光伏初步设计

开发利用可再生能源是国家能源发展战略的重要组成部分，增加新能源是未来发展 的趋势，项目所在地太阳能资源条件较好，非常适合建设光伏电站。基于本地地理环境 光照资源好，开发利用太阳能资源建设光伏电站具有得天独厚的优越条件和广阔的前景，符合国家产业政策。

二、工程规模

本项目拟利某厂区厂房屋顶安装分布式屋顶光伏，光伏系统容量为 5MWp，运行方式为自发自用余电上网。本工程分为光伏发电系统，高压接入系统与控制中心等要素组成。光伏发电系统主要由太阳电池阵列、逆变器及升压系统三大部分组成，其中太阳电池阵列及逆变器组合为发电单元；高压接入系统主要由高压开关柜及相关微机保护装置组成；控制中心主要负责光伏系统与用户负荷间的协调运行，系统由控制中心集中控制，统一调度。

三、总体方案

本项目建设总容量 5MWp，光伏所发电能首先满足厂区生产使用，余电上网。

四、项目范围

该项目本阶段的主要研究范围包括：

（1） 确定项目任务和规模，并论证项目开发必要性及可行性。

（2） 确定光伏组件及逆变器的型式及主要技术参数，光伏阵列设计及布置方案，

并计算光伏系统发电量。

（4）拟定工程总体布置，建筑结构形式、布置和主要尺寸，拟定土建工程方案和工程量。

五、逆变器

（1） 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 以上。

（2） 按输出相数分类

按并网逆变器的额定输出功率、输入光伏组串数量、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组串型逆变方案两种。

a. 集中型逆变方案

集中型逆变方案是指并网光伏发电系统通过集中型并网逆变器将太阳电池方阵输出的直流电能转换为与低压电网在电压上同频、同相、幅值相同，且三相平衡的三相交流电能。集中型逆变器的单机容量一般由 10kW 至几百 kW 不等。

集中型逆变器具有功率大、体积大、重量重、发热量大、IP 防护等级不高的特点，一般设计成标准电气柜体或箱体，室内安装。

b. 组串型逆变方案

组串型逆变方案是指并网光伏发电系统通过组串型并网逆变器将太阳电池方阵输出的直流电能转换为与低压电网在电压上同频、同相、幅值相同的单相交流电能。组串型逆变器的单机容量一般由几十瓦不等。

组串型逆变器具有功率小、体积小、重量轻的特点，按安装条件的不同可分为 IP防护等级高、室外安装，或 IP 等级较低、室内安装两种类型。

c. 集中型与组串型逆变方案的比较

集中型逆变方案接入的太阳电池组串数较多，适用于：太阳电池方阵由同一规格、型号的太阳电池组成；各太阳电池的安装倾角、方位角，及受光情况均一致；控制室内有足够空间安装集中型逆变器等应用场合。

单台组串型逆变方案接入的太阳电池组串较少，通常为 1～3 条，适用于：太阳电池方阵由两种以上型号、规格的太阳电池组成；太阳电池的受光情况略有差异（如部分太阳电池可能受到阴影遮蔽）；控制室面积有限、无法安装集中型逆变器等应用场合。

组串型逆变方案的优点还体现在逆变效率略高于集中型逆变器。但是单位额定功率的成本略高，同时组串型逆变方案的优点体现在系统组成方式灵活、冗余性好（单台组串型逆变器发生故障停机后，对整个并网光伏发电系统的能量输出影响很小）。

综合现场条件等多重因素，推荐选择中功率组串型逆变器，利于提高逆变效率、提升光伏电场整体效率，且组串型逆变器可就近安装，节省空间。

六、光伏组件

目前国内已经实现工业化生产的且工艺比较成熟的太阳能电池有：单晶硅太阳能电

池、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池和双玻太阳能电池。

（1） 单晶硅、多晶硅太阳能电池

目前国内外使用最普遍的是单晶硅、多晶硅太阳能电池，而且国内的光伏组件生产也主要是以单晶硅、多晶硅太阳能电池为主。商业化的多晶硅电池片效率一般在 14-16％左右，单晶硅电池片电池效率在 15-18％左右。

自从太阳能电池诞生以来，晶体硅作为基本的电池材料一直保持着统治地位。但是晶体硅太阳能电池的成本较高，通过提高电池的转化效率和降低硅材料的生产成本，以提高硅材料太阳能电池的效益，成为世界光伏技术的主流，世界各国也在此取得诸多新的进展。

图 6-1 组件布置示意图

图 6-2 柔性组件布置示

（2） 非晶硅太阳能电池和双玻太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶 硅太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为 1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳 能电池的转换效率，目前电池转化效率一般在 5%-9%。此外，其光电效率会随着 光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退 S～W 效应，使得电池性能不稳定， 衰减较快。非晶硅薄膜太阳能电池由于具有较低的成本、重量轻、高温性能好、弱光响应好，光电效率高（非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，在实际 使用中对低光强光有较好的适应等特点），有着极大的潜力，在未来 5-10 年后，有望逐渐扩大其市场份额。

双玻组件系由两片玻璃与电池所组成的光伏组件，取代传统组件的背板与铝框结构。早期采用的光伏玻璃难以在价格、强度、重量、透光度等要素之间取得平衡，因此并未有大规模量产；但随着近年来的光伏玻璃技术增进，已能产出价格较实惠、强度够且又不会太厚重的产品，提升了光伏组件的品质。双玻组件因采用两面光伏玻璃，因此能大幅提升抗水、抗腐蚀、抗锈、防火、防风砂磨损等性能，使其泛用性提高。组件所采用的 EVA 树脂及电池网印的银线搭配双玻组件时，可有效避免因水气造成的变质，因此组件的发电功效衰减率降低、PID 与蜗牛纹等问题也随之下降，可维持光伏组件的稳定品质。

图 6-3 发电系统图

（3） 几种常用的太阳能电池技术性能比较

通过对集中类型电池技术进行对比：

a. 晶体硅太阳能电池组件技术成熟，且产品性能稳定，使用寿命长。 b. 商业用化使用的太阳能电池组件中，单晶硅组件转换效率最高，多晶硅其

次，但两者相差不大。

c. 晶体硅电池组件、刚性非晶硅组件故障率极低，运行维护最为简单。

d.晶体硅光伏组件、刚性非晶硅组件安装简单方便。

e.非晶硅薄膜电池在价格、弱光响应，高温性能等方面具有一定的优势。 f.双玻组件双玻组件的透光性较佳，可允许较多阳光穿透，能产生比传统组 件更高的助益。其透光特性也让双玻组件更适合与一般建筑物整合，能兼顾发电、美观以及采光。

图 6-4 水泥屋顶效果图

图 6-5 效果示意图

6.1 阵列安装方式

对于光伏组件，不同的安装角度接受的太阳光辐射量是不同的，发出的电量也就不同。安装支架不但要起到支撑和固定光伏组件的作用，还要使光伏组件最大限度的利用太阳光发电。安装方式主要有：固定式、单轴跟踪和双轴跟踪等。

（1） 固定式

光伏组件的安装，考虑其经济性和安全性，目前技术最为成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定式安装。由于太阳在北半球正午时分相对于地面的倾角在春分和秋分时等于当地的纬度，在冬至等于当地纬度减去太阳赤纬角，夏至时等于当地纬度加上太阳赤纬角。如果条件允许，可以采取全年两次调节倾角的方式，也就是说在春分～夏至～秋分采用较小的倾角，在秋分～冬至～春分采用较大的倾角。

（2） 单轴跟踪

单轴自动跟踪器用于承载传统平板光伏组件，可将日均发电量提高 20~35%。如果单轴的转轴与地面所成角度为 0 度，则为水平单轴跟踪；如果单轴的转轴与地面成一定倾角，光伏组件的方位角不为 0，则称为极轴单轴跟踪。对于北纬 30~40 度的地区，采用水平单轴跟踪可提高发电量约 20%，采用极轴单轴跟踪可提高发电量约 35%。但与水平单轴跟踪相比，极轴单轴跟踪的支架成本较高，抗风性相对较差，一般单轴跟踪系统多采用水平单轴跟踪的方式。

（3） 双轴跟踪

双轴跟踪是方位角和倾角两个方向都可以运动的跟踪方式，双轴跟踪系统可以最大限度的提高太阳能电池对太阳光的利用率。双轴跟踪系统在不同的地方、不同的天气条件下，提高太阳能电池发电量的程度也是不同的：在非常多云而且很多雾气的地方，采用双轴跟踪可提高发电量 20~25%；在比较晴朗的地方，采用双轴跟踪系统，可提高发电量 35%~45%。

（4） 安装方式的比较

对于跟踪式系统，其倾斜面上能最大程度的接收的太阳总辐射量，从而增加了发电量，但考虑：

a. 跟踪系统自动化程度高，但目前技术尚不成熟，尤其是在沙尘天气时，其

传动部件会发生沙尘颗粒侵入，增加了故障率，加大运营维护成本，使用寿命较短；

b. 跟踪系统装置复杂，国内成熟的且在本区域验证的产品很少，并且其初始

成本较固定式安装高很多。

c. 采用自动跟踪支架，对于极轴单轴跟踪和双轴跟踪，方阵间距除考虑排间

距离要求外，各支架子单元东西向距离需考虑跟踪角变化时的阴影影响，则光伏发电生产区面积需增大，约为固定支架安装的 2~3 倍。

(5)柔性组件

柔性组件依据不同的安装条件有不同的安装方式：平整的屋面或者梯形彩钢瓦等可以直接采用胶粘的安装方式；对于不平整的安装场景， 如角驰型或者直立锁边型彩钢瓦可以借助单独的支架系统进行安装。 支架一般采用耐腐蚀、不易变形的铝合金等材料；对于柔性组件， QHES 版型，两块相邻组件安装间隔建议在 10～35mm 之间；NHES 版型， 两块相邻组件间隔建议在 10～20mm之间。

由于本工程为彩钢屋顶分布式光伏电站，采用固定式光伏发电方阵布置方式，具有电池板布局整齐美观，站区分区明确，设备编号和管理方便，运行和检修维 护方便等优点。

七、土建设计

本次项目建设光伏系统总容量 5MWp。其中在水泥屋顶及车棚采用 550Wp

高效单晶硅组件，在钢结构屋顶采用 380Wp 轻柔组件，光伏组件共计约 12758 块，其中普通单晶硅组件 929 块，轻柔组件 11827 块。

7.1 光伏支架设计

光伏支架应结合工程实际选用材料设计结构方案和构造措施,保证支架结构在运输、安装和使用过程中满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求。光伏支架材料宜采用钢材材质的选用和支架设计应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017 的规定。支架应按承载能力极限状态计算结构和构件的强度、稳定性以及连接强度,按正常使用极限状态计算结构和构件的变形。按承载能力极限状态设计结构构件时，应采用荷载效应的基本组合或偶然组合。

7.1.1 一般规定

光伏支架结构安全等级为三级，结构重要性系数取 0.95。计算支架及基础的荷载取值：

光伏组件自重：0.15kN/㎡；TPO 防水自重：0.017kN/㎡；风荷载：0.65kN/ ㎡（50 年一遇）；雪荷载：0.45kN/㎡（50 年一遇）。气温：-29℃~36℃（安装温度假定为 10℃）支架采用 Q235B 热镀锌钢材和 6063-T5 铝合金。

7.1.2 支架计算的荷载组合

风荷载、雪荷载和温度荷载按现行国家标准《建筑结构荷载规范》 GB50009-2012 中 50 年一遇的荷载数值取值。屋顶支架风荷载的体形系数取 1.3。无地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值按下式计算：

SGSGKwwSwKssSsKttStK

式中：S—荷载效应组合设计值； G—永久荷载分项系数；

SGK—永久荷载效应标准值；SwK—风荷载效应标准值；SsK—雪荷载效应标准值；StK—温度作用效应标准值；

w、s、t—风荷载、雪荷载和温度作用的分项系数，取 1.4；

w、s、t—风荷载、雪荷载和温度作用的组合值系数。无地震作用效应组合时，位移计算采用的各荷载分项系数均取 1.0；承载力计算时，无地震作用荷载

组合值系数应符合下表的规定。

无地震作用荷载组合值系数

荷载组合

w

s

t 0.6

永久荷载、风荷载和温度作用

1.0

— 1.0

永久荷载、雪荷载和温度作用

—

0.6 1.0

永久荷载、温度作用和风荷载

0.6

— 0.6

永久荷载、温度作用和雪荷载

— 1.0

注：表中“—”号表示组合中不考虑该项荷载或作用效应。有地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值应按下式计算：

式中：S—荷载效应和地震作用效应组合设计值；

Eh—水平地震作用分项系数； SEhK—水平地震作用效应标准值； W—风荷载的组合值系数，应取0.6；

t—温度作用的组合值系数，应取0.2；有地震作用效

应组合时，位移计算采用的各荷载分项系数均应取1.0；承载力计算时，有地震作用组合的荷载分项系数应符合下表的规定。

有地震作用荷载组合值系数

支架计算主要控制参数：

钢支架及构件的变形应符合下列规定：风荷载取标准值或在地震作用下，支 架的柱顶位移不应大于柱高的 1/60。受弯构件的挠度容许值不应超过下表的规定。

受弯构件的挠度容许值受弯构件

受压和受拉构件的长细比限值

7.2 支架设计

双层彩钢板屋面：

利用钢结构夹具支撑在屋顶的彩钢板肋条上。平面布置如图:

图中所示组件数量按实际屋面布置，不仅限于 5 块一组。彩钢板与导轨连接节点下图所示:

图 7-1 不同形式固定件下的局部安装示意图

该施工方案的编制人员是施工工程的设计师，必须树立“安全第一”的思想，从施工图纸开始就必须认真考虑施工安全问题，尽可能地不给施工和操作人员留下隐患，编制人员应当充分掌握工程概况、施工工期、场地环境条件，根据工程的特点，科学地选择施工方法、施工机械、变配电设施及临时用电线路架设，合理地布置施工平面。安全施工涉及施工的各个环节，因此，工程施工方案编制人员应当了解施工安全的基本规范、标准及施工现场的安全要求，如《农村低压申力技术规程》、《农村低压电气安全工作规程》等，还必须熟悉相应的专业技术知识以后，才能在编制工程施工方案时确立工程施工安全目标，使措施通过现场

人员的认真贯彻达到目标要求。

施工方案编制人员，还必须了解施工工程内部及外部给施工带来的不利因素，通过综合分析后，制定具有针对性的安全施工措施，使之起到保证施工进度，确 保工程质量和安全、科学、合理、有序地指导施工的作用。