关于屋顶建设分布式光伏发电项目的屋顶结构设计建议.docx

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关于屋顶建设分布式光伏发电项目的屋顶结构设计建议

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一、项目建设的意义

1、政策驱动

光伏发电是我国重要的战略性新兴产业，大力推进光伏发电应用对优化能源结构、保障能源安全、改善生态环境、转变城乡用能方式具有重大战略意义。

分布式光伏发电应用范围广，在城乡建筑、工业、农业、交通、公共设施等领域都有广阔应用前景，既是推动能源生产和消费革命的重要力量，也是促进稳增长调结构促改革惠民生的重要举措。

各地区要高度重视发展分布式光伏发电的重大战略意义，主动作为，创新机制，全方位推动分布式光伏发电应用。

分布式光伏发电项目同时符合国务院、国家发改委、国家能源局先后下发的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（国发[2013]24号）、《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》（发改价格[2013]1638号）、《国家能源局关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》（国能新能[2014]406号）、《关于加快培育分布式光伏发电应用示范区有关要求的通知》（国能新能[2014]410号）等一系列关于推广分布式光伏项目发展的文件要求。

宁夏是我国唯一的新能源综合示范区，是我国太阳能资源最丰富的地区之一。

作为宁夏自治区的首府，银川市2014年初被列入了国家第一批新能源示范城市名单，提出2015年要实现15万千瓦光伏发电装机。

作为沿黄经济带的枢纽，银川城市快速发展并逐渐向周边扩张，银川市适宜开发集中式光伏电站的荒地越来越少，大力发展分布式光伏发电更加符合银川市发展战略。

2、资源优势

我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。

根据气象部门的调查、测算：

我国太阳能年总辐射量最大值在青藏高原，高达10100MJ/m2，最小值在四川盆地，仅3300MJ/m2．从大兴安岭南麓向西南穿过河套，向南沿青藏高原东侧直至西藏南部，形成一条等值线。

此线以西为太阳能丰富地区，年日照时数≥3000h，这是由于这些地区位处内陆，全年气候干旱、云量稀少所致；此线以东地区（即我国东北、华北、长江中下游地区）以四川最小，由此向南、北增加，广东沿海较大，台湾和海南西部年日照时数可达2400h/a-2600h/a；内蒙古东部、华北较大，至东北北部又趋减小。

由于丰富区和较丰富区占国土面积2/3以上，因而我国是一个太阳能资源丰富的国家，开发、利用前景看好。

宁夏回族自治区位于N35°14′-N39°23′,E104°17′-E107°39′之间，地处中国西部的黄河上游地区。

宁夏东邻陕西省，西部、北部接内蒙古自治区，南部与甘肃省相连。

自古以来就是内接中原，西通西域，北连大漠，各民族南来北往频繁的地区。

宁夏是我国太阳能资源最丰富的地区之一，也是我国太阳辐射的高能区之一，太阳辐射量年均在4950MJ/m2-6100MJ/m2之间，年均日照小时数在2250h-3100h之间，在开发利用太阳能方面有着得天独厚的优越条件一地势海拔高、阴雨天气少、日照时间长、辐射强度高、大气透明度好。

宁夏太阳辐射年际变化较稳定，因地域不同具有一定的差异，其特点是北部多于南部，年平均太阳辐射量南北相差约1000MJ/m2，灵武、同心最大，达6100MJ/m2以上，全区平均达5781MJ/m2以上。

以引黄灌区和中部干旱带的盐池、同心地区太阳辐射较高且分布均匀，年平均太阳辐射量稳定在5860MJ/m2-6100MJ/m2之间，是宁夏太阳能资源最丰富的地区，也是我国太阳辐射的高能区之一。

南部的固原地区年辐射量相对较少，年平均太阳辐射量在4950MJ/m2-5640MJ/m2之间。

银川气象站光资源资料

2001～2006太阳总辐射量（单位MJ/m2月）

2001

2002

2003

2004

2005

2006

月

日照

百分率

日照

百分率

日照

百分率

日照

百分率

日照

百分率

日照

百分率

1

187.6

62

191.9

63

220.2

67

164.3

54

165.2

55

94.4

31

2

199.7

64

186.0

62

190.2

64

224.5

67

171.6

57

205.5

69

3

206.8

67

233.3

63

194.8

53

224.5

61

262.0

71

245.5

67

4

198.3

57

228.0

58

209.9

53

271.1

69

273.7

70

245.8

62

5

332.9

67

293.2

66

258.1

59

278.9

63

282.2

64

279.2

64

6

302.2

68

293.2

66

174.8

62

278.9

63

293.3

66

304.6

69

7

297.9

67

302.3

67

240.9

53

285.9

64

262.7

58

230.2

51

8

294.8

63

285.4

68

222.3

53

231.8

63

253.9

60

255.6

61

9

172.1

57

189.2

51

215.0

58

229.9

62

216.4

58

213.4

57

10

234.2

71

243.6

71

204.9

69

232.1

67

225.1

65

206.2

75

11

217.6

71

228.9

76

140.8

46

188.0

62

214.2

71

189.5

63

12

171.8

61

128.9

35

178.8

61

139.7

49

193.1

66

141.9

48

合计、平均

2816

65

2804

63

2451

58

2750

62

2813

63

2612

60

二、光伏并网系统方案设计

2.1光伏发电系统设计原则

光伏系统（方阵）与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。

由于光伏系统（方阵）与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。

光伏系统（方阵）与建筑的集成是BAPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。

光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求，同时还要兼顾建筑的基本功能要求。

DGJ32/J87-2009《太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程》；

2.2光伏阵列设计

方案拟采用多晶硅太阳能电池组件280Wp（以最终设计为准）。

多晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，稳定性好，寿命长，与同等容量太阳能电池组件所占面积小，价格低廉，因此多晶硅太阳能电池组件已在光伏市场占主导地位，得到大量推广应用。

逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。

在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：

1）接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。

2）需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的光伏阵列的Vmp应在逆变器MPPT范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。

2.2.1光伏阵列的间距设计

为保证项目建设的示范效果及整个光伏发电系统的经济性，经对区域安装太阳能光伏电池组件进行分析，利用区域空闲面积作如下光伏组件安装、布置方案分析：

根据当地的阳光照射条件，应考虑阳光照射强度最大的时间段，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。

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（0.648cosφ-0.399sinφ）]

式中：

φ为纬度（在北半球为正、南半球为负），银川纬度取北纬38.5；H为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。

2.2.2光伏阵列的支架安装设计

项目安装场址一般为建筑平坦或有一定倾角的水泥屋面，光伏支架基础初步采取钢筋混凝土独立基础2x4（2行4列）。

项目采用的支架系统。

主体受力部件采用定制的钢铝材料，并配套相应的卡块、底座、铰接头，使安装现场无需二次加工及焊接，安装人员采用几件简单的工具即可完成全部安装工作，施工安装快捷简便并易于维护。

2.2.3屋面负荷分析

应根据屋面实际情况进行分析，再结合当地气候信息条件综合分析屋面承重能力，包括风荷载、雪荷载和恒荷载，配合光伏支架系统的优化设计，减少光伏组件本身对屋面施加的压力，使得屋面承重能力大大提高。

2.3光伏并网发电系统

方案中的光伏并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、交流汇流箱、计量装置及配电系统组成。

太阳能能量通过光伏组件转化为直流电力，再通过并网逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网。

在太阳能电池组件按配置串联设计形成光伏串列后直接接到并网逆变器的输入端，逆变器的输出交流侧通过交流配电箱或计量表并入用户侧低压电网。

另外，系统可配置1套监控装置，可采用RS485或Ethernet（以太网）的通讯方式，实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。

下图是光伏发电系统框图。

2.4并网逆变器

2.4.1技术要求

（1）单台智能逆变器的最大输出功率为40kW。

（2）智能逆变器具有极性反接保护、短路保护、过载保护、恢复并网保护、孤岛效应保护、过温保护、交流过流及直流过流保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠压、电网过欠频、低电压穿越、光伏阵列及智能逆变器本身的绝缘检测、残余电流检测及保护功能等。

（3）智能逆变器的每路直流输入电缆线径为4mm²或6mm²的光伏专用电缆，并网逆变器交流总输出支持3*10mm²多股硬线，支持无N线输出三相三线系统。

（4）智能逆变器采用太阳电池组件最大功率跟踪技术（MPPT）。

（5）智能逆变器具有有功功率输出控制功能，并能远程控制。

（6）智能逆变器能够自动化运行，运行状态可视化程度高。

（7）智能逆变器具有故障数据自动记录存储功能。

（8）噪音水平（dB）：

小于30dB（检测点与设备水平距离1m处测量）

（9）逆变器统计及上报数据：

输入各路组串电压，电流，各路MPPT总功率，输出电压，电流，电网频率，功率因数，有功功率，无功功率，逆变器温度，当天发电量，总发电量，逆变器效率，开机时间，关机时间等。

（10）逆变器远程控制支持：

开机/关机、功率因素设置、有功功率设置、无功功率设置。

（11）智能逆变器第三方认证测试报告

a）金太阳认证测试和报告

b）国家电网出具的零压/低电压穿越报告

c）国家电网出具的谐波测试报告

2.4.2技术参数

产品型号

SUN2000-40KTL

效率

保护

最大效率

98.80%

输入直流开关

支持

欧洲效率

98.40%

防孤岛保护

支持

输入

输出过流保护

支持

最大输入功率

40800W

输入反接保护

支持

最多输入电压

1000V

组串故障检查

支持

最大输入电流

23A

直流浪涌保护

类型Ⅱ

最低工作电压

200V

交流浪涌保护

类型Ⅱ

MPPT电压范围

500-800V

绝缘阻抗检查

支持

额定输入电压

680V

RCD检测

支持

输入路数

6

常规参数

MPPT数量

3

尺寸/宽*高*厚

550*770*270mm

输出

重量

49kg

额定功率

36000W

工作温度

-250C～+600C

额定输出电压

3*277/480V

冷却方式

自然对流

输出电压频率

50/60Hz

相对湿度

0～100%

最大输出电流

48A

输入端子

AmphenolH4

功率因数

0.8超前..0.8滞后

输出端子

防水PG头+OT端子

最大谐波失真

＜3%

防护等级

IP65

显示与通信

夜间自耗电

＜1W

显示

LED

拓扑

无变压器

RS485

支持

噪音系数

29dB

USB

支持

PLC

选配

2.5监控系统设计

光伏逆变器集中监控系统是对一个区域内的所有逆变器进行集中监控，监控途径可分为电脑端网页监控或者通过手机客户端进行监控。

用户通过手机客户端监控软件可以随时随地监控，客户打开手机的无线数据（GPRS）或者WIFI连接到能上网的路由器，开启监控软件即可查看逆变器的数据。

而在电脑端，用户不需要安装监控软件，通过浏览器登录相应的IP地址，输入帐户名即可查看数据。

以下是集中监控软件的应用框图：

ZigBee无线通信系统

光伏逆变器ZigBee无线通信是把逆变器数据通过无线设备传输到采集器上，适用于一个区域内多台逆变器的集中监控。

采用ZigBee无线通信，数据采集器端需要安装一台Zigbee无线协调器，光伏逆变器里已内置ZigBee无线模块，用户只需通过界面设置无线参数，使逆变器连接到无线协调器上，组成无线网络即可进行数据传输。

以下是ZigBee无线数据传输的框图：

三、系统效益分析

3.1经济效益分析

（1）年发电量估算

多晶硅组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，光伏组件的光电转换效率衰减速率为第2年不超过3％，10年不超过10％，25年衰减不超过20%。

按宁夏地区年平均有效发电日辐照量为4.606（kWh/m2.a），平均年有效发电辐照量1640（kWh/m2.a）计算。

平均年有效发电小时数1642.5小时计算。

例：

银川某分布式光伏装机容量50kW，日常用电电价0.5元。

预测发电量＝系统容量×光伏组件表面辐射量×系统总效率

全年发电量约等于：

50×88%×1642.5=7.227万kWh

（2）年获益

年均电费可节约7.227万kwh×0.5元/kwh=3.6135万元。

可获得国家补贴7.227万kwh×0.42=3.035万元。

年获益=年节约电费+国家补贴

=3.6135+3.035

=6.6485万元

（3）25年总发电量

按照实际装机容量1.29MWp计算的上网年等效利用小时数为：

7.227万kWh÷50kW=1445.4小时

按以上公式计算，按装机容量50kW计算，得出首年发电量为7.227万kWh,

25年总发电量=年发电量x25年—衰减损耗

=7.227x25*（1-20%）

=144.54万kWh，

（4）25年总获益（25年后电站仍可以正常运行创造利润）

25年可获益=年获益x25年x系统效率

=6.6485x25年x80%

=132.97万元

工程静态投资按8元/瓦计算，投资共计40万元，投资回收期约6年。

（5）25年净收益=25年总收益-项目投资金额

=132.97-40

=92.97万元

3.2社会环境效益分析

光伏发电是一种清洁的能源，既不直接消耗资源，同时又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，也不会有废渣的堆放、废水排放等问题，有利于保护周围环境，是一种绿色可再生能源。

太阳能光伏电场生产过程是将太阳能转化为电能，不产生任何污染物，因此太阳能光伏电场的建设代替火电场的建设，可大大减少对周围环境的污染，充分利用可再生的、清洁的自然资源，节约不可再生的化石能源，减少污染、保护人类赖以生存的生态环境，此外还可节约用水，减少相应的废水、废渣和温室气体的排放等，其社会环境效益是非常明显的。

而且，在我国绝大多数地区，日照资源特性比较好，空闲的屋顶较多，安装太阳能光伏系统在屋面，不但可以提高有限的土地资源利用率，同时还能有效地对建筑物实现有效的隔热，另外，随着社会经济发展，能源及环境问题日益引起全社会的关注，可再生能源的开发与利用显得越来越迫切，我国面临着煤、油、电供应全面紧张的局面，能源供应与环境容量一直是社会经济发展的重要制约因素。

开发和利用可再生能源是我国社会经济发展的重要战略举措。

随着《中华人民共和国可再生能源法》及其实施细则的颁布与实施，我国可再生能源开发利用将会出现更好的发展前景，而这种能有效实现可再生能源的并网输电技术必然会得到大规模的推广与应用。

因此，市场潜力巨大，不存在应用技术推广的市场风险。

2013年7月，国务院印发《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，把扩大国内市场、提高技术水平、加快产业转型升级作为促进光伏产业持续健康发展的根本出路和基本立足点，预计2013—2015年，年均新增光伏发电装机容量1000万千瓦左右，到2015年总装机容量达到3500万千瓦以上。

随着国内光伏市场的快速发展，光伏应用必定实现自身更大的发展跨越与技术提升。

四、关于屋顶结构设计的建议

利用闲置屋顶与可再生能源相结合，充分体现现代屋顶与光伏相结合的经济活跃体系。

同时通过示范效应推进光伏产业发展，提高环境效益、经济效益和社会效益。

在银川市建设光伏发电站，可起到良好的宣传节能与环保意识，体现节能与环保身体力行的带头作用。

项目的实施将对于充分挖掘类似闲置屋顶资源的充分利用，实现包括太阳能、风能等可再生能源的低成本规模化开发利用起到重大的示范作用和强有力的社会影响力。

为了降低项目投资建设成本，最大化利用屋顶资源，建议在新建建筑设计图内增加分布式光伏发电项目建设所需基本要求：

（1）屋顶荷载设计为能上人屋顶，屋顶尽量减少遮阴建筑装饰。

（2）安装光伏组件的位置应避开屋顶通风管道、安全通道等设施，设备设施尽量位于屋顶的北边，以增加屋顶有效利用面积。

（3）光伏组件布局距离东西南三面女儿墙有适当的距离，避免女儿墙遮挡，影响发电效率。

4.1斜屋顶结构

坡屋顶角度建议设计30°-350左右。

南侧坡面比北侧坡面长，屋脊线向后移，增大南坡面积，增加分布式光伏发电项目的安装容量。

屋顶设计安装太阳能电池组件的支架基础样式如下图

说明：

基础墩纵向和横向设计成2米间距，基础墩中间预埋U形锚栓。

屋面结构和荷载满足安装太阳能系统，太阳能系统每平米约25kg。

（一）平屋顶结构

下图为基础平面布局图，每个光伏发电单元8个基础（4*2排布），根据屋顶面积规划发电单元数量。

前后排间距为5500mm，左右相连两单元的基础间距为2200mm。

基础立面图

单元基础平面图