新型太陽能光伏車棚設計與應用

李其偉

（中鐵十七局集團電氣化工程有限公司，山西 太原 030000）

1 光伏系統設計的概念

太陽能光伏停車棚在滿足市民停車方便的同時，也安裝了智能充電樁，解決了市民外出充電難的困難。太陽能光伏發電模塊和停車棚組成太陽能光伏停車棚系統。太陽能光伏發電模塊由太陽能控制器、太陽能電池陣列、防雷接地系統、并網逆變器、計量裝置和匯流箱組成。停車棚體結構和相應的負載單元組成了停車棚模塊，同時停車棚里還安裝了照明單元、防盜單元、智能充電樁、顯示單元、報警單元和智能防火等。

不同的建筑其并網電站是不同的，所以并網電站要根據具體的建筑選用多種形式子系統進行組建。非晶硅電池組件及微晶硅疊層薄膜中空組件和單、多晶硅構件可供構件選擇。設計方案時，為了確保系統工作可發揮最大效果，收獲大的能效比，可依據非晶硅電池、硅電池的不同特點設計相應的方案。選用微晶硅組件通常是在有遮擋的地方，或在偏離垂直入射、散射光的情況下選用；選用單、多硅光伏組件通常是處于垂直入射光、無遮擋處情況下。本項目選用的是CIGS組件和微晶硅薄膜光伏組件，是因為車棚屬于光電建筑一體化，選用CIGS組建和微晶硅薄膜光伏組件可大幅提升該項目的質量。微晶硅薄膜電池集中逆變器子系統和CIGS電池集中逆變器子系統的設計方案見圖1和圖2。

圖1 微晶硅薄膜光伏組件集中逆變器子系統設計圖

圖2 CIGS光伏組件集中逆變器子系統設計圖

2 設計新型太陽能光伏車棚

2.1 設計棚頂的光伏組件

選 用“TCO玻 璃+0.76PVB+3.2mm 鋼 化 玻璃+副框型材”結構，同時在加工時要經過邊緣處理，四周倒棱1×45°。為了提高組件的整體的負荷承載能力，應在光伏組件的背面安裝副框型材，并且利用硅酮結構膠和雙面膠構成NIPV組件。利用壓塊將光伏玻璃單元固定在主、次龍骨上，主龍骨為鋼方管，次龍骨為角鋼。為了滿足《建筑用硅酮結構密封膠》（GB 16776-2005）和《幕墻玻璃接縫用密封膠》（JC/T 882-2001）的要求，選用中原系列的密封膠進行密封工作。彩鋼板要安裝在車棚鋼結構棚頂，同時組件要利用不銹鋼專用夾具固定在彩鋼板上。

2.2 設計連接結構

通過對主體結構上的鋼梁進行焊接形成網狀鋼結構。選用Q235鋼材作為連接件和鋼龍骨，且必須在其表面噴涂冷氟碳。當對光伏車棚棚頂和主體鋼結構進行連接時要滿足以下幾點要求：（1）承載力一定要滿足重力和風的負荷，同時還要滿足溫度和抗震作用。（2）當上述負荷產生時，車棚頂上的光伏構件不發生形變，并且光伏匯流箱和光伏電纜走線要安裝在合適的位置。

2.3 增強抗震能力

為了增強光伏車棚的抗震能力，設計基本地震加速度為0.08g，抗震度為七度。具體在施工中的措施為：（1）光伏組件車棚棚頂與主體相連，充分考慮縱向和橫向在地震發生時的變形，確保變位能力符合抗震要求。（2）必須嚴格計算鋼支結構與主體的承載力、鋼支座的連接強度和主體的承載力。（3）計算材料的撓度和強度時，也要充分考慮地震力的組合效果。

2.4 選擇計量裝置

安裝雙向計量電能表一定是在太陽能光伏停車棚竣工檢驗合格后進行的，選用雙向計量電能表主要有兩方面原因：（1）當系統發出的電在滿足用戶所需的電量時，一部分電能不能被完全消耗，所以不能被完全消耗的電需要再重新輸送到電網，雙向計量電能表可起到實時用電量的記錄。（2）當系統發出電滿足不了用戶的用電量，這時候需要電網進行輸送并且電能表需記錄兩個數字，而普通電表無法完成此項記錄，所以只能選用雙向計量電能表。本項目使用的雙向計量電能表的產品型號為DTS238-S，且為雙向計量三相電能表。

2.5 設計電路和防雷

2.5.1 設計電路

選用太陽能發電并網技術，并利用信息網絡管理系統對此并網發電過程和數據的采集和傳輸進行監控，只有這樣才能應對廠家對逆變器數據不完全開放的缺點。

2.5.2 分析系統安全性

首先要對各種配件進行檢測，確保質量的穩定性，然后要保障系統避免遭遇外部因素影響。系統元件受外部因素的影響很大，對元件造成很大影響的外部因素通常有浪涌和雷擊等。浪涌和雷擊會對光伏并網發電系統造成影響，所以為了避免外部等破壞性因素，通過安裝防雷設備對其系統進行保護。對于產生的交流電，逆變器產生的交流電要想和電網連接，必須經過配電柜才能實現。為了防止產生電涌浪網、雷電影響，已主動采取防雷保護措施。對于產生的直流電，首先太陽能光伏結構要具備接地性能，然后通過安裝防雷配電柜和防雷匯流箱可有效對光伏并網系統進行保護。

2.5.3 描述系統并網

（1）對1#、3#、5#、7#光伏陣列進行光伏組件鋪設，鋪設的光伏組件必須是微晶硅薄膜，數量為1720塊；將2112塊CIGS光伏組件鋪設在2#、4#、6#、8#光伏陣列。兩種不同的陣列各使用2臺125kW三相并網逆變器，同時光伏陣列匯入到綜合樓低壓配電室三相配電柜中。（2）使用CIGS光伏組件對9#～14#光伏陣列進行鋪設，鋪設時共使用CIGS光伏組件330塊。將光伏陣列匯入到綜合樓低壓配電室三相配電柜中，逆變器各選用20kW和30kW三相并網一臺。（3）使用285塊微晶硅薄膜光伏組件對5#、16#光伏陣列進行鋪設，并且將其匯入到綜合樓低壓配電室三相配電柜中，同時使用逆變器為50kW三相并網逆變器，數量為1臺。

2.5.4 配電房和光伏設備室的分布和布線

光伏設備室應安裝在園區的配電室區域，設備室并且選用景觀配電房。在鋼柱上安裝一級直流匯線箱，光伏組件串接后要匯入一級直流匯線箱，前提是要經過PVC線槽；鋪設PVC線檁條要隨著鋼柱到二級直流匯線箱，然后光伏組件到二級直流匯線箱，再返回到線槽，從而到達光伏設備內，期間一定要沿著鋼柱。在每棟宿舍的一樓都設有配電房，PVC線槽要沿著屋面鋪設，PVC線管要穿墻與雨水管一同到達地面，最后到達配電房。

3 應用效果

某公園所處的地區太陽輻射強，年平均輻射量高大1383kWh/m2，標準的輻照度可達到1.383，光伏組件的轉化率高達13.39%，所以設計將太陽能光伏停車棚建在公園。光伏系統全年可發出的電量為45.001MWh，但損失的電量也高達 7.857MWh，實際有效電量為37.144MWh，應加大對技術的開發，避免資源浪費。

光伏發電系統能量損失主要有以下幾個方面：（1）光伏陣列損失為11.7，造成光伏陣列損失主要與組件選用的類型、溫度和匹配有關。（2）逆變器在進行轉換工作過程中的運行損失為6.5%。（3）綜合入射角的修正損失為3.2%，綜合入射角的修正損失主要是一天中太陽照射光伏組件的角度在不斷發生變化，從而影響到了光伏陣列的輸出功率。造成光伏發電系統能量損失的因素中，選用組件的溫度和逆變器造成的損失最大，所以為了有效減少損失，應減少光伏組件溫度造成的損失，因為逆變器造成的損失是不可避免的。在減少太陽能光伏停車棚時，應充分考慮光伏組件的通風環境，只有光伏組件在一個良好的通風環境下運作，才能有效減少光伏發電系統損失能量。

4 結語

綜上所述，進行太陽能光伏車棚設計可有效解決能源短缺的問題，而且可有效降低環境污染。在當前市場環境下，光伏組件主要使用晶硅組件。雖然GISGS光伏組件和微晶薄膜光伏組件光電轉換效率非常低，但其具有較小的溫度系數、良好的弱光效應和較好的高溫性能，外形也較美觀，非常適用于太陽能光伏車棚設計，值得推廣應用。