第一章
1.1题目意义
太阳能源是未来能源中一种非常理想的清洁能源,屋顶分布式光伏发电是把太阳能转换为电能的一种简单而又实用的途径,可以广泛应用于工业园区屋顶,大型厂房屋顶,办公大楼屋顶等场所。屋顶光伏发电是指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它倡导就近发电,就近并网,就近转换,就近使用的原则,具有大大降低企业的用电成本,投资回报率高的特点,因此各地政府纷纷鼓励屋顶光伏项目的发展。
太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在建筑物屋顶的光伏发电项目，方便接入就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。从发电入网角度出发，根据家庭用电情况可以给出系统施工要求、设计方法以及光伏组件、逆变器的选择等。 太阳能是一种重要的，可再生的清洁能源，是取之不尽用之不竭、无污染、人类能够自由利用的能源。太阳每秒钟到达地面的能量高达50万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。
从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产和市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一。本文简单地阐述了家用分布式光伏发电系统设计方法和施工要求。 1.2 国内案列
（1）长沙市国际企业中心光伏电站光伏发电系统建成总装机容量3705.48KWp。光伏电站系统年发电量约3729.44MWh，年发电量达3729441.17度，即372.94万度。 按相关统计计算，该光伏系统建成后，可省燃油96.97万升或节省标准煤1342.6吨,这也意味着少排放3718.25吨的二氧化碳44.01吨的二氧化硫和16.04吨氮氧化物，减少因火力发电产生的1014.41吨粉尘,节约1491.78万升净水，社会效益和节能减排效果显著。由于太阳能具有自身的优势，在国家补贴的支持下，推广前景非常看好。
（2）广东廉江冠达厂房屋顶光伏发电站简介
（3）江苏吴江某工业城6.6MW工厂屋顶光伏发电项目
江苏吴江某工业城位于江苏苏州南部，属于太阳能资源丰富的三类区域，平均日照时间4小时，该项目装机容量6.6MW，共采用250Wp多晶硅组件约26400片，日均发电量约为24000KWh，信恒公司以EPC总承包形式承接该项目，在项目采购中，包括太阳能电池组件、汇流箱、配电柜和逆变器等光伏发电配套设备及相关辅件，均采用国内外的知名品牌，保障了项目运行的稳定性。 装机容量：6.6MW 项目地点：江苏吴江
25年的理论发电量：2190万KWh 25年理论节约标准煤：6.1万吨 25年理论减少碳排放：17.3万吨
项目承建方：深圳恒通源环保科技有限公司&芜湖市信恒节能环保科技有限公司
1.2太阳能光伏发电应用现状
太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。
近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。光伏应用市场发展较为迅速。但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。
第二章分布式光伏发电系统
2.1.光伏发电原理
2.1.1基本工作原理
常规电力系统中的所有在运行机组，无论容量大小，全部并网发电，待并发电机组必须同时满足以下三个条件才允许并网运行，缺一不可： 1、 频率相等 2、 相位与相序相同 3、 电压相等
太阳能光伏电站同样必须同时满足上述三个并网条件才允许并网发电。光
伏发电系统是直流发电器，需经逆变器将直流电换成频率、相位和电压与电网完全相同的交流电，通过并网控制器与电网并联，成为电力系统中一台特定的小机组。白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。并网型光伏发电系统可分为双向互补型和单向供给型。
太阳能电池发电原理：当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。并网型光伏发电系统工作原理：白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。
2.2光生伏特效应
半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。
2.3分布式光伏发电系统结构
分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用
电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源，替代和减少化石能源消费。
分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。分布式光伏发电系统应用范围：可在农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区附近建造，解决当地用户用电需求。
厂房屋顶光伏安装效果图
2.4典型屋顶太阳能分布式光伏发电系统的组成
图2.2工厂屋顶分布式光伏供电系统图
2.2.1太阳能电池方阵
太阳能电池方阵是并网型光伏发电系统的主要部件，由其将接受到的太阳光能直接转换为电能。住宅并网型光伏系统光伏器件的突出特点和优
点是与建筑相结合，目前主要有两种形式：建筑与光伏系统相结合（BAPV）和建筑与光伏元件相结合（BIPV）。
2.2.2并网逆变器
将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质等进行控制的装置叫逆变器。
逆变器按功率分类，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及以上。按是否带隔离变压器分类，按逆变器是否带隔离变压器，分为有隔离型和无隔离型。按输出相数分类，按并网逆变器的额定输出功率、输入光伏支路数量、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支路型逆变方案两种。 2.2.3逆变器配置选择
对于低压并网项目，50KW及以上逆变器设隔离变压器。 本工程逆变器为户内配置，具有以下功能： ◆ 允许环境温度- 25℃～+ 55℃；
◆ 采用MPPT技术，跟踪电压范围要宽、最大直流电压要高； ◆ 提供人机界面及监控系统；
◆ 具有极性反接保护、防反放电保护、孤岛效应保护、交流过流及直流过载保护、直流母线过电压保护、电网断电、电网过欠压、电网过欠频、光伏阵列及逆变器本身的接地检测及保护 (对地电阻监测和报警功能)等，并相应给出各保护功能动作的条件和工况(即时保护动作、保护时间、自成恢复时间等)。 ◆ 交直流均具有防浪涌保护功能； 2.2.4控制器对系统进行控制和监测。
对于并网光伏发电系统来说，主要用于城市与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）和大型荒漠地光伏电站。这类应用已成为光伏发电市场的主流，目前约占到世界光伏发电市场份额的80%。 2.2.5光伏组件
目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。 （1） 单晶硅太阳能电池
目前单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为16%～18%，是转换效率最
高的但是制作成本高，还没有实现大规模的应用。 （2）多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率约15%～17%。制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，因此得到大量发展。目前主流的组件是250Wp多晶硅太阳电池组件。
光伏发电系统图 1.无蓄电池的并网系统
这种系统在电网可用的情况下才能运行。因为电网的电能损耗非常小，所以这种系统一般来说可以为用户节省更多的电费开支。然而，倘若电力中断，这个系统将会完全关闭，直到电网恢复。 典型的无蓄电池并网系统有以下部件组成: １）光伏阵列
２）平衡系统的配备（ＢＯＳ） ３）直流－交流逆变器 ４）测量仪器、仪表 ５）其他元件公共电网开关 2.含蓄电池的并网系统
这种系统是在不含蓄电池的并网系统中加入蓄电池，为系统进行储能，使得即便是在电网断电的情况下，系统也能够为特殊负载提供应急供电。而当电力中断，这个系统就与电网脱离，形成一个独立的电源供电线路，采取专用的配电线路为这些特殊负载供电。如果电网停电故障发生在白天，光伏阵列能够和蓄电池一起
给这些负载供电；如果停电发生在夜间，则全部由蓄电池给负载供电，蓄电池能释放出足够的能量来保证这些特殊负载正常运行一个蓄电池备用系统除了包含无蓄电池并网系统中的所有元件之外，还需要增加蓄电池和蓄电池组、蓄电池充电控制器、为特殊要求高保障负载供电的配电盘等部件。
第三章设计过程
3.1安装地点选择
工业分布式光伏系统的选址一般可选择安装在厂房屋顶上，屋面承重能力必须大于20kg/m2。房屋房梁如果是木质结构的话就不要考虑了，光伏系统使用年限长达25年，木质房梁易腐坏，建议不要进行安装。若在人字结构屋顶建设太阳能光伏电站，不能像地面电站那样设计最佳倾角，并且考虑前后遮挡间距。为了便于光伏组件和屋顶结合，一般都在屋面上直接平铺支架，北半球铺朝南面，南半球铺朝北面，这样方可最大效率利用光能。支架与屋顶采用夹具连接，电池组件再安装于支架上。这种方式不仅美观，而且可以实现屋顶面积利用最大化。在平顶结构屋顶建设太阳能光伏电站，需要架设光伏支架和设计最佳倾角和组件前后间距。另外，支架基础强度的设计还要以当地气象条件做依据。需要注意一点，考虑到组件的热胀冷缩效应，安装时上下左右组件之间的间隔要达到3cm左右为佳。
3.2我国太阳能资源分布情况如下
一类地区年日照3200～3300小时，辐射量7500～9250MJ/m2。青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。 二类地区年日照3000～3200小时，辐射量5850～7500MJ/m2。河北、西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富
区。三类地区年日照2200～3000小时，辐射量5000～5850 MJ/m2。山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。 四类地区年日照1400～2200小时，辐射量4150～5000 MJ/m2。 长江中下游、福建、 浙江和广东的一部分地区。五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量3350～4190MJ/m2。四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。结合现在的光伏发电技术，1kWp的多晶硅太阳能电池组件五类区域年发电量大致如下：
地区 一类地区 二类地区 三类地区 四类地区 五类地区
因此用户可以根据系统的安装地点和自己年用电量情况来合理选择装机规模。例如A家庭位于太阳能资源四类区域，平均年用电量是3000 kWh，装机3000W就够用了；B家庭位于二类地区，平均年用电量也是3000 kWh，装机2000W就可以了。
1kWp发电量（kW.h） 1666~2055 1300~1666 1111~1300 922~1111 744~922 3.3光伏组件阵列安装朝向和角度
如果安装地点是平面，则要计算光伏支架的倾角，北半球朝南，南半球相反。考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，再结合费用、实用性等因素，家庭分布式光伏系统采用固定的光伏方阵较好。从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：
Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D
式中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S ——水平面上太阳直接辐射量 D ——散射辐射量α——中午时分的太阳高度角β——光伏阵列
倾角根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。
3.4太阳电池方阵间距计算
计算当太阳能电池组件子阵前后安装时的最小间距D。
一般确定原则：冬至当天早9:00至下午3:00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。 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)，根据项目地点经纬度计算；H：为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列间距应不小于D。
3.5防雷设计
为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。太阳能光伏电站为三级防雷建筑物， 防雷和接地涉及到以下的方面：
1、尽量避免避雷针的投影落到光伏组件上
2、地线是避雷、防雷的关键。防止雷电感应：包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。防止雷电波侵入:在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆。接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。接地系统的要求：所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据，建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。电气设备的接地电阻R≤4欧姆，满足屏蔽接地工作接地的要求。在中性点直接接地的系统中，要重复接地，R≤10欧姆。 防雷接地应该独立设置，要求R≤30欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上。 引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面不应该小于4mm。
接地装置：人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢。水平接地体宜采用
扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于10mm，扁钢截面不应小于100 mm2，角钢厚度不宜小于4mm，钢管厚度不小于3-5mm。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。
3.6维护检修设计
光伏发电系统的使用与维护的好坏直接影响着系统的使用寿命，影响着系统的运行成本和发电效率。一般情况下，无需对太阳能电池组件进行表面清洁处理，对露在外的接线接点要进行定期检查，维护。
1) 遇有大风、暴雨、冰雹、大雪等情况，应采取措施保护太阳能方阵，以免损坏。
2) 太阳能方阵的采光面应经常保持清洁，如有灰尘或其它污物，应先用清水冲洗，再用干净纱布将水迹轻轻擦干，切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。 3) 运输中应注意防止太阳能电池组件受到碰撞，以免损坏。避免太阳能电池组件方阵架在运输过程中有太大变形。
4） 逆变器等电气设备是全自动控制设备，无需人工操作。如无电压输出，请检查空气开关是否合上、保险盒是否熔断。逆变器无输出，检查前面板的状态指示灯判断原因；若一切指示正常，检查逆变器的输出保险是否熔断。 5）逆变器等电气设备接地：每半年测一次接地电阻。
第4章系统设计总结
4.1总结
工厂屋顶光伏发电工程的好处：
1、利用闲置屋顶地面等，盘活固定资产增加企业收益。
2、为企业节省峰值电费（白天峰值发电最多），余电部分可以上网出售。 3、降低工厂内部温度，增加工作舒适性和夏天降温的成本。 4、可以较好的完成政府规定的节能减排指标。
5、不受资源分布地域的限制，利用建筑屋面的优势安全可靠，无噪声，无污染。 6、采用就近用户侧接入，不必远距离运输，避免长距离输电线路的损失。
7、太阳能发电系统建设周期短，获取能源花费的时间短方便灵活，可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵，避免浪费。
8、较好的投资收益，至少可以运行25年。不用燃料，运行成本低，发电过程中不易产生污染废弃物，是理想的清洁能源
屋顶太阳能发电系统采用了国外应用较成熟的并网光伏发电技术，通过在建筑屋顶安装太阳能电池，实现了分散发电，充分利用了太阳能，特别适合于大型建筑、居民小区和公共建筑安装使用。而且，该系统采用与建筑相结合的方式，美化了建筑。
系统的优缺点分析：
优点 缺点 1、能源清洁，发电过程不向环境排1、比投资昂贵，虽然太阳能光伏放废弃物；2、系统灵活，运行维护发电的组件价格在逐步下降，但是简单，随时保证供电。阳光充足时，建造屋顶太阳能系统的初次比投利用太阳能发电，多余的电反馈回电资还是较为昂贵的；2、 单位功网，夜晚或阴雨天则利用外电网供率的占地面积大，光伏发电站单位电；3、寿命长，可靠性高，一般晶发电功率的占地面积为8-10平方体硅太阳能电池组件的寿命可长达米/kW,若与常规火力电站和核电20-25年，一次投资可使用的时间很站相比，相差1-2个数量级； 3、长，重复投资较小；4、 建设周期地域性强，只能建在太阳能资源丰短，由于太阳能光伏发电的能量转换富的地区； 4、 转换效率低，过程单一为直接发电，所以屋顶太阳一般太阳能电池的转换效率为能系统的主要建设时间为屋顶铺设20%，远低于常规能源发电的效太阳能电池阵列的时间；5、系统小率； 5、 能耗回收年限问题，巧灵活，适合普通居民安装使用；6、太阳能电池的上游材料工业，如晶实现了与建筑的结合，不仅利用了太体硅提纯工艺等能耗大，对环境污阳能，而且美化了建筑。7、 使用染严重。 跃层式屋顶太阳能电站，可以更加充分的利用屋顶空间。 改善措施：
1. 加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发，降低材料
成本并提高其转化效率；
2. 提高系统控制技术，如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、实现太阳光最
大功率跟踪等；
3. 研究光伏发电的并网技术，减少光伏带能对电网的冲击；
4. 研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合技术应用，保证供电连续
性。
5. 分利用建筑空间，在设计建筑时，采用光伏幕墙、光伏屋顶技术，在屋顶、
遮阳板、建筑朝阳面利用光伏发电技术。
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