池组件，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上；

②采用特殊的太阳电池组件，作为建筑材料安装在倾斜屋顶上；

③采用普通太阳电池组件，安装在平屋顶原来的建筑材料之上；

④采用特殊太阳电池组件，作为建筑材料安装在平屋顶上；

⑤采用普通或特殊太阳电池组件，作为幕墙安装在南立面上；

⑥采用特殊的太阳电池组件，作为建筑幕墙安装在南立面上；

⑦采用特殊的太阳电池组件，作为天窗材料安装在天窗上；

⑧采用普通或特殊的太阳电池组件，作为遮阳板安装在建筑物上。

6.2BIPV电池方阵设计

在BIPV系统中，即要注重建筑物系统美观，也要注意光伏系统发电效率问题。

1.太阳电池方阵安装的朝向与发电量估算

太阳电池方阵与建筑相结合，有时不能自由选择安装的朝向。不同朝向的太阳电池方

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阵发电量不同，不能按照常规方法进行发电量计算。可以根据图6-3对不同朝向太阳电池方阵的发电量进行基本估计。

75909510095西6570657550东南

图6-3 朝向与发电量

①假定向南倾斜纬度角安装的太阳电池方阵发电量为100；

②其他朝向全年发电量均有不同程度减少；

③在不同地区，不同的太阳辐射条件下，减少的程度不同。

2.太阳电池方阵的遮挡

太阳电池方阵与建筑相结合，右时也不可避免东地会受到遮挡。遮挡对于晶体硅太阳电池的发电量影响大，而对于非晶硅太阳电池的影响小。一块晶体硅太阳电池组件被遮挡1/10的面积，功率损失将达50%;而非晶硅太阳电池组件受到同样遮挡，功率损失只有10%。

如果太阳能电池不可避免会被遮挡，应当尽量选用非晶硅电池。

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3.太阳能电池方阵的温升和通风

太阳能电池方阵与建筑相结合还应当注意太阳能电池方阵的通风设计，以避免太阳能电池方阵温度过高，造成发电效率低（晶体管太阳能电池组件的结温超过25度时，每升高1度功率损失大约千分之四）。太阳能电池方阵的温升与安装位置和通风情况有关。具体情况如下：

(1)作为立面墙体材料，没有通风，温升非常高，功率损失9%

(2)作为屋顶建筑材料，没有通风，温升很高，功率损失5.4%

(3)安装在南立面，通风较差，温升很高，功率损失4.8%；

(4)安装在倾斜屋顶，通风较差，温升很高，功率损失3.6%；

(5)安装在倾斜屋顶，有较好通风，温升很高，功率损失2.6%

(6)安装在平屋顶，通风较好，温升很高，功率损失2.1%；

(7)普通方式安装在屋顶，有很大的通风间隙，温升损失最小。

4.太阳电池组件的选择

太阳电池与建筑相结合不同于单独作为发电装置使用，作为建筑的一部分，除了发电，还要考虑其他功能，如使室内和室外隔离、防雨、抗风、隔热、隔噪、美观及作为建筑材料供建筑设计师选用。

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为了与建筑结合和安装方便，可将太阳能电池组件制作成太阳电池瓦，也可以制作专用托架或导轨，方便地将普通太阳安装其上。为了便于安装，与建筑结合的太阳电池组件常常制作成无边框组件，且接线盒一般安装在组件侧面，而不像普通组件一样安装在背面。

太阳电池组件还可以与各种不同的玻璃结合制作成特殊的玻璃幕墙或天窗，如隔热玻璃组件、防紫外线玻璃组件；隔声玻璃组件、夹层安全玻璃组件及防盗或防弹玻璃组件、防火组件等。

6.3 BIPV关键部件规划与选型

6.3.1 BIPV电气安全设计

由于屋顶分布式光伏电站与建筑物相结合，且接入点在电网的配电侧，在进行BIPV设计时要注意如下几点：

1.工业与民用建筑光伏系统应进行专项设计或作为建筑电气工程设计的一部分。

2.光伏组件或方阵的选型和设计应与建筑结合，在综合考虑发电效率、发电量、电气和结构安全、适用美观的前提下，合理选用构件型和建材型光伏组件，并与建筑模数相协调，满足安装、清洁、维护和局部更换的要求。

3.光伏系统输配电和控制用缆线应与其他管线统筹安排，安全、隐蔽、集中布置，满足安装维护的要求。

4.光伏组件或方阵连接电缆及其输出总电缆应符合《光伏(PV)组件安全鉴定第一部分：结构要求》(GB/T 20047.1)的相关规定。

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5.在人员有可能接触或接近光伏系统的位置，应设置防触电警示标识。

6.并网光伏系统应具有相应的并网保护功能。

7.光伏系统应安装计量装置，并应预留检测接口。

8.光伏系统应满足《光伏系统并网技术要求》(GB/T 19939)关于电压偏差、闪变、频率偏差、谐波、三相不平衡度和功率因数等电能质量指标的要求。

6.3.2 BIPV结构安全设计

1. 结构安全

屋顶分布式光伏电站除电气设计外，结构设计也是很重要的部分，主要包括两方面：

(1)建筑主体的安全性

光伏组件无论是安装在屋顶还是立面，对原建筑来说都是增加的荷载。如是新建建筑，可在设计时直接把增加的荷载考虑进去。如在已有建筑上安装光伏系统，一定要与原建筑设计单位沟通，对增加荷载的部分进行荷载计算验证，以确保建筑结构的安全。

(2)光伏系统结构的安全性

光伏组件有普通型、构件型、建材型，安装形式有附加型、一体化型，如作为幕墙、雨棚、遮阳棚、透光屋顶等。如果是附加型，要保证支架本身的抗风荷载、雪荷载等性能及与建筑结合部的结构性能，如果是一体化型，则要完全符合建筑的要求，如光伏幕墙，

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除具有发电功能外要符合建筑的气密性、水密性能、保温性能，抗风性能等。

2. 附加型屋顶结构设计

在德国建筑光伏占90%的比例中，其中附加型光伏系统占%。所以附加型屋顶结构设计非常重要。

钢筋混凝土框架结构或砖混结构的屋顶一般可有2种形式附加：

(1)不破坏屋面防水，用压重增加支架稳定性方式：

通过荷载计算在框架柱顶部位加适当重量的水泥墩，既作为太阳电池板支架支撑，又作为支架抗风荷载等稳定性的压重，框架柱之间可加小块水泥墩作为支架支撑，所压重量经计算达到抗倾覆、抗平移、抗掀翻等，保证光伏系统支架的稳定性。如图6-4(a)所示。

这种方式的优点是不破坏原屋面的所有保温防水，但对屋面的承载要求较高。

(2)在屋面采用植筋方式：

当屋面承重不允许加到保证支架稳定性增加的压重时可采用这种方式，太阳电池方阵支架支撑与屋面结构连接，将承载的重量直接传递到建筑主体结构。这样做对屋面的承载要求不太高，但一定要把植筋时破坏屋面的防水保温等做好，以避免引起房屋漏水。如图6-4(b)所示。

不管选择哪种方式，以保证建筑结构安全为原则。

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(a)压重方 (b)植筋方式

图6-4 附加型屋顶结构

大型共建如火车站、厂房等多采用轻钢排架结构，彩钢板屋顶，承重能力较混凝土框架结构要差。如是新建建筑，可在设计时直接把增加的荷载考虑进去；如是已建建筑，原设计活荷载不够大，则需做檩条等加固。屋顶支架连接尽量采用夹具方式，尽量不破坏防水保温，如图6-5所示。

图6-5 夹具方式

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6.3.2 BIPV系统部件选择

屋顶分布式光伏发电系统一般由光伏方阵、光伏接线箱、逆变器（限于包括交流线路系统）、蓄电池及其充电控制装置（限于带有储能装置系统）、电能表和显示电能相关参数的仪表组成。光伏系统中各部件的性能应满足国家或行业标准的相关要求，并应获得相关认证。

1.光伏阵列选型

(1)屋顶分布式光伏发电系统光伏阵列应根据新建建筑或既有建筑的使用功能、电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定光伏系统为建材型、构件型或安装型。

(2)根据建筑设计及其电力负荷确定光伏组件的类型、规格、安装位置和可安装场地面积,使光伏组件规格与现有安装面积达到最优配对。

(3)根据尽量采用最佳倾角且便于清除灰尘、保证组件通风良好的原则确定光伏组件的安装方式。

(4)根据逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数，确定光伏组件的串联数（或称光伏组件串或组串）。

(5)根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件申的并联数。

(6)同一组串及同一子阵内，组件电性能参数宜尽可能一致，其中最大输出功率Pm、最大工作电流Im的离散性应小于±3%。

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(7)建材型光伏系统和构件型光伏系统在建筑设计时，就需要统筹考虑电气线路的安装布置，同时要保证每一块建材型光伏组件和构件型光伏组件金属外框的可靠接地。

2.光伏接线箱（汇流箱）选配

(1)光伏接线箱内应设置汇流铜母排或端子。

(2)每一个光伏组件串应分别由线缆引至汇流母排，在母排前分别设置直流分开关，并设置直流主开关。

(3)光伏接线箱内应设置防雷保护装置。

(4)光伏接线箱的设置位置应便于操作和检修，宜选择室内干燥的场所。设置在室外的光伏接线箱应具有防水、防腐措施，其防护等级应为IP65或以上。

3.逆变器选配

(1)光伏系统逆变器的总额定容量应根据交流侧负荷最大功率及负荷性质选择。

(2)并网光伏系统逆变器的总额定容量应根据光伏系统装机容量确定；并网逆变器的数量应根据光伏系统装机容量及单台并网逆变器额定容量确定。并网逆变器的选择还应遵循以下原则。

①并网逆变器应具备自动运行和停止功能、最大功率跟踪控制功能和防止孤岛效应功能。

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②不带工频隔离变压器的并网逆变器应具备直流检测功能。

③无隔离变压器的并冈逆变器应具备直流接地检测功能。

④具有并网保护装置，与电力系统具备相同的电压、相数、相位、谐波、频率及接线方式。

⑤应满足高效、节能、环保的要求。

另外，从图6-3及电池组件特性可知，不同种类的电池输出功率不同；同种电池，安装在建筑不同位置的阵列，由于受光不同，输出功率也不同。所以建筑各面接收到的太阳辐射不同，电池板产生电流不同，故有不同的发电效率。因此选配逆变器时一定要根据这些特点选配，即相同电池板、相同串并联连接、安装在同一建筑面，选择一台功率相配的逆变器。

在屋顶分布式光伏电站在逆变器选配时，为了安全，尽量选带隔离变压器的逆变器；如是小功率逆变器（5kW以下）可选用带高频隔离变压器的逆变器，因为逆变器具有的MPPT功能，为了得到最大发电效率，按不同电池板、不同建筑面安装分别配置逆变器；如财力允许，可选择模块化结构、具有分模块进入退出控制功能的逆变器。

例如，在河北汉盛办公楼，屋顶安装21.6kWp，南立面19kWp，西立面9.5kWp，逆变器不能配1台50kW的，而是屋顶和南立面各配1台20kW，西立面配1台10kW。 其建筑物结构如图6-4所示。

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(a)南面 (b)西立面

图6-4 分布式电站

4.直流线路选配

(1)耐压等级应高于光伏方阵电压的1.25倍。

(2)额定载流量应高于短路保护电器整定值，短路保护电器整定值应高于光伏方阵的标称短路电流的1.25倍。

(3)满发状态下，线路电压损失应控制在3%以内。

5.光伏系统防雷和接地保护应符合以下要求。

(1)光伏系统防直击雷和防雷击电磁脉冲的措施应严格遵守《建筑物防雷设计规范》(GB 50057)的相关规定。

(2)光伏系统和并网接口设备的防雷和接地措施应符合《光伏(PV)发电系统过电压保护——导则》(SJ/T 11127)的相关规定。

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6.建材型光伏系统应遵循以下原则。

(1)建材型光伏组件必须具备建筑材料本身固有的功能，且对原有的建材功能无影响。

(2)建材型光伏组件系统结构必须符合《太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程》（以下简称《规程》）第4.4节的要求。

7.构件型光伏系统应遵循以下原则。

(1)构件型光伏组件必须具备建筑构件本身固有的功能，且对原有功能无影响。

(2)构件型光伏系统为保留建筑构件本身固有的功能时，若影响到组件接收太阳辐射的一致性，对每一串组件需要用阻塞二极管隔离，或单独使用控制器或者逆变器。

6.3.3 BIPV配电及电网接入

1.配电系统

(1)并网光伏系统配变电间设计除应符合《规裎》外，应符合《10kV及以下变电所设计规范》(GB 50053)、《35～llOkV及以下变电所设计规范》(GB 50059)的相关要求。

(2)光伏系统的配变电间应根据光伏方阵规模和建筑物形式采取集中或分散方式布置。

(3)光伏系统的变压器宜选用于式变压器。

2.系统接入电网

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(1)光伏系统与公共电网并网应满足当地供电机构的相关规定和要求。

(2)光伏系统以低压方式与公共电网并网时，应符合《光伏系统并网技术要求》(GB/T19939)的相关规定。

(3)光伏系统以中压或高压方式（lOkV及以上）与公共电网并网时，电能质量等相关部分应参照《光伏系统并网技术要求》(GB/T19939)，并应符合以下要求。

①光伏系统并网点的运行电压为额定电压的90%～110%时，光伏系统应能正常运行。

②光伏系统在并网运行6个月内应向供电机构提供有关光伏系统运行特性的测试报告，以表明光伏系统符合接人系统的相关规定。

(4)光伏系统与公共电网之间应设隔离装置，并应符合下列规定。

①光伏方阵与逆变器之间、逆变器与公共电网之间应设置隔离装置。

②光伏系统在并网处应设置并网专用低压开关箱（柜），并应设置专用标识和“警告”、“双电源”等提示牲文字和符号。

(5)并网光伏系统的安全及保护要求可参照《光伏系统并网技术要求》(GB/T19939)，并应符合以下要求。

①并网光伏系统应具有自动检测功能及并网切断保护功能。

②光伏系统应根据系统接入条件和供电部门要求选择安装并网保护装置，并应符合《光

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伏(PV)系统电网接口特性》(GB/T20046)的相关规定和《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T14285)的功能要求。

③当公用电网电能质量超限时，光伏系统应自动停止向公共电网供电，在公共电网电能质量恢复正常范围后的一段时间之内，光伏系统不得向电网供电。恢复并网延时时间由供电部门根据当地条件确定。

(6)并网光伏系统的控制与通信应符合以下要求。

①根据当地供电部门的要求，配置相应的自动化终端设备与通信装置，采集光伏系统装置及并网线路的遥测、遥信数据，并将数据实时传输至相应的调度主站。

②在并网光伏系统电网接口／公共联络点应配置电能质量实时在线监测装置，并将可测量到的所有电能质量参数（电压、频率、谐波、功率因数等）传输至相应的调度主站。

(7)并网光伏系统应根据当地供电部门的关口计量点设置原则确定电能计量点，并应符合以下要求。

①光伏系统在电能关口计量点配置专用电能计量装置。

②电能计量装置应符合《电测量及电能计量装置设计技术规程》(DL/T5137)和《电能计量装置技术管理规程》(DL/T448)的相关规定。

(8)作为应急电源的光伏系统应符合下列规定。

①应保证在紧急情况下光伏系统与公共电网解列，并切断光伏系统供电的非特定负荷。

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②开关柜（箱）中的应急回路应设置相应的应急标志和警告标识。

③光伏系统与电网之间的自动切换开关应选不自复方式。

3.电能储存系统

(1)电能储存系统宜选用寿命饫、充放电效率高、自放电小等性能优越的蓄电池。

(2)电能储存系统应符合《电力工程直流系统设计技术规程》(DL/T 5044)和《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》(GB/T 190)的相关要求。

4.电量计量方式

由于分布式光伏发电以自发自用为主，其补偿电价不同于用户的用电电价，所以采用双表制，一块表用于记录太阳能发电系统送入电网的电量，另一块用于记录用户用电量。

并网光伏发电可以采用发电、用电分开计价的接线方式，也可以采用“净电表”计价的接线方式。德国和欧洲大部分国家都采用双价制，由电力公司高价收购太阳能光伏发电的电量[平均0.55欧元／(kWh)]，用户用电则仅支付常规的低廉电价[0.06～0.1欧元／(kWh)]，这种称为“上网电价”。

在此情况下，光伏发电系统应当在用户电表之前并入电网。美国和日本采用初投资补贴，运行时对光伏发电不再补电价，但是允许用光伏发电的电量抵消用户从电网的用电量，电力公司按照用户电表的净值收费，称为“净电表”计量制度。此时，光伏发电系统应当在用户电表之后接人电网。当然，随着光伏发电成本不断降低，各国的补助额也在下调。

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由于我国目前还没有对城市配电测安装的光伏发电系统实行高电价，因此，大多数项目采用“净电表”配电方式。“净电表”制单相和三相连接方式的示意图如图所示。

电网户内原有单相电度表去用户负载单相电度表空气开关逆变器

图6-3 净电量计量

6.4本章练习

1.简述屋顶分布式光伏电站的分类、结构及各部件功能。

2.简述屋顶分布式电站电池方阵安装的朝向与发电量估算方法。

3简述屋顶分布式电站电池遮挡、温升、通风情况对发电量的影响。

4.简述分布式电站“净电表”计价电气连接方式。

5.在屋顶分布式光伏系统中逆变器选配考虑因素有哪些。

6.简述BIPV电气安全设计考虑哪些问题。

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