分布式電站和大型地面電站在總體設(shè)計(jì)上沒有太大的差異,。均包括設(shè)備選型,、電站選址、建筑物布置規(guī)劃,、組件陣列排布設(shè)計(jì),、電纜選型和走線路由設(shè)計(jì)、逆變器室以及低壓配電室規(guī)劃設(shè)計(jì),、電氣一次設(shè)計(jì)和電氣二次設(shè)計(jì),、防雷設(shè)計(jì)。由于容量大小和接入方式的區(qū)別,，分布式與地面電站在設(shè)計(jì)方面還是有一些不同之處,。
分布式電站一般都建設(shè)在工廠和商業(yè)屋頂上。電纜溝槽,、變電所,、配電間、防雷設(shè)備都已經(jīng)具備往往不需要另外設(shè)計(jì),。電力接入的一次和二次設(shè)計(jì)國家電網(wǎng)公司都出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和典型設(shè)計(jì),。
本章的主要內(nèi)容從組件陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，通過分析同一個(gè)工業(yè)屋頂在不同組件排布方案下的投資回報(bào),。
1.1 太陽能電池組件的安裝方式
建筑屋頂常見主要份兩類,，第一類是水泥混凝土屋頂，第二類鋼結(jié)構(gòu)的彩鋼瓦屋頂,。
水泥混凝土屋頂承重高一般都在150KG以上,，通常面積不大,；彩鋼瓦屋頂面積大，但是承重低往往不超過100KG/㎡,，而且需要預(yù)留風(fēng)荷載和雪荷載,。
1.1.1彩鋼瓦結(jié)構(gòu)的安裝方式
彩鋼瓦一般用在輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑物上多見于標(biāo)準(zhǔn)化廠房、倉庫,。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑使用了重量很輕的彩鋼瓦作為屋頂,，跨距可以做的很大。非常適合大規(guī)模鋪設(shè)太陽能電池組件,。城市的工業(yè)園區(qū)都是聯(lián)片建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化廠房,，數(shù)量多面積大,，往往一次可以建設(shè)幾十兆瓦的太陽能電站,。見圖1-1 圖1-2為匯流箱和電纜橋架走線安裝方式。
彩鋼瓦是用薄金屬板包裹泡沫板構(gòu)成,，用傳統(tǒng)方法無法固定電池組件的支架,。需要用專用的“夾具”如圖1-3, 圖1-4。使用夾具不會(huì)破壞原有的結(jié)構(gòu),，不會(huì)導(dǎo)致屋頂漏水或者整體結(jié)構(gòu)損壞,。
如圖1-1所示組件與彩鋼瓦屋頂緊貼并平行安裝，彩鋼瓦屋頂有一定的傾斜角度（＜10°）用于排水,。10°左右的傾斜角度在我國大部分地區(qū)不是最佳傾斜角度,，對(duì)發(fā)電量有一定的影響。
從承重角度考慮：如果按照最佳角度安裝,，不可避免的要多用支架,，增加屋頂重量。從安全角度考慮,，按照最佳傾角按裝,，組件就不能夠與屋頂平行，刮風(fēng)時(shí)產(chǎn)生額外風(fēng)壓,，形成安全隱患,。綜上兩點(diǎn)，組件只能平鋪在彩鋼瓦屋頂上,。組件的安裝數(shù)量只于屋頂面積和承重有關(guān),，沒有優(yōu)化的意義。
1.1.2水泥屋頂?shù)陌惭b方式
水泥屋頂安裝太陽能支架系統(tǒng)都會(huì)使用水泥作為支架基礎(chǔ),?；A(chǔ)制作有兩種方式，現(xiàn)場澆筑水泥基礎(chǔ),。如（圖1-5）優(yōu)點(diǎn)：與屋面結(jié)合成一體基礎(chǔ)牢固水泥用量少,。缺點(diǎn)：需要鋼筋提前預(yù)埋在建筑物屋頂,。或者用膨脹螺絲把水泥基礎(chǔ)和屋頂連為一體,，這樣做容易破壞屋頂?shù)姆浪畬?，時(shí)間長了容易漏水。
另一種方式,，需要精確統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目地點(diǎn)的常年平均風(fēng)速和不同季節(jié)的風(fēng)向,，計(jì)算出正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓。再通過風(fēng)壓大小折算出水泥基礎(chǔ)的配重,。預(yù)先加工好尺寸一致的水泥壓塊,，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝。如圖1-6 ,。
1.1.3 支架系統(tǒng)風(fēng)壓計(jì)算
表 1-1
表 1-2
1.2 支架間距計(jì)算方式
太陽能方陣必須考慮前,、后排的陰影遮擋問題，應(yīng)計(jì)算確定方陣間的距離或太陽能電池方陣與建筑物的距離,，一般的確定原則是：冬至日當(dāng)天早晨9﹕00至下午3﹕00的時(shí)間段內(nèi),，太陽能電池方陣不應(yīng)被遮擋。
1.2.1 太陽能電池組件的接線原理
圖1-8
目前市場常見的電池組件,，通常由60片或者72片電池片串聯(lián)構(gòu)成,。在接線盒處安裝有3個(gè)旁路二極管。每個(gè)二極管保護(hù)20片或者24片電池片,。目的是在產(chǎn)生陰影遮擋時(shí),，把被遮擋的部分電池片旁路掉，防止被遮擋的電池片變成負(fù)載,，引起熱斑效應(yīng),。見圖1-8
圖1-9
圖1-9矩形虛線表示陰影遮擋，（a）和（b）分別表示豎放遮擋和橫放遮擋,。當(dāng)出現(xiàn)（a）情況時(shí),，如果環(huán)境影響復(fù)合旁路二極管導(dǎo)通條件，那么三個(gè)二極管很有可能都將導(dǎo)通,，使得整個(gè)組件完全不對(duì)外輸出功率,。
（b）情況時(shí)即使如果二極管導(dǎo)通，也只會(huì)有一個(gè)二極管導(dǎo)通,，組件只減少1/3的功率輸出,。
1.2.2不同經(jīng)緯度地區(qū)設(shè)計(jì)差異
表1-3
表1-3中，選取了3個(gè)城市作為比較,。其中上海,、長春經(jīng)度接近，緯度不同,。哈密長春經(jīng)度不同,，緯度相同,。使用的電池組件為300wp多晶硅組件，尺寸1956*992*40mm,。其中,，前后排組件的距離，為當(dāng)?shù)囟漳翘臁?9:00-15:00陰影不遮擋的距離,。(見圖1-7 中距離D)
圖1-10可見,，高緯度地區(qū)與低緯度地區(qū)，陰影的長度是不一樣的,。造成單位容量的太陽能電站占地面積有很大差異,。高緯度地區(qū)占地多，低緯度地區(qū)相對(duì)較少,。
1.2.3 組件陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)
分布式電站設(shè)計(jì)在屋頂上,，、而屋頂?shù)拿娣e是一定的,。如何合理配置太陽能電池組件需要仔細(xì)研究,。
1.2.3.1 組件陣列間距優(yōu)化設(shè)計(jì)
表1-3中新疆哈密的前后排間距的數(shù)據(jù),，按冬至日這一天的數(shù)據(jù)計(jì)算得出,是最大值,。這一天太陽的高度角最低，影子最長,。
本小節(jié)使用PVSYST軟件中的陰影仿真軟件進(jìn)行模擬,。使用1956*992*40mm 300wp 標(biāo)準(zhǔn)尺寸組件；40塊組件組成上下2排方陣,，共4排,。模型中斜面的寬為4M長度為20M。
按照式1-3計(jì)算,，前后間距（D）為10.5M,。
a)D=10.5M 見圖1-11（a）2014.12.22冬至日無陰影遮擋
b)D=9.5M 見圖1-11（b）2014.12.22冬至日（月）有遮擋，發(fā)電量損失0.9%見圖1-11（c）11月與1月均無遮擋
c)D=9M 見圖1-11（d）2014.12.22冬至日（月）有遮擋,，發(fā)電量損失1.6% ,；11月與1月有遮擋，當(dāng)月發(fā)電量損失1%,。
該模型裝機(jī)容量一共48KW,，依據(jù)PVSYST軟件仿真的數(shù)據(jù)，12月的入網(wǎng)電量（E-Grid）為6256Kwh,。
圖1-12
如果電站的鋪設(shè)方案按照D=9.5米實(shí)施,，12月?lián)p失電量為56.3kwh，其他月份無影響,?？晒?jié)約20㎡的屋頂空間,。可增加2kw的容量,。至少可以多發(fā)電2044kwh,。
如果電站的鋪設(shè)方案按照D=9米實(shí)施，1月,、11月,、12月?lián)p失電量為189kwh，其他月份無影響,?？晒?jié)約30㎡的屋頂空間?？稍黾?.5kw的容量,。至少可以多發(fā)電2555kwh。
1.2.3.2 組件傾角設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式
目前在工程設(shè)計(jì)上使用的最佳傾角,，都和當(dāng)?shù)鼐暥认嗨苹蛘呦嗟?。見?-3
最佳傾角是一個(gè)平均值，并不是每個(gè)季節(jié),、月份都是最佳,。同樣以哈密地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為例。哈密地區(qū)春夏季節(jié)為4-9月最佳傾角為30°,，10月-次年3月為秋冬季節(jié),，最佳傾角為60°
表1-4
依據(jù)上表1-4數(shù)據(jù)，哈密地區(qū)的0°-60°的數(shù)據(jù)太陽能輻照度數(shù)據(jù),。43°時(shí)最大,，30°時(shí)比43°時(shí)少46kwh/㎡/a
表1-5可見發(fā)電量減少了1.8%,哈密屬于2類地區(qū)執(zhí)行0.9元的光伏上網(wǎng)電價(jià)。
20年的電費(fèi)收益減少了54.9萬,。傾角43°時(shí)組件支架經(jīng)受的風(fēng)壓大于30°時(shí),。所以30°傾角的用鋼量小于43°傾角。由于哈密地區(qū)的風(fēng)速高,，大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長,。設(shè)計(jì)30°傾角有利于電站的整體安全。
1.3 設(shè)計(jì)案例
項(xiàng)目地點(diǎn)位于江蘇省泰州市,，屋頂面積約1萬平米,，可利用面積7000平米。建筑物凈高19米,，女兒墻高2.7米,。
泰州市氣象數(shù)據(jù)
表1-6
1.3.1 主要設(shè)備選型
太陽能電池組件：
由于該項(xiàng)目為自發(fā)自用項(xiàng)目，組件使用業(yè)主自產(chǎn)優(yōu)質(zhì)電池組件。型號(hào)為ET-M672300WW
表1-7
并網(wǎng)逆變器選擇：
由于配電設(shè)備間較小,，廠區(qū)內(nèi)也無額外空間,，無法安放大型集中式逆變器。本項(xiàng)目選擇上海兆能TRM025LTL組串式逆變器,。
表1-8
泰州極寒氣溫為零下10℃,，按照電池組件的溫度系數(shù)-0.31%，如果用20個(gè)300wp組件串聯(lián),，開路電壓降超過1000Vdc,。極端條件下容易損環(huán)逆變器。所以采用18個(gè)組件串聯(lián),，組成一個(gè)最基本的方陣單元,。
支架選材：
該項(xiàng)目屋頂為水泥澆筑。每平米承重200kg,。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),，選擇熱鍍鋅不銹鋼支架。
依據(jù)圖1-14設(shè)計(jì)計(jì)算,，每個(gè)基本方陣的用鋼量為108公斤,。
水泥配重計(jì)算：
泰州地區(qū)的最佳傾角為29°，支架按30°傾角設(shè)計(jì),。經(jīng)軟件仿真發(fā)電量只有0.5‰的差距,，發(fā)電量損失可以忽略不計(jì)。依據(jù)式1-1 計(jì)算：
逆風(fēng)風(fēng)壓 W=11497N;組件+支架重力 G=5814N
考慮抗滑移,，抗傾覆等因素后,，需要C35商品混凝土配重負(fù)荷4978N,質(zhì)量497千克.
C35商品混凝土密度為2400KG/m3
綜上計(jì)算：使用250mm*250mm*200mm混凝土配重塊18塊可以滿足施工要求。
組件陣列排布設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目總裝機(jī)容量為432kw 1440塊300wp組件,。
圖1-14
由于屋頂跨度較大，建筑結(jié)構(gòu)的伸縮縫較多,?；炷粱A(chǔ)要避開伸縮縫。屋面的通風(fēng),、空調(diào)冷卻管道需要注意避開,，還要為其預(yù)留檢修通道。
按照計(jì)算,，組件前后間距應(yīng)為2米,。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)采用了1.8米，2.2米,，2.5米三種間距,。其中按照1.8米設(shè)計(jì)的陣列有6排，受陰影遮擋的陣列共5排容量135kw,。
發(fā)電量損失約為0.7%,。陰影在午后14:40分（冬至日,、月）左右產(chǎn)生。
圖1-15
電氣一次設(shè)計(jì)：
整個(gè)系統(tǒng)共使用20臺(tái)逆變器,，每個(gè)逆變器有2路MPPT.每2路組件通過專用連接器輸入一路MPPT.每臺(tái)逆變器接入72塊組件,。
組串式逆變器系統(tǒng)在直流側(cè)連不使用直流匯流箱，在交流側(cè)使用交流匯流箱,。該項(xiàng)目使用 4臺(tái)5進(jìn)一出一級(jí)匯流箱,，1臺(tái)二級(jí)匯流箱。系統(tǒng)示意圖見圖1-16
小結(jié)：本章主要用PVSYSYT軟件和NASA氣象數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了光伏系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)了同一個(gè)分布式項(xiàng)目在不同傾角,、不同方陣間距條件下發(fā)電量的不同。得出以下結(jié)論：在設(shè)計(jì)分布式電站時(shí)需要因地制宜,。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整最佳傾角和前后間距,，可以節(jié)省屋頂可利用面積增加安裝容量。在方案設(shè)計(jì)中利用軟件進(jìn)行輔助計(jì)算,，可以讓設(shè)計(jì)更加精確科學(xué),。
（來源：《光能》雜志）
