赵美云，徐长领

(1.铜陵职业技术学院 机械电气工程系，安徽 铜陵 244000；2.山东盛合电力工程设计有限公司，山东 济南 250000)

屋顶分布式光伏发电系统运营维护成本比较低，目前得到广泛使用。其基本原理是指充分利用用户的闲置屋顶，对屋面进行再次开发，安装设计时需考虑屋顶的面积及承载能力，安装过程中主要利用现有屋顶进行安装，同时考虑光照时间、强度及使用过程的安全性[1]-[2]。但目前对这类系统的安装过程中却存在以下问题：屋顶承载能力限制；安装容量低；安装成本难控；寿命是否可靠；防水是否破坏。为解决这几方面的问题，本文以我国北部地区平屋顶为例，对屋顶分布式光伏发电系统进行安装设计及可行性的研究。

1 分布式光伏系统安装设计

1.1 分布式光伏发电系统安装的必要性分析

光伏发电系统设备设计使用年限为25年，属于一种单次投入，长期回报的发展使用行为[3]。该系统充分利用闲置屋顶，对屋面进行二次开发。在使用过程中还具有以下特点：(1)各屋顶面的系统相互独立，属于并联控制，可以避免一处屋顶发生事故造成大规模停电现象；(2)可单独集中供电，使用方便，弥补大电网稳定性的不足；(3)可以就地发电就地使用，无需建配电站，减少了远距离输电过程中的损失，安装成本也比较低，比较适合偏远地区供电；(4)调峰性能好，操作简单；(5)设备运行系统少，便于操作控制，易于实现自动化；(6)污染小，环保效益突出。分布式光伏发电项目在发电过程中，清洁安全，低碳环保，在雾霾日益严重的情况下，该种方式对环境保护有利。

分布式光伏发电系统利用太阳能光电转换技术，开发利用绿色、清洁、丰富的太阳能资源，可提高可再生能源应用比重，促进能源结构调整，降低碳排放，助推节能减排、保护和改善环境都具有重要意义[4]-[5]。表1以我国北部地区某90户5kWp光伏项目为例进行节能环保效益分析。

表1 节能环保效益分析表

由表1可以看出，太阳能光伏发电系统每年可节约标准煤20多万千克，并且大大降低了CO2、SO2等污染物的排放，因此在我国建设分布式光伏发电系统，经长期运行，可大量节约国家资源，并改善居民生活环境。

1.2 光伏组件的布局及安装倾角设计

1.2.1 组件布局

光伏组件的布局安装和屋顶的形状、结构、承载力、大小等有关。本文是以平屋顶为例进行设计。光伏组件安装过程中根据屋顶的大小及形状有三种不同的的安装布局方式，考虑到安全性和安装维护的便捷性，同时保持系统整体的美观性，相应的光伏组件布局图如图1，图2，图3所示。

图1 屋顶一光伏组件布局图(13m*10m)

图2 屋顶二光伏组件布局图(9m*7.6m)

图3 屋顶三光伏组件布局图(28m*7.5m)

1.2.2 组件安装倾角设计

组件安装倾角是指光伏电池板与屋顶间的夹角。因为利用的是太阳能，所以电池板安装时，所设计的固定倾角和其所处的地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等都有关系。在设计安装时，所设计的最佳安装倾角必须是系统全年发电量最大时的倾角。安装倾角设计不可过大，因为倾角越大，组件的背向风压越大，组件支架基础及钢结构的材料成本也相应增大[6]。分析当地太阳辐射资源数据及安装屋顶结构(平屋顶)，安装倾角设计为35度，即光伏组件表面与地面水平方向呈35度的倾角倾斜安装。组件固定方式采取水泥基础加钢结构形式。

1.3 支架及组件方阵间距的设计及安装

1.3.1 方阵间距设计

本项目实施在我国北部地区，而我国北部地区在北半球，对应最大日照辐射接收量的平面为朝向正南。方阵倾角确定后，为避免前后方出现阴影遮挡，南北向前后方阵间要留出合理的间距，前后间距计算方法一般取一日当中的有效光照时间(9点到15点)。利用式(1)进行计算。固定方阵安装好后倾角不再调整。

计算光伏方阵前后安装时的最小间距D的计算公式为：

D=(H÷tan α)*cos β

(1)

式(1)中：β为太阳方位角；α为太阳高度角(根据当地纬度分别进行计算)； H为太阳能电池板最大高度。其计算参数转换参考如图4所示。

图4 太阳方位角与高度角示意图

通过式(1)计算得到： 以光伏组件横向双排的形式安装固定倾角支架，组件之间留有20mm 的间隙，故晶体硅固定支架单元倾斜面的宽为2004mm。H=2004×sin35°≈1149mm (安装倾角35°)则：D南北=cosβ× L≈2500mm。

1.3.2 支架及组件的安装

支架及组件安装过程中，遵循的要求就是重量轻、成本低、高可靠、非破坏几个方面，所以在制作组件时，只要满足使用要求及环境要求就可以，环境要求指根据各地的气候，主要能承受相应风力即可，该项目设计采用双排组件布板方式，安装结构如图5所示。

图5 双排组件支架安装示意图

该结构安装简单快捷安全，既提高了系统的安装效率。又降低了安装成本。屋顶电站轻型安装方式的高可靠性、施工便捷性、低成本，轻量化，可为分布式光伏电站投资方、建设方、运营商带来容量最大化、缩短建设施工周期、减低投资成本等客观的经济效益[7]。

1.4 混凝土平屋顶载荷计算

分布式光伏电站，若安装在屋顶上，首先要保证的就是已有屋顶是否满足所需的安装条件，这就首先要考虑到屋顶的载荷能力。根据光伏发电系统结构形式，本项目光伏系统采用水泥基础固定钢支架形式安装在用户混凝土平屋顶上，单个组件重18.5kg，光伏组件按照35°倾角安装。单块电池板面积1.64m*0.992m=1.62688m2，以35°倾角投影至屋顶平面上的面积为1.33m2，对应安装支架、线缆、桥架、水泥基础、防雷及其他辅料，总计单位重量为70.5kg。所以折合在一平方米中，承重=70.5/1.33=53kg/m2,小于混凝土屋顶承重设计要求2kN/m2(折合200kg/m2)，满足该项目分布式光伏电站的建设条件。

2 发电量计算和投资收益分析

分布式光伏发电系统是否值得安装，还需要进行总发电量的计算并进行投资收益的分析，确定该项目能否施行。

2.1 发电量计算

光伏系统年发电量为：年发电量 = 光伏装机容量*峰值日照时数*系统效率*365天。

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率η1(光伏组阵列在1000W/m2太阳辐射下，实际输出功率与标称功率之比，受光伏组件、太阳辐射、温度等的影响，一般取85%～90%)、逆变器效率η2(逆变器本身的参数，一般取97.8%～98.8%)、输电效率η3(从逆变器输出至高压电网的传输效率，主要指变压器的效率，经计算该处取94.4%，经验值一般取95%)等部分组成。

系统总效率为：η=η1×η2×η3=87%×98%×94.4%=80%。

峰值日照时数是指正常光照情况下折合到标准光照条件下的有效发电时间。分析当地太阳辐射资源数据，峰值日照时数为5.25小时。

故单户首年发电量计算为：5.2kW*5.25h*80%*365 =7971.6 kWh。

光伏组件光电转换效率随着使用时间的延长会逐渐减小，一般设计光伏发电系统的使用寿命为25年，也就是说在寿命期内平均年有效利用率逐渐降低，本工程所采用的光伏组件25年运营期内，光电转换效率衰减速率为前5年每年不超过1%，以后每年不超过 0.8%，20年内衰减率不超过20%[8]。25年内年平均发电量约为7100 kWh。

2.2 光伏发电收益分析

2.2.1 投资概算

光伏发电工程投资预算范围包括站内所有设备材料采购、运输、建筑安装工程及为本工程投入的其他费用。单户5kWp光伏电站投资概算如表2所示。

表2 投资概算表

表3 光伏发电收益分析表

年份组件效率(%)年发电量(kWh)自发自用收益(元/年)1588.00%7,0156,772 1687.20%6,9516,710 1786.40%6,8876,648 1885.60%6,8246,587 1984.80%6,7606,525 2084.00%6,6966,464 2183.20%6,6323,658 2282.40%6,5693,623 2381.60%6,5053,588 2480.80%6,4413,553 2580.00%6,3773,518 25年总发电量平均每年发电量25年总收益平均每年收益17.87万kWh 0.71万kWh 16.37万元 6548元

本项目单户5kWp光伏电站实际装机容量5200Wp，经技术核价，单户投资52000元，折合10元/W。总共90户，总装机容量为468kWp，项目总投资为468万元。

2.2.2 光伏发电收益分析

分布式光伏发电系统所发电量并网方式有两种，一种是全额上网，一种是自发自用余电上网。本分析以全额上网的模式(所发电量全部并入电网)进行计算。补贴收益按照光伏全额上网标杆电价0.98元/度(二类地区)执行，另外地方补贴每千瓦时0.2元，补贴3年，光伏系统发电总量=上网电量。

光伏电站前3年补贴收益为： 光伏发电收益=(0.98+0.2)元/度*光伏发电量。

光伏电站3年后补贴收益为： 光伏发电收益=0.98元/度*光伏发电量。

以单户5kWp光伏电站年发电量及收益计算如表3所示。

3 结语

屋顶分布式光伏系统的安装充分利用闲置屋顶资源,在安装设计时充分考虑屋顶承载能力，以不破坏屋顶防水层的水泥基加钢梁支架轻型安装方式进行设计安装。满足了重量轻、成本低、高可靠、非破坏几个方面的要求[9]。同时对其投资概算及经济效益进行分析，符合可持续发展的原则和国家能源发展的政策方针，在缓解环境保护压力，带动地方经济快速发展方面，都起到了积极的作用。