光伏屋顶项目发电系统设计与分析

光伏屋顶项目发电系统设计与分析

【摘要】为了提高自然资源的利用率，促进能源节约型社会的实现，本文对光伏屋顶项目发电系统设计进行了研究，希望通过本文的设计与分析能够使该项目与技术得到推广。

【关键词】光伏屋顶太阳能发电系统

光伏建筑一体化发电技术是将太阳能光伏发电与建筑结合在一起。城市太阳能光伏发电中光伏建筑一体化发电占整个太阳能发电的比例较大

一、光伏屋顶项目发电系统简介

1、系统工作原理

光伏并网功率调节器由 6 台德国 SMA 公司生产的SMC10000TL 组成，每台输出额定交流电压 220V-240V，6 台分成 3 组，组成三相交流电；使用 3 台蓄电池型逆变器 SI5048 为蓄电池组充电，充电时从电网取电，当电网停电时输出额定交流电压 230V 的交流电，3 台 SI5048 组成三相交流电；当电网白天停电时，靠近电网一侧的 3 台 SMC10000TL 停止工作输出，3 台蓄电池型逆变器 SI5048 立即为电网送电，靠近负载一侧的 3 台 SMC10000TL 检测到电网有电，也同时为负载供电；在光伏电站日光很弱或夜间不能发电时，当电网停电，则只有 3 台 SI5048 为负载供电。

本方案特点：设备采用世界著名的 SMA 公司的最成熟的功率调节器；系统采用模块化设计；功率调节器与蓄电池型逆变器与电网连接并联运行，可更充分发挥系统的作用；系统效率高，电能品质好。

图1 光伏并网发电系统原理图

2、光伏并网发电系统

与独立的光伏发电系统相比，并网发电系统有很多好处，首先不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由电网来接收太阳能所发出的全部电能，减少了功率损失。

二、太阳能光伏发电系统的构成

1、太阳能电池方阵及架台

太阳能电池方阵是由太阳能电池组件按照 16 块串联后形成 1 组，根据容量要求每 5 组并联组成一整体组，由架台支撑分别分布在 3 个楼的楼顶（每个楼顶面积均约 500m2），组件数量：240（块），方阵总功率：50.4kWp。

太阳能电池方阵架台：为防止用于室外支撑太阳能电池的架台受到腐蚀而威胁到整个太阳能发电系统的安全运行，采用角钢、槽钢热镀锌处理后作为太阳能电池方阵的架台。由于太阳能电池方阵的占地面积较大，考虑到当地会有瞬时的大风，将方阵分成若干个单元（由 16 块组件按照上、下顺序摆成 1 列）再根据现场面积横向扩展，单元之间及与安装地面留有通风间隙，这样可以将方阵的受力减轻。

2、太阳能电池方阵接线箱

接线箱安装在室外，采用的是防水、防尘设计，箱体内外全部喷涂高密度室外防锈底漆及表面防锈漆，接线箱门的左侧为箱门锁，可以防止非专业人员随意打开进行操作，从

而保证了系统的安全运行。

在门的四周有防水及防尘的橡胶密封圈，此橡胶具有抗室外高温及气体腐蚀，能够有效地阻止外界的水和尘土的侵入。箱门内附一个图纸盒，可以将接线箱的原理图和接线图放入其中，以便维护人员查阅和维修。另外，接线箱门内还附有注意事项和铭牌标签，可以提醒操作人员，以免损伤自己或设备。

在接线箱的底部，太阳能电池串联分路的正、负电缆通过带橡胶护套的进线孔引入，输入到对应的分路空开入口，分路空开的出口安装有一个截止二极管模块，它能够防止在日射量小时外部的直流电通过方阵的太阳能电池组件短路，避免组件损坏。由输出空开将太阳能电池方阵的电能送出给逆变器。接线箱内部的接有一块浪涌吸收板，它能够将正负极之间、正负极对地的瞬时尖峰脉冲（由于闪电，切换时产生的电涌）吸收掉，这样可以保护太阳能电池组件和其它元器件免于受到过电压的损害。

3、蓄电池型逆变器

根据输入电源的类型，逆变器一般分为电压源式和电流源式两类。在实际应用中，要根据具体的应用环境选择哪种类型。其控制方式可分为：电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四类。用电流源作为输入需要串入电感，但电感线圈体积较大而且动态响应较差，所以一般采用电压源作为输入电源。蓄电池型逆变器（型号为 SI5048）的外形见图 2。

图2蓄电池逆变器

4、蓄胶体电池组

系统中采用了 24 只蓄电池，采用蓄电池巡检仪来对蓄电池组的每一只电池进行在线测量，本项目拟选用上海顺盟电子科技有限公司的 SMXJ925 型蓄电池巡检仪具有在线自动检测报警功能，还具有 RS232/RS485 信号远传通信功能，将检测值及故障情况的信息内容通过信号线上送，通信规约可以根据上位机的要求定制。主要功能：实时采集单体电池电压；实时采集电池组电压；实时采集电池组电流；实时采集电池组环境温度；自动更新电池组剩余电量；自动判断单体电池健康等级；自动提示报警信息；网络化远程监测。

5、交直流配电柜

交直流防雷配电柜含直流空开、交流空开、防雷器、三相电度表等，以保证发电系统安全运行、对外不产生电气污染以及隔离外部设备对功率调节器的干扰，并且符合国家相关的并网安全标准。

6、计算机软件系统的运用

Sunny Boy Control能够长期存储系统运行数据，适用于小规模的光伏发电系统，也适用于兆瓦级的大型光伏发电站。Sunny Boy Control耗电很小，可记录250 个数据通道。将Sunny Boy Control连接到计算机上，就可以分析运行数据(利用 Sunny Data Control和 Excel 软件)。另外，还可以连接外置显示大屏以供户外显示系统运行情况。Sunny Boy Control 与逆变器之间的通讯可通过电缆（电力载波）或 RS485 来实现。

每台Sunny Boy Control最多可监测50台不同功率级别的Sunny Boy逆变器。在较大规模的光伏发电系统中，还可以通过并联多台Sunny Boy Control 来实现对整个光伏系统的监测。

Sunny Boy Control 能够将每日/每小时的发电站运行情况和故障信息通过邮件或传真及时发送给用户，从而快速检测电站系统可能出现的故障。要实现此目标，只需要在Sunny Boy Control上配置网络适配器，或者连接外置调制解调器，即可通过在计算机上安装Sunny Data Control软件，随时随地对光伏电站系统的当前运行状况和发电量进行监测。

三、屋顶光伏发电系统的保护

屋顶光伏组件的输出电流经汇流箱、逆变器、并网柜后，可直接作为电源驱动负荷。亦可切换到外部三相电网，实现小型光伏并网系统的运行。为保证系统安全可靠运行，还需要综合设计防雷系统、保护系统、测控系统等配套设施。

1、防雷系统设计

雷电主要有直击雷和感应雷2种。直击雷是指直接落到太阳能电池阵列、电气设备等上面或附近的雷击，防直击雷主要依靠避雷针。该系统处于屋顶四周女儿墙的下方，设计采用将光伏系统的所有钢结构与屋顶的防雷网相连，以达到防直击雷的目的。感应雷主要由电磁感应或静电现象产生，感应雷产生的电磁浪涌会损坏电气设备，甚至引起火灾，根据SJ/T1127的相关规定，该系统通过在直流接口设备、并网逆变器、交流配电柜的各输入端口设置浪涌保护器来防护侵入系统的感应雷电。

2、保护及测控系统配置

该设计采用的逆变器具有RS232/RS485和以太网通信功能，系统的电流、电压、发电量等参数可以由通信方式实时获得，该逆变器还具有对系统直流、交流两侧开关的手动/

遥控分断和保护功能，以及先进的孤岛效应检测和防护功能。逆变器保护范围以外，如汇流箱的输入开关、并网变压器开关等设备，设计中也配置了断路保护器、状态监视器等设施，从而保证了全系统的安全稳定运行。

结束语

近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染，它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势。由于许多国家的政府（如美国、德国）都制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20％的计划，相信这种“零能房屋”将会有十分良好的发展前景。

参考文献

[1] 陈刚,姬鸿,王勇. 太阳能光伏发电系统设计[J]. 智能建筑电气技术. 2011(02)

[2] 李世民,花亚萍. 屋顶光伏发电系统的设计和安装指南[J]. 阳光能源. 2010(02)

[3] 曹莹. 家用太阳能光伏发电系统设计[J]. 机电工程. 2011(01)