分布式光伏發電系統安裝過程中對屋面的影響及用電安全分析

胡俊新

安徽四創電子科技股份有限公司，安徽合肥 230000

光伏發電主要是通過應用光伏組件、逆變器等電子設備，使太陽能轉化為電能的現代化發電方式。可以說，這是一種新型的、清潔的、環保的、發展空間廣闊的綜合能源利用方式。一方面，光伏發電系統發展至今技術已非常成熟，維護簡單，完全可以做到無人值守，綠色、環保、可再生是其廣受推廣的主要原因；另一方面，還切實緩解了電能在長距離運輸過程中的損耗問題，對現代能源結構具有重要意義。

1 分布式光伏電站屋面選擇與支架結構方案的思考

現階段，比較常見的屋頂分布式光伏發電站主要建設于兩種類型屋面，即混凝土屋面以及工廠廠區彩鋼板屋面。這兩種屋面，在應用方面各有其優點，在支架結構設計方面也存在一定的差異性。下面，就對這兩種屋面應用形式進行分析研究。

1.1 混凝土屋面

混凝土屋面與彩鋼瓦屋面相比較，其承載能力能較強，能夠承受較強的風壓以及雪壓，安全性以及穩定性突出。同時，這一結構屋面不需要在原屋頂上進行打孔、改造、破壞，對屋面的防水、隔熱保溫不產生任何負面影響。現階段，比較常見的混凝土屋面支架結構方案主要落實在以下幾個方面：第一種，預制負重鋼筋混凝土塊結構。這一方案首先需要對施工地的風速以及風向進行調查，對風壓進行計算。在此基礎之上，可以對混凝土塊的配重進行計算。在施工時，先加工好混凝土塊，再到現場進行安裝。第二種，預制鋼筋混凝土壓塊方案。為了使組件支架能夠在風壓作用之下保證穩定性，可以將支架直接放置在屋面平面上，并于橫梁位置添加混凝土壓塊。第三種，現澆支架結構。這一方式主要是將屋面的部分鋼筋露出，并焊接基礎支架。在這一基礎上，進行混凝土的澆筑，以此形成屋面結構。第四種，主要是考慮老舊建筑屋頂的承重問題，可以選擇利用鋼構材料將光伏陣列前后左右排焊接形成一個整體，利用系統自重，最后與女兒墻有效連接，如此可以減輕負重塊重量或不用負重塊，從而減輕光伏發電系統加載在屋頂的重量來保證屋面的使用安全。

1.2 彩鋼瓦屋面

彩鋼瓦一般應用于輕鋼結構的建筑物之上，其重量較輕，施工方便。一般工業廠房彩鋼板屋面較為空曠、屋頂面積規模較大，對分布式光伏發電站的建設具有非常大的推廣價值。現階段，比較常見的彩鋼瓦屋面支架結構主要涵蓋以下幾個重要方面。首先，直立鎖邊結構，主要是通過夾具將螺栓擰入，以此實現連接緊固的效果，而不需要應用穿透板，對屋面防水層沒有破壞。其次，角馳型結構，主要根據波峰的形狀，通過夾扣的形式對導軌進行固定，以此實現組件的安裝。再次，梯形結構，即通過自攻螺釘與橡膠墊配合（必要時加專用防水膠）實現夾具在屋頂的固定，在此基礎上，落實導軌的安裝以及組件的固定。彩鋼板屋頂的光伏系統支架直接利用專用的夾具來安裝固定，進而使光伏組件與屋面彩鋼板形成一個統一整體，無需加裝混凝土屋面的負重塊，這樣系統整體加載在屋頂的重量較混凝土屋面輕。

2 分布式系統光伏支架的強度及屋面承重計算

2.1 混凝土屋面負重式光伏支架屋面

首先，要進行取值設計。舉例說明，某一區域的荷重最大設固定負載為G=136，風壓荷載是W[2]。其安裝面積的長為10.125m，寬為2.973m。如此，就可以對支架的強度進行運算。下面，就以具體的實例進行運算實踐。已知組件尺寸為1640mm×990mm×50mm；組件重量為20kg；最大風速為30m/s。安裝方式：組件安裝采用縱向2×10陣列安裝，20塊組件為一個單元；采用固定傾角鋼支架，支架傾角為33°（對于混凝土屋面，采用最佳傾角33°安裝的系統需要考慮足夠的配重，確保組件方陣的穩定可靠）。屋面高度為10 m。

現以2×10陣列為一個單元進行計算，則光伏組件質量G1=20kg×20=400kg，因此，C形軌道承載的固定荷載重量G=400×9.8=3920N，根據 《建筑結構荷載規范》，再考慮風載荷W、雪荷載S、地震荷載FEk、荷載基本組合P，通過現場環境參數計算材料彎曲應力δ，比對受彎構件允許的撓度值L/250，來確定支架結構的安全性。屋頂承重的相關計算：光伏組件質量G1=20×20=400 kg，支架總荷質量G2=136 kg，混凝土基礎質量G3=160×10=1600 kg。因此，總荷重G4=400+136+1600= 2136kg，組件安裝面積為10.125×2.973=30.1m2；屋頂單位面積受力為2136/30.1=70.96kg/m2=0.80kN/m2。

由于本項目建筑均為上人屋面，根據GB50009—2012《建筑結構荷載規范》設計，混凝土屋面設計載荷為2 kN/ m2，屋頂平均載荷為0.80kN/m2，安裝太陽能方陣后的載荷遠小于設計載荷，所以屋面承重安全。

2.2 彩鋼板屋頂光伏系統屋面承重計算

彩鋼板屋頂光伏組件的排布、支架設計主要考慮屋頂的承重、采光、通風、排水、電纜敷設、電氣設備安裝、后期維護等因素，光伏板鋪設密度一般取屋頂整體面積的0.6～0.9左右，具體光伏組件分布情況還需視屋頂載荷分析情況來校核。彩鋼板屋頂光伏系統重量主要為太陽能光伏組件、導軌支架、夾具、電纜等的自重，目前加裝在屋頂的光伏支架系統單位重量一般約20kg/m2，通過分析屋頂載荷來復核加裝的光伏系統重量是否滿足屋頂的安全承重，必要時應減少屋頂面積利用率。

3 屋頂光伏發電系統的構造與電能質量

3.1 構造

屋頂光伏發電系統的構造主要由太陽電池組件以及控制逆變兩部分構成。太陽能電池組件是電能的應用模塊，其決定著光伏發電系統的應用效果以及應用價值。而控制系統是光伏發電系統的控制核心，其主要負責系統的運行，對系統的效能以及安全性具有非常重要的實際影響，其主要由匯流箱、逆變器、防雷接地裝置構成。匯流箱的作用，主要就是對系統之中的多個太陽能組件進行匯總操作，使分散的電能有機的集中起來。如此，通過匯流箱將相同規格的列陣串聯起來，進行統一的輸出。一方面優化了系統的實用性以及可靠性，有利于提高運行的效率。另一方面，有利于便捷的開展檢修工作，能夠在一定程度上提高系統的安全性以及穩定性。可以說，通過匯流箱的作用，使系統有機的發揮出了其最大的功效。

逆變器，就是使系統之中運行的直流電轉化為交流電的裝置內容[3]。逆變器的作用，在某種程度上決定了系統的整體輸出效率，對光伏發電系統的運行具有重要意義。逆變器的工作原理主要是對半導體的功率開關進行中斷以及聯通，以此實現直流電與交流電之間的轉換，可以說，其是整流發生變化的逆變流程。

為了保證光伏系統運行的安全性以及可靠性，必須要對系統進行防雷接地設置。通過這一裝置，能夠有效地避免線路或裝置被雷電擊中，并在發生雷擊現象的時候，直接將雷電所攜帶的電壓導入到地面之中，以此避免或降低雷電對系統造成的損害，進而實現保護系統運行安全性以及穩定性的根本目的。

3.2 電能質量評價

一個較為理想的電力系統，應該能夠通過恒定的標準頻率進行電能的輸送，并按照嚴格標準電壓數值對用戶進行供電，以此保證電力系統運行的安全性。一般來說，對電能質量的評價可以落實在電壓偏差、電壓波動、電壓閃變、電網諧波、三項不平衡度等幾個方面。按照我國的 《光伏發電站接入電力系統技術規定》以及《光伏發電系統并網技術要求》 的相關規定，光伏系統在向相應區域內提供電能時，應該在電壓、諧波、頻率、波形畸變、功率因數等方面滿足既定的標準。

逆變器是分布式光伏發電系統中對電能質量影響最為關鍵的一個設備，逆變器的好壞直接影響分布式光伏發電系統的電能質量，逆變器在出廠使用時各項指標必須滿足國家電網標準，逆變器在使用前必須通過NB/T 32004—2013光伏發電并網逆變器技術規范、CGC-R46016l：2013 太陽能光伏產品認證實施細則、光伏并網逆變器 （判定依據） 等相關檢測標準。

大型的分布式光伏發電項目并網驗收要求更為嚴格，項目在竣工后，施工單位、監理方、業主方三方對項目質量進行檢查并消缺，消缺完成后向縣、市供電部門提出并網驗收申請，供電部門根據分布式光伏發電項目并網技術驗收規范來驗收項目直至達到驗收標準，這樣層層把關就保證了分布式光伏發電系統在投運前的用電安全。大型的分布式光伏發電項目在并網前還需提供有資質單位出具的環境評估報告、電能質量檢測報告等資料，完全保證了分布式光伏發電項目的用電安全、環境安全[4]。

現階段的光伏發電系統，在以上各部分指標方面，都能夠滿足GB/T14549—1992的標準要求，其中，諧波電流普遍處于逆變器評定輸出的5%以下，偶次諧波能夠保證在諧波限制的25%以下。這一標準意味著光伏發電系統完全不會對周圍的用戶造成身體上的不良影響，完全能夠投入普及使用。

4 結語

綜上所述，分布式光伏系統是我國現階段重點開發的新能源項目，其對優化我國的能源結構，推進能源產業的健康穩定發展具有重要的積極意義。對此，必須要落實系統對屋面的影響，并進行科學的支架結構選擇，嚴格把抓設備質量及項目施工質量，以此促進系統的可持續發展。

[1] 韋立坤，趙波，吳紅斌，等.虛擬電廠下計及大規模分布式光伏的儲能系統配置優化模型[J].電力系統自動化，2015，39（23）：66-74.

[2] 劉皓明，陸丹，楊波，等.可平抑高滲透分布式光伏發電功率波動的儲能電站調度策略[J].高電壓技術，2015，41（10）：3213-3223.

[3] 買發軍，潘甲龍，白榮麗. 混凝土平屋面光伏支架強度及屋面承重計算[J].太陽能與建筑，2015，11（13）：63-64.

[4] 劉健，黃煒.分布式光伏電源與負荷分布接近條件下的可接入容量分析[J].電網技術，2015，39（2）：299-306.