浅谈家庭屋顶分布式光伏发电系统的设计与施工

浅谈家庭屋顶分布式光伏发电系统的设计与施工（一）民用光伏发电系统是分布式发电系统的重要组成部分， 随着国内分布式政策的不断完善与落实， 光伏发电已经走入了普通百姓的生活， 由于全国各地居民的屋顶条件情况不尽相同， 因此各个项目都需要因地制宜，进行定制化的设计和施工，笔者曾有幸参与到实际工程案例，对小型民用系统的建设有了进一步的了解。 本文以瓦面屋顶和混凝土屋顶为例， 主要介绍其设计和施工部分，供民用系统从业者或对家庭分布式发电感兴趣的人士参考。1. 民用分布式发电系统的设计民用分布式项目的设计需要在前期工作中完成屋顶勘测和相关信息的收集， 并给业主提供初步的设计方案或屋顶发电效果图， 效果图的作用一方面可以从侧门说明专业设计能力， 另一方面可以非常直观地为业主展示组件的布置形式和实时阴影情况，如图 1 和图 2 为混凝土屋顶支架安装和组件敷设效果图 , 图 3 为笔者基于 CAD 图纸而绘制的南京地区别墅分布式发电系统的组件布置效果图， 然而大多数别墅屋顶的业主可能没有屋顶平面和立面图纸， 这种情况下我们只需把握屋顶的整体尺寸， 细节的部分化繁为简。 对于民用系统设计人士， 本人还是强烈推荐使用 SketchUp ，因为在效果图制作和阴影分析上较为出色。图 1 支架 SketchUp 效果图图 2 混凝土屋顶支架安装和组件铺设 SketchUp 效果图图 3 别墅分布式发电系统组件布置 SketchUp 效果图项目施工前的重要工作是深化设计， 如方阵具体布置方案、 支架安装方案、 组件和逆变器选型、接线和电缆敷设方案、逆变器和交流配电箱的安装位置、 防雷接地等， 其中方阵布置和支架的安装方案属于重点内容， 对于民用系统， 支架的安装设计灵活性很大。 别墅屋顶一般为瓦面和混凝土两种形式， 支架和屋面的固定有打孔和负重压块等方法， 对于打孔因为破坏了原有屋面的结构，就要涉及到屋面的防水工程。如图 4 所示为混凝土屋顶膨胀螺栓与屋面的固定方法和屋面防水措施， 孔的直径需要和膨胀螺栓的直径匹配， 太小和太大都不合适，孔的深度需要根据屋面的结构来定， 膨胀螺栓的深度不允许超出现浇层， 一般最大深度为现浇层的一半左右，并以此作为选择膨胀螺栓长度的依据。图 4 所示的屋面防水使用了三重防水措施，即孔内采用组件封装所使用的黑色硅胶或者 995 结构胶灌注，屋面和角铝之间使用防水胶垫， 同时螺栓安装位用防水胶密封。对于瓦面屋顶，若瓦下是水泥混凝土层，采用膨胀螺栓固定挂钩，也可以采用该防水方法。图 4 混凝土屋面上膨胀螺栓与屋面的固定方法和屋面防水措施支架的设计需要了解常用的导轨型号和配件 , 如图 5 为混凝土屋面所采用的比较常见的支架架构（方阵由 2*4 片组件组成） ,由横梁、竖梁、方管、角铝、 L 支脚、 T 型螺栓和内六角螺栓、内扣连接件、压块等配件组成，深化设计需要确定各个配件型号、尺寸和数量。内扣连接件用于连接方管和竖梁， 并且可调节角度。 竖梁和横梁之间的固定采用 L 支脚加上 M8的 T 型螺栓， 方管和屋面的固定采用膨胀螺栓和 L 支脚， 角铝的作用用于斜支撑加强固定。图 5 混凝土屋顶支架方案2. 民用光伏发电系统的施工项目现场施工的一般流程为由业主购买支架、 组件、 逆变器等设备材料并提前进场， 施工当天的工作有组件支架的吊装和搭建、 组件安装、组串接线和电缆走线、 组件防雷接地、 逆变器和交流配电箱安装等，需要配齐专业施工工具和安全防范工具，如吊装绳索、钢管气筒、密封胶灌注专用工具、角磨机、电锤、手电钻、锯子、铁锤、内六角、套筒、美工刀、活动扳手、尖嘴钳、剥线钳、压线钳、扎带、起子、插线板、万用表、安全手套等等。如图 6至图 9 为瓦面屋顶从打孔到导轨安装的施工过程，根据屋面实际情况和组件排布数量，膨胀螺栓安装孔位的前后间距约 1 米左右，由于混凝土瓦面有一定厚度，瓦面和保温层有几厘米的距离，再打入现浇层后，总共深度约 15cm 左右，孔位开好之后需要将多余的混凝土土灰用钢管气筒清除干净，灌注硅胶需要见到明显的溢出为佳，膨胀螺栓和 L 支脚搭配好之后敲入孔内，横梁和 L 支脚固定，最后在安装孔位四周涂上防水胶，待半干燥后即可安装光伏组件，参考图 10 。图 6 孔内除沙 图 7 灌注硅胶图 8 打膨胀螺栓和 L 支脚 图 9 安装支架横梁图 10 瓦面组件安装实景图电缆的敷设从组串出线端到组串逆变器端一般采用穿 PVC 管的形式，根据电缆进管的数量来确定需要的 PVC 管直径，走线时电缆需要留有一定的余量，尽量不要让电缆暴露在外，同时需要用防火泥将管口密封堵死， 电缆从屋顶走到逆变器处尽量顺着墙面， 弯曲半径不宜过大，采用肉眼看不到的方式敷设，做到整齐美观。阵列的防雷接地可以使用热镀锌扁钢和屋面的避雷带通过焊接进行连接， 焊接处需要做好防腐防锈处理，如果没有避雷带，一般采用垂直接地极，即用一根 2.5 米的圆钢垂直打入土壤中 ,使用接地摇表测试接地电阻是否达到小于等于 4 欧姆的要求，如果不能满足，还需要再增加一根直到满足要求为止。项目施工完成后需要等供电局并网接入，其中电表的接线方法根据不同地区也有两种方法，第一种接法如图 11 ，因为很多家庭用户不会看逆变器，所以需要在交流配电箱输出端装一块计量光伏发电电量的电表。 原用户电表改成双向电表， 光伏侧电表的出线端接到该双向电表的出线端，用于显示用户自己用电和卖到电网的电量，多余的电反转计量。图 11 电表接法 1 图 12 为第二种接法，原用户电表不改变， 供电局再安装一块双向电表和光伏发电计量表即可。 光伏电表的出线端接到双向电表的出线端， 双向电表的出现端和原用户电表的进线端连接。若多余电不能被用户消耗，经过双向电表，电表需要反转计量，所以需要接到出线端。图 12 电表接法 2 3. 小结本文初步介绍了 SketshUp 在家庭分布式屋顶设计的应用，并探讨了家庭分布式屋顶的支架与屋面的固定安装方法和瓦面支架安装施工过程等内容，和中大型分布式比较 , 家庭分布式的设计和施工比较灵活 ,施工重点在与支架的安装 , 而且支架设计方案也有很多种 ,需要我们对目前市面上的支架都要非常了解 ,根据现场的情况选择最优的设计 , 本文内容写的较为简单，后续我们再详细展开为大家介绍。作者简介：陈建国 ，毕业于东南大学电子系， 工学硕士，集成光波导技术研究方向，先后从事组件技术研发、 小型光伏示范项目建设、 国内大型金太阳项目工程建设及屋顶分布式系统设计和系统优化研究等，目前投身于光伏电站的运维领域，主要从事电站数据分析、电站集控运营、电站价值提升等工作。杨浩 ，毕业于南京工业大学，电气工程硕士，先后从事组件技术、光伏系统技术、电站项目开发等工作， 从业五年， 在分布式光伏电站项目前期开发、 中期设计施工和后期验收维护有一定的经验积累，目前任职项目经理，为客户建设高质量和高可靠性电站的项目管理工作。浅谈家庭屋顶分布式光伏发电系统的设计与施工（二）本文基于江苏某地区琉璃瓦别墅屋面的实际工程项目， 继续为大家探讨关于家庭分布式发电系统的设计及施工相关的内容， 该项目单栋别墅装机容量为 5.25kW ， 2014 年 9 月顺利完成并网调试和验收工作。 本章主要内容包括方阵安装朝向的选择、 光伏装机容量的配置、 组串设计及 PVsyst 软件多路 MPPT 模拟、首年发电量的预测及发电量不确定性（ P50 、 P75和 P90 ）计算，同时介绍琉璃瓦屋面安装施工及交流侧并网接入方面的内容。一、 琉璃瓦屋面的光伏设计1.1 现场勘察光伏项目的设计离不开前期的勘测工作， 大体来说涵盖如下几个方面： 一是房屋的调查， 如屋面场地情况和可利用面积、 房屋形状和施工条件、 安装部位构造及强度、 当地的日照情况、屋面是否存在建筑障碍物的遮挡等。二是电气设备的调查，如用户配电系统及配电箱位置、逆变器和交流配电箱的安装场所、 直流和交流走线路径、 接地方式等， 三是作业环境的调查，如搬运路径、作业空间、材料及设备保管空间等等，当然还需要和业主沟通好方案、费用、流程及施工等，关于现场勘察及屋顶评价方面的内容在《光能》 2014 年 11 月刊中也略有涉及。1.2 光资源分析光资源分析的目的一是决定组件的安装朝向， 二是对系统的发电量进行理论预测。 对于业主而言， 年投资收益和回报期与发电量息息相关， 业主也需要了解预期的发电收益， 因此我们需要根据场地实际情况进行分析。 该项目所在的别墅为琉璃瓦斜屋面， 需要考虑光伏组件接受阳光的最佳状况， 别墅的正南面和东西面都有较大的坡角， 屋顶的北面无疑不适合安装光伏电池板。 对于东西面和正南面， 通过 PVsyst 光伏软件查询得到当地历年的年平均气象数据， 不同朝向的太阳辐射资源存在一定的差异， 参考表 1 ， 结果表明辐射量正南朝向为最大，东面比西面略大，但按照常理，西面的辐射量应比东面大些。月份正东朝向坡面（ kWh/m 2）正西朝向坡面（ kWh/m2）正南朝向坡面（ kWh/m 2）坡角 37° / 方位角 -90° 坡角 37° / 方位角 90° 坡角 25° / 方位角 0°1 61.9 63.4 85.7 2 66.2 69.7 90.7 3 88 89.9 107 4 106.7 105.6 120 5 128.9 124.8 137.4 6 118.6 118.7 125.7 7 137 124.9 139.6 8 132.9 128.4 146.6 9 100.3 100.3 117 10 93.2 88 114.8 11 69.7 69.5 96.3 12 61.8 63.5 91.2 总 1165.2 1146.7 1371.9 表 1 不同朝向的光资源分析（来源于 PVsyst 内置的 Meteonorm 气象数据）为了解决 PVsyst 东西面气象数据和实际情况不符的疑问， 继续通过 Ecotect 专业软件分析验证，如图 1 所示，结果表明，正西面接收的太阳辐照量要比正东面大些，它这里面考虑的一个因素为下午的空气密度一般比上午要小， 而如果不考虑空气密度的影响， 这两个方位角所受的辐射量应该是比较接近的， 所以对于该项目， 组件理想的敷设位置优先考虑正南面和正西面，确定安装朝向后下一步就是组串布置等设计。图 1 Ecotect 中别墅不同方位角的光资源分析（单位： Wh/m2 ）1.3 系统设计设计环节主要包括确定组件和支架的安装形式， 必要时需要对支架载荷进行测算， 另外还包括电气设计， 如组串接线、 逆变器的选择和系统之间的电气连接等， 同时费用预算这块也需要考虑，如设备、辅料、施工等费用。一般琉璃瓦瓦面的坡角很大， 因此别墅屋面组件实际安装时一般沿屋面平铺， 对于本例， 组件布置如图 2 所示，根据屋面实际可利用的面积，正南屋面组件安装朝向采用纵向安装，正西屋面为横向安装。图 2 组件安装实景图（左：正南面 右：正西面）图 3 为对应的组件布置和导轨安装 CAD 图， 对于琉璃瓦屋面，组件的安装固定目前较多采用不锈钢挂钩和导轨形式，图 3 中绿色所示部件即为不锈钢挂钩的安装位置，其中挂钩的安装依据 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范，方阵内最边上的挂钩和最边上组件的距离有一定的要求，一般不能超过 500mm ，本例中预留的距离为 350mm ，挂钩之间的距离根据导轨的长度均匀分布，本例约为 1m 左右。图 3-a 光伏 组件布置和导轨安装 CAD 图（正南屋面布置）（单位： mm ）图 3-b 光伏组件布置和导轨安装 CAD 图（正西屋面布置）（单位： mm ）由于南屋面和西屋面的光伏组件受到的光照强度和组串数量均不一致， 因此不能相互串联或并联在一起，否则会造成短板效应，带来发电量的损失。对于本案例，则使用了具有 2 路独立 MPP 跟踪功能的组串逆变器， 解决了不同朝向组件和不同串数的问题。 因此正南面 14片组件和西面 7 片组件可各自成一串，参考光伏组串的设计规范（ GB 50797-2012 光伏发电设计规范） ， 可以验证上述组串数下的组串电压在当地极限低温工作条件下和极限高温工作条件下，均在组串逆变器的允许最大输入电压值和 MPPT 电压范围内，本例光伏组件采用多晶 250Wp 规格，南面和西面的具体容量配置参考表 2 ，总装机容量 5.25kW 。表 2 光伏组串容量配置表名称 Sub-array #1 Sub-array #2对应屋面 南面 西面Tilt/Azimuth 25 ° /0 ° 37 ° /90 °光伏组件 多晶 250Wp 多晶 250Wp 串联组件数 14 7 组串串数 1 1 标称功率 Pm 3.5kW 1.75kW 组件工作电压 29.9 29.9 组串工作电压 Vm 418.6 209.3组串工作电流 Im 8.36 8.36 上述介绍的是直流侧的设计， 对于交流侧， 系统的并网接入设计需了解用户的配电系统和接入点， 该别墅使用是的三相四线入户， 根据国家电网标准 《分布式 光伏发电 接入系统典型设计》中的内容， 8KW 及以下可以单相接入，因此本例采用了单相组串式逆变器，交流输出电压为 220V ， 其中家庭用户有一相用电量较大， 那么 光伏 系统可接入家庭用电量大的这一相，并网模式为 “ 自发自用、余电上网 ” ，关于 220V/380V 分布式接入系统的典型设计可参考图 4, 并网接入需要了解电能表的安装，目前电能表分为关口计量电能表和并网电能计量表两类， 其中关口计量电能表用于用户与公共电网间的上网和下网的电量计量， 并网电能计量表用于光伏发电量统计和电价补贴， 一般在光伏发电系统的并网点处安装并网电能计量表，在产权分界点处安装双向电能表或称关口计量表，其中产权分界点参考图 4 中所示位置。图 4 并网接入一次接线参考图（来源：国家电网分布式光伏发电项目接入系统典型设计）1.4 发电量预测和不确定性评估发电量预测的主要从业主角度考虑基于该设计方案下的理论发电量， 本例使用 PVsyst6.25模拟软件， 建立如图 5 所示简化模型， 并对该模型在冬至日 9 时下的阴影情况进行了分析，通过图 6 可知在冬至日 9 时， 西面的阵列已经完全被遮挡， 当真太阳时 10 点， 阴影遮挡已消失，因此采用独立双 MPPT 跟踪是非常有必要的。图 5 别墅 PVsyst 简化模型图 6 冬至日 9 时和 10 时阴影情况PVsyst 软件中对于多路 MPPT 功能的具体设置参考图 7 ，在该软件中，如果需要将 2 种不同朝向的组串接入组串逆变器并使用双路 MPPT 功能，则每一路输入组串所对应的方阵需事先定义为 “ Sub-array ” ，比如 “ Sub-array 1#” 为正南向组串， “ Sub-array 2#” 为正西向组串。图 7 PVsyst6.25 系统配置界面图 8 为 “ Layout ” 界面，目的是给组件之间进行电气连接，比如被赋予粉色的组件对应为 “Sub- array 2# ” ，棕色组件串为 “ Sub-array 1# ” ，完成组件的电气连接后，我们可以进行I-V 曲线的模拟， 还可以验证两路 MPPT 是否发挥作用， 如图 9 和图 10 所示分别对应为冬至日上午 9 时西面阵列和正南面阵列的实时 P-V 输出曲线，最大功率分别为 57W 和 1684W ，可见正南面组串并没有受到正西面组串遮挡的影响。图 8 PVsyst6.25 Layout 界面（电气连接）图 9 冬至日上午 9 时正西面组串 STC 条件下的功率输出图 10 冬至日上午 9 时正南面组串 STC 条件下的功率输出通过以上近场阴影建模和系统配置，通过 PVsyst 可模拟得到系统首年各月份的 PR 值及日有效发电小时数，其中首年理论系统效率 PR 为 81% 左右，参看图 11 。图 11 日有效发电小时数及系统 PR 此外，在 Pvsyst 界面中有一项 “ Miscellaneous tools ” ，它可以对发电量的不确定性进行评估， 众所周知，影响发电量的不确定性来源于多方面， 比如实际获取的气象数据、灰尘遮挡、 组件年衰减率等等， 其中气象数据是不确定度来源的重点， 因此发电量理论估算也存在一定的不确定性， 各不确定因素独立地并以正态分布形式影响发电量。 在引入统计学中置信率概念后，即超过一定 % 的可能性，发电量不再是单一数值，而是可以得到多个不同置信率水平下的发电量估算值。 本例使用 PVsyst 计算得出， 在 5.5% 的不确定因素下， 置信率P50 发电量为 5552kWh ， P90 为 5156kWh ，也就是说发电量超过 5552kWh 的概率为50% ，超过 5156kWh 的概率为 90% ，参考图 12 。当不确定度越低， P90 和 P50 的差异会缩小，发电量的不确定度对于项目投资风险管控比较重要，一般以 P50 判断项目的基础收益能力，以 P75 或 P90 判断项目的风险水平。图 12 PVsyst 中 P50 、 P90 和 P95 的计算二、 琉璃瓦屋面光伏发电系统的施工该别墅屋面琉璃瓦下面为混凝土层， 整个安装施工方法和上一篇介绍的混凝土层瓦面基本一致，唯一的区别是该项目采用了挂钩和屋面进行固定，如图 13 为该项目所使用的不锈钢挂钩， 实际施工时为了避免对屋面带来漏水隐患， 挂钩和屋面之间增加一层防水橡胶材料， 孔内、螺栓安装位和挂钩四周均覆盖了防水密封胶。根据施工规范（ GB 50794-2012 光伏发电站施工规范） ， 顺坡支架安装的组件与屋面之间的垂直距离需要满足通风散热间隙的要求，从施工方便角度，通风间隙不宜小于 100mm ，实际间隙为 110mm 左右（导轨高度50mm ，组件铝边框厚度 40mm ，导轨和屋面 20mm ）。此外，图 14 所示为市场上另一种比较常见的挂钩， 有的可以调节高度， 有的不可以调节，导轨可以横向或竖向安装， 所以使用什么样的挂钩需要根据实际工程的需要进行选择。（左）钻孔 （中） 挂钩安装 （右）导轨安装图 13 琉璃瓦屋面施工过程 ( 防水过程参考上一篇 ) 图 14 琉璃瓦屋面挂钩 ( 平弯钩 ) 实图导轨和组件安装完后， 组件与组件之间进行串联， 如果组串需要跨接线缆， 采用架空方式敷设时需要 PVC 管或钢管进行保护，组件和支架的接地和原屋面的避雷带连接，如果接地电阻值不够， 还需要加接地圆钢或扁钢。 组串到逆变器直流侧的接线之前需要认真核对组串电压，以防组件之间线路接错。交流侧电缆接线前应检查电缆绝缘， 校对电缆相序， 电缆接引完毕后，组串逆变器本体的预留孔洞及电缆管口做好防火封堵。图 15 所示从左到右分别为交流侧用户电表、小型用户配电箱、并网接口设备和逆变器，其中交流并网设备采用南瑞 FamilyFace 壁挂式并网接口设备，内部预留光伏侧计量电表安装位置， 对于自发自用余电上网型模式， 并网出线端接到原用户配电箱的总线侧， 如果用户电表是单相电表， 需要等供电公司人员上门免费更换为双向电表。 上一期介绍的关于户用光伏电能计量接线的第二种方法， 目前来说并不常见， 该方法表现出全额上网模式， 不是自发自用余电上网模式， 而如果对于全额上网来说， 那么双向电表也是需要去掉的， 用户电表应该保留，在这里对上一期的错误进行纠正。图 15 交流侧接线施工完成图三、结束语关于别墅分布式系统的设计和施工相关的内容，个人认为设计比较灵活，不管是电缆选型、设备选型、安装方式、风载荷计算等，还需要更多地从实际工程中去体会、总结和优化，不断积累经验， 做好每一个工程。 这里需要指出的是上一期所介绍的混凝土支架方案， 对于风力较大的地区还需要增加纵向斜撑， 一般南北纵向的风压比东西方向的风压要大些。 此外从业主的角度， 别墅屋面的漏水问题是比较关心的， 系统的安全性也不容忽视， 所以尽量以不破坏屋面防水结构为原则， 在施工的时候一定要注意施工的规范性， 防水工程质量上要过关，现场标识和安全警示也不能缺少。在本文最后我要感谢光伏业内的好友，如张喆、罗宇飞、周长友、张正学等，他们在光伏系统领域均有非常丰富的实战经验， 也感谢各位热心读者， 如果文章中有疏漏和不足之处， 欢迎批评指正。作者简介：陈建国，毕业于东南大学电子系，工学硕士， 集成光波导技术研究方向，先后从事组件技术研发、 小型光伏示范项目建设、 国内大型金太阳项目工程建设及屋顶分布式系统设计和系统优化研究等， 目前投身于智能光伏电站的运维领域， 主要从事电站数据分析、 电站集控运营、电站价值提升等工作。（ E-mail ： jianguo1217@163.com ）杨 浩，毕业于南京工业大学，电气工程硕士，先后从事组件技术、光伏系统技术、电站项目开发等工作， 从业五年， 在分布式光伏电站项目前期开发、 中期设计施工和后期验收维护有一定的经验积累， 目前任职项目经理， 为客户建设高质量和高可靠性电站的项目管理工作。