分布式电站的优化设计

分布式电站和大型地面电站在总体设计上没有太大的差异。均包括设备选型、电站选址、建筑物布置规划、组件阵列排布设计、电缆选型和走线路由设计、逆变器室以及低压配电室规划设计、电气一次设计和电气二次设计、防雷设计。由于容量大小和接入方式的区别，分布式与地面电站在设计方面还是有一些不同之处。

分布式电站一般都建设在工厂和商业屋顶上。电缆沟槽、变电所、配电间、防雷设备都已经具备往往不需要另外设计。电力接入的一次和二次设计国家电网公司都出台了相应的标准和典型设计。

本章的主要内容从组件阵列的优化设计出发，通过分析同一个工业屋顶在不同组件排布方案下的投资回报。

1.1 太阳能电池组件的安装方式

建筑屋顶常见主要份两类，第一类是水泥混凝土屋顶，第二类钢结构的彩钢瓦屋顶。

水泥混凝土屋顶承重高一般都在150KG以上，通常面积不大;彩钢瓦屋顶面积大，但是承重低往往不超过100KG/㎡，而且需要预留风荷载和雪荷载。

1.1.1彩钢瓦结构的安装方式

彩钢瓦一般用在轻钢结构的建筑物上多见于标准化厂房、仓库。轻钢结构建筑使用了重量很轻的彩钢瓦作为屋顶，跨距可以做的很大。非常适合大规模铺设太阳能电池组件。城市的工业园区都是联片建设的标准化厂房，数量多面积大，往往一次可以建设几十兆瓦的太阳能电站。见图1-1 图1-2为汇流箱和电缆桥架走线安装方式。

彩钢瓦是用薄金属板包裹泡沫板构成，用传统方法无法固定电池组件的支架。需要用专用的“夹具”如图1-3, 图1-4。使用夹具不会破坏原有的结构，不会导致屋顶漏水或者整体结构损坏。

如图1-1所示组件与彩钢瓦屋顶紧贴并平行安装，彩钢瓦屋顶有一定的倾斜角度(<10°)用于排水。10°左右的倾斜角度在我国大部分地区不是最佳倾斜角度，对发电量有一定的影响。

从承重角度考虑：如果按照最佳角度安装，不可避免的要多用支架，增加屋顶重量。从安全角度考虑，按照最佳倾角按装，组件就不能够与屋顶平行，刮风时产生额外风压，形成安全隐患。综上两点，组件只能平铺在彩钢瓦屋顶上。组件的安装数量只于屋顶面积和承重有关，没有优化的意义。

1.1.2水泥屋顶的安装方式

水泥屋顶安装太阳能支架系统都会使用水泥作为支架基础。基础制作有两种方式，现场浇筑水泥基础。如(图1-5)优点：与屋面结合成一体基础牢固水泥用量少。缺点：需要钢筋提前预埋在建筑物屋顶。或者用膨胀螺丝把水泥基础和屋顶连为一体，这样做容易破坏屋顶的防水层，时间长了容易漏水。

另一种方式，需要精确统计项目地点的常年平均风速和不同季节的风向，计算出正风压和负风压。再通过风压大小折算出水泥基础的配重。预先加工好尺寸一致的水泥压块，再运输到现场安装。如图1-6 。

1.1.3 支架系统风压计算

表 1-1

表 1-2

1.2 支架间距计算方式

太阳能方阵必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，应计算确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离，一般的确定原则是：冬至日当天早晨9﹕00至下午3﹕00的时间段内，太阳能电池方阵不应被遮挡。

1.2.1 太阳能电池组件的接线原理

图1-8

目前市场常见的电池组件，通常由60片或者72片电池片串联构成。在接线盒处安装有3个旁路二极管。每个二极管保护20片或者24片电池片。目的是在产生阴影遮挡时，把被遮挡的部分电池片旁路掉，防止被遮挡的电池片变成负载，引起热斑效应。见图1-8

图1-9

图1-9矩形虚线表示阴影遮挡，(a)和(b)分别表示竖放遮挡和横放遮挡。当出现(a)情况时，如果环境影响复合旁路二极管导通条件，那么三个二极管很有可能都将导通，使得整个组件完全不对外输出功率。

(b)情况时即使如果二极管导通，也只会有一个二极管导通，组件只减少1/3的功率输出。

1.2.2不同经纬度地区设计差异

表1-3

表1-3中，选取了3个城市作为比较。其中上海、长春经度接近，纬度不同。哈密长春经度不同，纬度相同。使用的电池组件为300wp多晶硅组件，尺寸1956*992*40mm。其中，前后排组件的距离，为当地冬日那天。09:00-15:00阴影不遮挡的距离。(见图1-7 中距离D)

图1-10可见，高纬度地区与低纬度地区，阴影的长度是不一样的。造成单位容量的太阳能电站占地面积有很大差异。高纬度地区占地多，低纬度地区相对较少。

1.2.3 组件阵列优化设计

分布式电站设计在屋顶上，、而屋顶的面积是一定的。如何合理配置太阳能电池组件需要仔细研究。

1.2.3.1 组件阵列间距优化设计

表1-3中新疆哈密的前后排间距的数据，按冬至日这一天的数据计算得出,是最大值。这一天太阳的高度角最低，影子最长。

本小节使用PVSYST软件中的阴影仿真软件进行模拟。使用1956*992*40mm 300wp 标准尺寸组件;40块组件组成上下2排方阵，共4排。模型中斜面的宽为4M长度为20M。

按照式1-3计算，前后间距(D)为10.5M。

a)D=10.5M 见图1-11(a)2014.12.22冬至日无阴影遮挡

b)D=9.5M 见图1-11(b)2014.12.22冬至日(月)有遮挡，发电量损失0.9%见图1-11(c)11月与1月均无遮挡

c)D=9M 见图1-11(d)2014.12.22冬至日(月)有遮挡，发电量损失1.6% ;11月与1月有遮挡，当月发电量损失1%。

该模型装机容量一共48KW，依据PVSYST软件仿真的数据，12月的入网电量(E-Grid)为6256Kwh。

图1-12

如果电站的铺设方案按照D=9.5米实施，12月损失电量为56.3kwh，其他月份无影响。可节约20㎡的屋顶空间。可增加2kw的容量。至少可以多发电2044kwh。

如果电站的铺设方案按照D=9米实施，1月、11月、12月损失电量为189kwh，其他月份无影响。可节约30㎡的屋顶空间。可增加2.5kw的容量。至少可以多发电2555kwh。

1.2.3.2 组件倾角设计的优化方式

目前在工程设计上使用的最佳倾角，都和当地纬度相似或者相等。见表1-3

最佳倾角是一个平均值，并不是每个季节、月份都是最佳。同样以哈密地区的气象数据为例。哈密地区春夏季节为4-9月最佳倾角为30°，10月-次年3月为秋冬季节，最佳倾角为60°

表1-4

依据上表1-4数据，哈密地区的0°-60°的数据太阳能辐照度数据。43°时最大，30°时比43°时少46kwh/㎡/a

表1-5可见发电量减少了1.8%,哈密属于2类地区执行0.9元的光伏上网电价。

20年的电费收益减少了54.9万。倾角43°时组件支架经受的风压大于30°时。所以30°倾角的用钢量小于43°倾角。由于哈密地区的风速高，大风持续时间长。设计30°倾角有利于电站的整体安全。

1.3 设计案例

项目地点位于江苏省泰州市，屋顶面积约1万平米，可利用面积7000平米。建筑物净高19米，女儿墙高2.7米。

泰州市气象数据

表1-6

1.3.1 主要设备选型

太阳能电池组件：

由于该项目为自发自用项目，组件使用业主自产优质电池组件。型号为ET-M672300WW

表1-7

并网逆变器选择：

由于配电设备间较小，厂区内也无额外空间，无法安放大型集中式逆变器。本项目选择上海兆能TRM025LTL组串式逆变器。

表1-8

泰州极寒气温为零下10℃，按照电池组件的温度系数-0.31%，如果用20个300wp组件串联，开路电压降超过1000Vdc。极端条件下容易损环逆变器。所以采用18个组件串联，组成一个最基本的方阵单元。

支架选材：

该项目屋顶为水泥浇筑。每平米承重200kg。从经济角度出发，选择热镀锌不锈钢支架。

依据图1-14设计计算，每个基本方阵的用钢量为108公斤。

水泥配重计算：

泰州地区的最佳倾角为29°，支架按30°倾角设计。经软件仿真发电量只有0.5‰的差距，发电量损失可以忽略不计。依据式1-1 计算：

逆风风压 W=11497N;组件+支架重力 G=5814N

考虑抗滑移，抗倾覆等因素后，需要C35商品混凝土配重负荷4978N,质量497千克.

C35商品混凝土密度为2400KG/m³

综上计算：使用250mm*250mm*200mm混凝土配重块18块可以满足施工要求。

组件阵列排布设计

该项目总装机容量为432kw 1440块300wp组件。

图1-14

由于屋顶跨度较大，建筑结构的伸缩缝较多。混凝土基础要避开伸缩缝。屋面的通风、空调冷却管道需要注意避开，还要为其预留检修通道。

按照计算，组件前后间距应为2米。该项目在设计时采用了1.8米，2.2米，2.5米三种间距。其中按照1.8米设计的阵列有6排，受阴影遮挡的阵列共5排容量135kw。

发电量损失约为0.7%。阴影在午后14:40分(冬至日、月)左右产生。

图1-15

电气一次设计：

整个系统共使用20台逆变器，每个逆变器有2路MPPT.每2路组件通过专用连接器输入一路MPPT.每台逆变器接入72块组件。

组串式逆变器系统在直流侧连不使用直流汇流箱，在交流侧使用交流汇流箱。该项目使用 4台5进一出一级汇流箱，1台二级汇流箱。系统示意图见图1-16

小结：本章主要用PVSYSYT软件和NASA气象数据库进行了光伏系统仿真实验。实验了同一个分布式项目在不同倾角、不同方阵间距条件下发电量的不同。得出以下结论：在设计分布式电站时需要因地制宜。适当的调整最佳倾角和前后间距，可以节省屋顶可利用面积增加安装容量。在方案设计中利用软件进行辅助计算，可以让设计更加精确科学。

文章作者：张喆