民用屋頂光伏發電并網技術探討

新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院 齊向陽

民用屋頂光伏發電并網技術探討

新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院 齊向陽

近年來，國家經濟得到了長足的發展，因此農民也變得越來越富裕。現如今農村用電來源主要是靠大型的國企發電廠發的電經過長距離輸送、變壓等得來的，傳統的發電能源主要依靠煤炭，但是煤炭的燃燒會產生大量的含硫含氮氣體，對生態環境的影響很大。本文以光伏發電作為研究對象，以民用屋頂光伏發電作為背景研究光伏發電的優勢。

光伏發電；民用

0.引言

在光伏發電的幾個聯網方式中，分布在屋頂的光伏發電方式越來越多的成為民用的主要方式。因其投入建設的費用低，且后期不需要怎么維護，光伏產生的電能除了能滿足自己的用電需求外，還可以將多余的電能輸送到國家建設的輸電網中，賣給國家。采用這種方式不僅可以賺的一部分利益，而且還有利于幫助現如今傳統發電方式對環境帶來的污染，以及緩解現如今光伏產業由于發展過快存在的產能過剩的情況。

1.研究意義

現如今，把光伏發電產業建設到民用屋頂的發電方式越來越受到歡迎，因其不占用可耕地資源，也不占用市政建設的土地資源，越來越成為光伏產業優勢發展的方向。而且因其可以接入公共電網，產生的電能可以以商品的形式投入到市場當中銷售，而且只需要接入公共電網即可進行售賣，使得盈利非常方便。此外，在屋頂建設光伏發電系統的過程中，要充分考慮所安裝的光伏器件的性能以及屋頂的布置方式，使得資源合理化最大化利用。

2.屋頂光伏發電系統組成及并網方式

光伏發電的原理主要是依靠光電效應，在發電系統中，將光伏器件安裝在自然人的屋頂，只要有光照射在光伏器件上，光電效應就會一直發生反應，電能就會源源不斷的產生，再經過安裝好的變電器，將光伏產生的電能電壓穩定下來，達到可使用的要求或者時輸送到公用電網之中。

2.1 屋頂光伏發電系統組成

光伏發電系統的組成簡單，不像傳統發電站那般復雜，一般光伏系統組成主要有，太陽能板，電池組、逆變器、小型變壓器等，在民用光伏發電系統中一般不會安裝儲能器件，因為民用發電系統產生的電能并不是非常多，沒有必要再在系統中安裝儲能器件，這樣也就降低了成本。

2.2 屋頂光伏發電并網方式

在我國的規定中工業用電為380V，民用則是220V。因此，光伏系統在并網之前要申請電壓的等級為380V或者時220V，在并網之后，通常所得的利益，收電公司都是以較長時間為結算周期將利益發放給個人的，一般的周期為一年或者半年。一般民用光伏發電產生的電能可以全部自己用或者全部接入公共電網，也可以在滿足自己用電需求的基礎上，將剩余的電能接入公共電網。但是在接入公共電網之前要通過個人申請階段，然后是審查部門對個人發電系統審查，在之后就是評估部門對發電系統產生的電能進行評估，只有通過評估才能接入公共電網發電。

已在滿足自己用電需求的基礎上再把多余的電能并入公共電網為例，再并入公共電網的節點處，應安裝具有一定延時、瞬時脫扣功能的斷路器，以防止光伏發電系統出現短路，在沒有保護器件的作用線，對整個公共電網造成不可挽回的破壞。此外，還要在接入公共電網節點處安裝一塊電表，用來監測光伏系統供入公共電網的電能多少。此外光伏公司和供電所應該也在相應的位置安裝電表，作為后期檢查電能質量和對光伏用戶發放利潤的依據。

3.光伏方陣布置

3.1 障礙避讓計算

在屋頂建設小型光伏發電系統與在地面建設大型光伏發電站最大的區別之處就是規模不一樣，并且在將產生的電能接入公共電網的時候收到的影響因素不一樣。大型地面光伏發電站在建設的過程中以及建設完成之后都會將周圍的樹木和一些危樓和危墻拆除掉，而且大型光伏地面發電站通常在選址的時候都會選擇在離居民區較遠的，很少有人去的偏僻地點，所以在接入公共電網的時候，一般不會有障礙物干擾線路。而屋頂光伏發電系統由于在接入電網的時候會受到很多不明確因素的影響，比如用戶自家院子建設個格局，空調外機掛在墻外可能對線路的影響，以及靠近房屋的樹木由于刮大風也可能對光伏系統產生擾動等。此外還有就是附近的高層建筑可能會遮擋本建筑的陽光等因素。根據國家明文規定，在特定的時間段內不受附近建筑遮擋的建筑屋頂方可在屋頂建設光伏發電系統，把我國劃分到北半球地域中，可計算出在早上九點到下午三點時間范圍內，臨近高層建筑產生的遮蓋范圍，再根據計算結果得出一年內總的遮蓋范圍。

式中：

α——為當時太陽高度角數值；

β——為當時太陽方位角數值；

φ——為當地緯度數值；

ω——為當時太陽時角數值；

δ——為當時太陽赤緯角數值；

可根據上面三個式子，推導處特定維度下的所需要的參數值。

式中所代表的意義分別為東西、南北方向陰影長度分量和東西、南北方向陰影倍率系數。

在屋頂建設光伏發電系統，不僅要在建設過程中考慮布局的合理性，而且還需要考慮后期需要對光伏發電系統進行必要的維護保養，這就有必要在建設過程中預留后期查看各個組件的空間。在建筑過程中要避免使用面積過于接近邊緣，以免出現大風天氣，影響裝置的穩定性。在使用材料方面要重復呢考慮材料的剛度和可靠性，避免使用強度低的材料，免得造成系統的癱瘓。

3.2 光伏方陣布置間距

在屋頂安裝光伏發電系統的時候，一般考慮的影響因素是立體的，即周圍建筑和樹木對系統的影響。根據屋頂的形狀和格局制定出合理的光伏系統布置方案，最好是多制定幾套方案，然后很具全局最有理論篩選出最優方案，使得布置更加合理，資源使用更加充分，用最小的空間生產出最多的電能。下圖是我國建筑的一般屋頂結構方式，一般可分為三種，即平屋面和坡屋面，而坡屋面以兩種典型的結構為代表，如圖1所示：

圖1 典型屋面形式

a圖表示的理想化的平屋面形狀，以根據我國的地理位置，光伏系統應該是面向南方的，因此可利用式(3)推導出方陣間的理論距離。

4.壓側系統配置

光伏組件是把電池組串聯起來然后做成整體，最后輸出的電流為直流電的設備，而多個電池串聯在一起輸出的電流就比較高，而且電流經過小型變壓器變壓就會轉變成適合民用或者工業使用的電壓，一般電流都會流入匯流箱或者是逆變器。

4.1 光伏組件串聯接線

一般子在布置光伏設備的時候考慮的要么是串聯方式要么是并聯方式，不會出現串聯和并聯共存的方式。在采用串聯方式連接光伏方陣的時候還可分為使一型方陣的U型方陣。而一般情況下建設的方陣通常為U型，因為U型在布置逆變器的時候方便很多，而且還可在一定程度上節約電纜使用量，節省了投資成本。

但是針對會發生高層遮擋的屋頂，在采用U型方陣排列光伏設備時，由于各組受到影響相同，產生的輸出電壓較低且輸出特性基本相同，不會出現大的偏差。而采用一型建設的光伏方陣由于受到遮擋后產生的電壓不同，因此輸出也會存在較大差異，此時在采用一型建設光伏系統時，要在各個串聯節點處安裝適當的電能緩沖裝置，輸出不同對整個光伏系統產生擾動，甚至使整個系統發生短路，造成系統癱瘓，產生經濟損失。在使用逆變器之后，要根據個元件的特性將其接入相應的控制單元，此外還應該把匯流箱安放在有遮陽裝置的地方，避免長時間的日曬造成內部元件老化速度加快。

4.2 光伏組件及逆變器選型

正如上文所說的一樣，屋頂光伏系統由于受到的影響眾多，使得輸出特性受到影響，最終導致發電發電質量受到影響。在建設光伏系統時，筆者建議采用一型光伏排列方式，再在節點處接入合適的逆變器，從而提高發電效率與發電質量。

4.3 合理配置的意義

在屋頂光伏系統中，根據實測結果的出了不同比例位置的硅片制成的電池在生產電能的過程中的表現不一樣，根據實驗數據建立起了電池材料的數據庫并得出了下面幾方面的意義：

(1)在電池中鬼片的位置不同電池的效果不一樣并且存在的電池衰減速度不同。

(2)電池中硅片的位置不同所產生的在短路發生時電路中電壓的衰減幅度也不相同，并且在開始和結束段衰減值較大，中間區域衰減值較小。

(3)對于降低光電反應中氧氣的濃度，采取有效的措施監測晶棒中養的含量，對于提高電池壽命和電池容量及穩定性具有重要的意義。

5.經濟效益評估

5.1 經濟成本

電設備投資相對來說還是很低的，再加上政府補貼也就很低了。主要成本包括一次投入建設資金，以及日后對系統的維護所要花費的成本。其中系統中主要光伏器件，像太陽能電板、小型變壓器、逆變器和電池組都是一次性成本，后期基本不會出現故障，多次成本的主要是一些較小的且價格便宜的器件。隨著產生的電能越來越多，這些成本也會越來越低，最終會使得自然人開始收益。

5.2 算例分析

現如今，民用光伏屋頂發電普及較好的以湖南省占優。以湖南地區的民用屋頂光伏發電為例，假設光伏發電容量為10Kv，,把光伏規模系數按1來算的話，隨著光伏技術的不斷更新，每年的發電量逐漸增加，投資成本再逐漸降低。以地區平均投資成本計算大約在5萬元左右。而湖南省該地區常年日照充足，不必考慮光照問題，把光伏系統轉化電能的效率按百分之八十計算，預計光伏發電系統能夠使用25年左右，居民用電價格按照低于市場價計算，設置在0.5元每度電，收回投資成本大約在三年左右，但是這里考慮的時隨著時間推移，忽略了電池組的存電能力會下降，也就是每年的發電量會下降，收益會有所降低，因此把實際計算出來收回成本的時間在加上半年到一年左右，因此，實際收回成本的時間在四年左右。

6.社會效益

6.1 電網企業

在自然人投資民用光伏屋頂發電之后，若把產生的電能接入電網，電能會以380V或者220V的形式接入，而接入公共電網的電能會被附近的居民或者用電企業直接消耗掉，不會出現輸送到較遠距離而產生較大損耗的現象。由于常溫超導技術還沒有取得突破，接入公共電網的線路必然會產生損耗，以送電量百分之八的損耗來計算的話，在光伏系統預計25年的使用壽命內，可減少相當多的電能損失。

6.2 節能減排

從第一次工業革命開始，全球工業都處在高速發展的道路上，相應的對能源的需求也是呈現每年劇增的方式，而工業快速發展所需要的能源就是電能，而產生電能的主要能源就是電能，由于煤炭的大量開采已對生態環境造成了難以恢復的創傷。以我國山西省為例，眾所周知山西省自古以來就是我國的煤炭大省，長時間的煤炭開采造成了很多地方的塌陷，而洗煤過程又會需要大量的水資源，洗煤之后的污水也會排到就近的河道，造成河流以及周邊生他系統的破壞，已成為當前亟待解決的問題。在使用燃煤發電的過程中，由于煤炭的燃燒并不十分充分，也會產生很對含硫含氮的有害氣體，這些氣體遇到水汽就會產生稀硫酸和稀硝酸，會再一次對環境長生破壞，為了使用煤炭發電，總共對生態產生三次破壞。這種結果不是我們想看到的，也是我們不愿看到的，因此使用清潔能源代替傳統的煤炭資源來發電已經成為當前發電廠面臨的一個重大轉變。

7.結束語

伴隨著當今世界生產速度的加快，能源危機已成為一項重大問題，在過去幾十年里，因能源而引發的大大小小的戰爭也不再少數，而太陽能作為一種清潔能源越來越多的受到國家的重視，作為一種可以說是取之不盡的清潔能源，能在較大規模上使用這種清潔能源時國家應具備的戰略目標以及人民的福祉。因太陽能的在光伏系統中，因太陽能的轉換效率高，對環境不產生污染，且不受地點的限制，應該應用到眾多領域之中。用屋頂光伏發電系統可有效的解決我國光伏產業產能過剩的問題，也能減少并網過程中大損耗的情況，對節能減排和提高居民用電的安全性和穩定性具有重大意義。在采用這種手段，長久考慮居民的收益與之初，能夠為居民帶來一筆可觀的收入。因此，有必要把民用屋頂光伏發電系統加大宣傳力度，推廣出去。

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