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如何在复杂屋顶上安装光伏?
2020-06-29

近年来,随着国内光伏市场日益成熟,工商业光伏不断推进,越来越多的厂房屋顶都装上了光伏,用上了清洁能源。但大型的、平坦的、朝向好的、无遮挡的水泥或者彩钢屋顶资源越来越少,剩下的还未被开发的可能是多角度、多朝向、有遮挡等多种结构的复杂屋顶。面对日益复杂的屋顶资源,如何在这些复杂屋顶上设计好光伏电站?既要控制成本,又要保证发电量,还要安全可靠,是每一个光伏设计师和投资方最关心的问题。



01-多角度、多朝向的屋顶



根据电路串联基本原理,在同一个回路下,电流的大小是由最小的一块组件决定的,也就是我们熟知的木桶效应原理。因此在设计组串时,要让每台逆变器的每个回路的组件型号、安装角度,组串数量都尽可能的保持一致。逆变器每个MPPT回路都是独立运行的,相互之间不干扰,因此不同的MPPT回路可以不一样。


面对结构复杂的屋顶时,可以根据局部一致性的组件数量,选择多台逆变器或多路MPPT的逆变器的设计方案。目前逆变器技术十分成熟,已经解决了多台逆变器并联的谐波抑制问题,不同功率的逆变器,在电网端并在一起,也没有任何问题。在光伏功率较大的项目中,则可以选择单机功率大且具备多路MPPT的逆变器来进一步降低复杂屋顶条件下的组件串并联失配损失。


▲MAX 100-125KTL3-X LV系列

10路MPPT设计,最大化降低组串失配损失


在一些更为复杂的场景中,有可能会同时出现三相并网和单相并网,这时三相逆变器和单相逆变器,也可并在一起。根据现行的国家标准《低压配电设计规范》,低压配电系统有三种形式,即IT系统、TT系统、TN系统。其中IT系统没有零线,TT系统、TN系统有零线,在工商业和民用系统中,绝大多数是TN系统。并网逆变器接入电网,三相逆变器是三相五线,单相逆变器是一根火线、一根零线加一根地线,因此在有三相和单相同时并网的场景下,电气连接上是不存在问题的。


★注意:单相逆变器接入三相电网,要注意三相不平衡的问题,因此要尽量把单相逆变器接入负荷最大的那一相,如果是多台单相机型,则尽量平均分配分别接在三相上面。



02-有阴影遮挡的屋顶


光伏电站的阴影可分为暂时性阴影、环境阴影和系统自身阴影。很多因素会造成光伏阵列上的暂时性的阴影,例如:下雪、落叶、鸟粪以及其他形式的污染物等;通常情况下大于12°的光伏组件的倾角对光伏阵列的自洁较为有利。      


系统自身阴影主要是组件前后排自身的遮挡,在设计时可以根据安装倾角和组件尺寸计算出阵列间距,保证在冬至日当天太阳9:00-15:00时不被遮挡


光伏电站建设过程中,环境阴影比较常见,楼面周围的高大建筑、气楼、屋顶高差或树木等对光伏组件形成阴影,都会造成光伏组串发电量损失。如果安装条件受限制,不得不在有阴影的地方安装太阳能组件,可采取以下方法,尽量减少损失:

(1)太阳辐照都是每天中午前后最强,在10点到15点的发电量占了80%以上,早晚的光线则弱一点,可以调整组件安装角度,尽量让阴影避开发电高峰时间,这样可减少一部分损失。


(2)让可能有阴影的组件,集中在一台逆变器,或集中在一个MPPT回路上,这样有阴影的组件,就不会影响正常的组件。





03-安装倾角不是最佳的屋项


光伏组件的安装角度包含两个角度:倾角、方位角。倾角(高度角):光伏组件与水平地面之间的夹角。方位角:光伏组件的朝向与正南方向的夹角。无论是倾角的变化,还是方位角的变化,都会对光伏项目发电量造成影响。




由上图可看到,假定组件在最佳安装角度时效率是100%,如果倾角不对,发电量损失就比较大,如垂直安装时效率只有59%。对于一个光伏方阵斜面而言,太阳在其上的入射角度的不同会导致其单位面积所接收到的太阳法向辐射量不同,而光伏方阵的安装倾角变化会使得太阳的入射角发生变化从而影响其辐射接收量,进而导致组件发电量降低。


▲组件接收太阳辐照示意图



对于水泥楼面型的厂房,大部分都可以采用最佳倾角进行阵列设计,根据以往工程经验,最佳安装倾角一般小于当地纬度 5°~10°


对于工业彩钢厂房,彩钢瓦本身的倾斜角度一般只有10度左右,如果按照这个角度去安装光伏组件,整体效率比较低,损失比较大,有条件的可以采用彩钢瓦带角度太阳能支架,适当增加安装角度,提高光伏系统的效率。但在设计时,需注意几点:在沿海地区,要注意台风,因为角度升高会产生负风压,支架的抗风设计要超过当地的最强台风载荷;在北方地区,则要注意积雪的影响,需计算雪载荷和设计融雪通道。


▲带角度的彩钢瓦安装案例




04-承重不够的屋顶


目前工商业项目普遍存在几个难点:有些效益好的企业屋顶可能比较老旧,楼面满足不了承重的要求,安装光伏要单独加固屋顶,增加了很多成本;一些机场、商场等屋顶都是玻璃顶,业主既想安装光伏,又不想破坏以前的玻璃结构。那该如何解决这类屋顶的安装痛点呢?


目前市面上推出的BIPV组件就可解决这个难题。从建筑的载荷限制以及安装难度限制条件方面来看,BIPV组件对于轻质、柔性的要求更为严苛,更低的重量可以最大程度降低建筑的承重压力,其自身重量远远低于常规组件,有些只有常规组件重量的四分之一,能够有效降低老旧楼面的荷载限制,适合安装在承重不足的屋顶。组件与彩钢瓦之间采用建筑结构胶连接,代替传统的固定支架,能够降低系统整体成本20%以上。对玻璃屋顶也可用,用结构胶粘上去即可,安装简单,且不增加额外的承重。


在国家“3060”碳目标政策和日益增长的社会用电需求背景下,越来越多的企业开始参与工商业光伏项目建设,但好的屋顶资源总是有限的,面对越来越复杂的光伏屋顶,我们可以从设备选型、系统设计等多个方面来解决复杂屋顶的光伏安装问题,让越来越多的业主用上清洁能源。


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