任荣

（陕西省榆林市靖边县政务服务中心，陕西 靖边 718500）

人类社会的快速发展，人类对能源需求也在不断地增长，但是传统的化石燃料日渐枯竭，全球性的能源危机日趋加剧，加之近几年我国出现的雾霾天气，造成PM2.5 严重超标，环境污染已严重影响了人们的正常生活，因此，寻求新的可再生能源替代传统能源，已经得到了人们广泛的共识，我国政府也已将此列入国家可持续发展的战略层面上[1]。太阳能作为一种理想的可再生清洁能源，已在世界范围得到了广泛应用，其中利用太阳能光伏发电，特别是在建筑屋顶上的应用越来越广泛。故结合工程实际，对太阳能光伏发电在工业厂房屋顶上应用进行讨论。

一、光伏发电原理及分类

光伏发电是利用半导体器件太阳能光伏电池，把太阳辐射能转变为电能。它的原理是半导体的光生伏特效应，即利用光照在不均匀半导体或半导体与金属结合的不同界面形成电位差，进而把光能转变为电能，这一过程是指光子转化为电子、光能量转化为电能量；其次，是电压形成的过程。

系统的主要部件包括太阳能电池、控制器和逆变器，以及蓄电池、交流配电柜、监控系统、防雷系统等，而光伏发电站的核心系统是太阳能电池和逆变器，串联太阳能电池实行封装保护后，得到大面积的太阳电池组件，配置功率控制器后，便是光伏发电装置。光伏发电具有可靠性高、使用时间长、不污染环境等特点。

按输送方式，光伏发电系统包括独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统。分布式光伏发电系统，还称为分散式发电或分布式功能，是指在用电现场或接近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，进而达到特定用电的要求，为配电网运行提供支持。分布式光伏发电系统包括光伏电池组件、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，此外配置了供电计量装置、监控装置和环境监测装置等。其运行模式是基于太阳辐射，太阳能电池组件阵列转换太阳能变成电能，以直流汇流箱综合向直流配电柜传输，通过并网逆变器逆变呈交流电提供给企业，剩余或不足的电力借助电网实现调节。

二、工业厂房光伏屋顶结构设计

（一）光伏发电系统设计

1.光伏组件选型

设计光伏发电系统，应注意光伏组件的型号、功率和形状的选择。对其影响因素还有屋顶面积、光伏支架结构类型和附近环境、建筑外型等。另外，设计光伏发电系统时还要对组件尺寸重点考虑，组件选择适合的尺寸可节省工作量与时间。

对光伏组件发电效率、大小、质量和屋顶面积等系统考虑，初步选取单晶硅光伏组件，简化光伏组件质量为密度形式，且在钢化玻璃内赋值。

2.光伏组件的最佳倾角

在屋顶光伏系统中利用固定光伏组件倾角的支架方式。针对这一发电系统，选择最理想的光伏组件倾角，有利于发挥光伏组件的最佳工作状态，提高工作效率，保证光伏发电系统获得最大输出功率。结合光伏组件表面连续、均匀承受太阳能辐射的情况确定最佳倾角，保证在发电量偏少月份，光伏系统的发电量与蓄电池补充电量可以满足供电正常需求[2]。

3.光伏组件的布置方式

因工业厂房跨度18m，总长度42m，每个柱距6m，考虑到不同光伏组件倾角影响支架柱的柱高情况，为对其有效减小，可根据组件倾角进行布置。其中第一种光伏组件倾角为4°、10°、15°，第二种光伏组件倾角为20°、25°、30°。

经选取的光伏组件平面尺寸为1.95m×0.99m，厂房每个柱距为6m，由厂房长度方向以串联方式在一个柱距内布置3 块光伏组件，在跨度方式并联布置9 块光伏组件，进一步在屋顶产生一个独立的光伏发电系统。该屋顶光伏组件可单独在串联体系内使用，独立使用每块光伏组件，如此避免光伏组件受损。

（二）光伏支架结构设计

1.支架布置

在光伏组件周围布置支架。具体方案为：1）对较小跨度的结构，支架柱连接钢梁，形成第二屋盖结构，以檩条连接钢梁，从而安装光伏组件；2）对较大跨度的结构，可加固原屋盖体系，在屋顶平铺组件。经对比分析，初步采取第一种连接方案，支架柱直接焊接下部钢架梁柱，部分支架柱连接檩条及檩条位置的屋顶板。

2.支架截面选型

光伏支架通常选择槽钢或角钢。为了方便安装光伏组件，建议采用L型截面构建屋顶周围的支架边梁，将倒置双角钢组合倒置T 型截面设置中间支架梁，支架柱使用方钢管截面。

三、太阳能光伏发电发展建议

太阳能是一种重要的可再生清洁能源，分布式光伏发电充分利用了太阳能广泛存在的特点，遵循因地制宜、清洁高效、就近利用的原则，避免了地面光伏电站集中建设的场地限制因素，具有建设灵活的特点。当前我国政策方向是鼓励分布式光伏发电的应用，充分利用当地太阳能资源，替换和减少化石能源消费。

（一）太阳能光伏发电并网状况

国家能源单位下发的创建名单中纳入了榆林市，提出要积极发展水电、风电、光伏发电、核电和生物质能，不断扩大新能源产业规模。科学规划，错位发展，初步建立太阳能电池材料、专用设备研发、电池组件生产的产业链条。

当前，很多因素都影响了榆林太阳能发电的就地容纳能力和送出能力。榆林电网供电以省电力公司和地电公司实现。省电力公司榆林电网建立了全面的县域电网。地电公司榆林电网全网最大供电能力大概2880MW，其中容量最大的是北部电网。榆林北部有充足的火电电源，电网光伏电站难以就地消纳；冬季负荷供给对象为火电，基本完全需要外送光伏；夏季，陕南有水电，一些火电机组可以停机，光伏出力可少量消纳，其余利用电网输送。但榆林光伏发电站只向关中输送多余电力。

市场上的太阳能电站投入成本偏高，不利于太阳能电厂的可持续发展。基于扶贫产业的落实，大量自然村建设光伏发电项目，输电能力不佳，降低了稳定性。故有必要切断外省电源，不利于火电小机组的发展，导致本地的光伏发电站扩大发电容纳的能力。

榆林地区是中温带半干旱大陆性季风季候，四季鲜明，日照强烈，经过分析，榆林年太阳辐射达5500-6000 兆焦/平方米，年平均日照时数2620-2830 小时，富集大量太阳能资源，为大型光伏电站建设创造了条件。

榆林靖边县的20 兆瓦光伏电站在2011 年通过并网验收，是陕西省内第一个建成并网的大型光伏电站。之后，很多大型企业陆续在榆林建设光伏电站，相应扩大了单机容量。太阳能光伏产业园区，从最初的20 兆瓦光伏发电项目到100 兆瓦项目再到200 兆瓦光伏发电项目，相继增大了项目规模，同时这种单体最大项目依然在持续被突破。陕西省第一个“风光互补”光伏电站一期工程成功并网发电。经调查研究，陕西地区的太阳能发电企业达754 家，覆盖率超过99%。其中，太阳能发电企业达到21%，而各项优惠政策和绿色电价都为太阳能产业的发展提供了支持。

近年来，陕西持续增大了光伏发电规模建设力度，光伏发电示范项目纷纷出现在煤矿采集区和荒滩草地，加快了地面光伏电站并网的贯彻落实。2014 年并网运行的榆神协和生态200MW 光伏发电站项目，每年发电2.7 亿度，获得2.6 亿元收入。该项目选择“耕地生电”方法，有机融合了生态农业与光伏发电，促进农业生产、资源开发与新兴产业的可持续发展。

（二）太阳能并网发电存在的问题及发展建议

1.就地容纳能力受限

榆林电网具体由陕西省电力公司和榆林市地电公司供电。陕西电力公司有完善的县域电网，而地电公司的北部网容量最大。榆林地区为火力发电提供了充足的电源，当地电网光伏电站处理不能就地消纳。

2.送出能力受限

榆林光伏电站多余电力仅为关中送电；陕北和关中主要的断面问题是指多重环网网架解环运行，以750kv 变电站为中心建立小环网或辐射网架结构。通过3-4 回330kv 线路将汉中、商洛、安康等地电网与主网联络。另外，作为陕西750kv主网架结构主要输电通道的陕北-关中750kv二通道，具体发挥了送出陕北新能源、关中负荷供电等功能。

3.地方电网送出能力不足

光伏发电的随机性与间隙性，导致其难以准确把握可调发电容量，而功率波动还需要发电系统的备用电实现调节。因此在光伏并网发展过程有必要解决系统调峰问题。另外，太阳能发电不够稳定，不少住户应周围缺少变电站而无法建立家庭光伏发电；个人利用光伏发电的回报率不高[3]。

（1）采取合理的措施，如：切断外省电源、地区火电，约束火电小机组发展，适当扩大光伏电站发展容纳的能力。

（2）建设光伏电站应按照电网的容纳和送出能力规划进度，防止建成后发生无法并入电网的现象。

结束语

光伏发电拥有广阔的市场空间，在商业、工业、政府和公共建筑以及住宅的屋顶，大力开发分布式光伏发电的应用，符合我国可持续发展能源战略规划，也是发展循环经济的一个重要模式，对于促进节能减排、打造低碳城市将产生积极的推动作用。相信随着国家政策支持和资金扶持力度的加大，以及太阳能光伏建筑一体化的技术发展，分布式光伏发电在建筑上的应用一定会得到大力的普及和快速的发展。