一种屋顶光伏发电系统的方案研究

0引言

随着全球能源危机与环境污染问题的 日益严峻,开发利用可再生能源已成为全球共识。太阳能作为一种清洁、可再生能源,具有分布广泛、取之不尽的特点,分布式光伏发电系统通过在建筑物屋顶等闲置空间安装光伏组件,实现太阳能到电能的直接转换,不仅能缓解电网供电压力,还能减少化石能源消耗与温室气体排放[1]。我国拥有丰富的屋顶资源,发展分布式光伏具有巨大潜力。某小学的屋顶分布式光伏发电项目的实施,是落实国家能源战略、推动地方能源结构转型的重要实践[2]。本文通过对该项目的全面分析,深入探讨屋顶光伏系统的技术方案与实施路径,为分布式光伏项目的规划、设计与运营提供科学依据[3]。

1 工程概况

1.1项目站址情况简介

项目位于江门市某山村小学,利用校内两栋建筑屋顶建设分布式光伏系统。其中,一号楼屋顶长宽尺寸为32 300 mm×8 400 mm,可利用面积约271.32 m²;二号楼屋顶长宽尺寸为18 500 mm×6 800 mm,可利用面积约125.8m² ;总可用屋顶面积约397.12m²。屋顶为混凝土结构屋面,承载能力满足光伏支架安装要求,且周边无高大建筑物遮挡, 日照条件良好。项目所在地交通便利,便于设备运输与施工部署,且电网接入条件成熟,为光伏电力的就近并网提供了有利条件。

1.2太阳能资源情况简介

根据NASA与Meteonorm数据库的辐射量数据综合分析,项目地太阳辐射量稳定,其多年平均太阳总辐射量为1356.52kW. h/m²,依据GB/T37526—2019《太阳能资源评估方法》,该区域属于“资源丰富”等级(C级),适合大型光伏电站建设。从全国太阳能资源分布来看,项目地处于三类地区(丰富带),年均日照时数充足,太阳能资源开发利用潜力显著,为光伏系统的高效发电提供了坚实的资源基础。

2项目整体方案

2.1光伏发电系统的构成

如图1所示,屋顶光伏发电系统主要由光伏组件、支架系统、汇流箱、逆变器、电气设备及监控系统等部分构成。光伏组件是能量转换的核心单元,负责将太阳能转化为直流电能;支架系统用于固定组件,确保其在各种气候条件下的稳定性;逆变器将直流电能转换为符合电网要求的交流电能;电气设备包括并网箱、电缆等,实现电能的传输与分配;监控系统则实时监测系统运行状态,保障系统安全高效运行。

2.2光伏组件选择与布置

本设计选择晶科能源TigerNeo系列JKM635N-72HL4组件,该组件为N型单晶硅(TopCon技术)组件,采用72片×210mm半片电池片,封装方式为2.5mm玻璃+白色EVA胶膜双玻封装。在电气性能方面,标准测试条件(STC)下峰值功率为635 WP,转换效率达22.7%(组件面积2.795 m2,635 W/27950cm²),开路电压voc为54.5 V,峰值工作电压vmpp为48.2 V,短路电流Isc为14.7A,峰值工作电流Impp为13.9A,低温修正系数Kv 为-0.30%/℃,优于常规PERC组件的-0.35%/℃,高温修正系数k/v为-0.26%/℃ 。物理参数上,组件尺寸为2 465 mm× 1134 mm×30mm,与项目屋顶排布完全匹配。可靠性方面,最大系统电压为1 500 V,兼容高压并网系统,具备IP65防护等级,适应岭南气候,为项目25年稳定运行提供了技术保障。

该光伏组件通过高功率密度、低温度系数及双面发电特性,在该小学屋顶实现了“小面积高收益”的目标 。其 电气参数与逆变器MPPT(MAXimum PowerPointTrAcking,最大功率点追踪)深度匹配,物理设计适应岭南气候,为项目25年稳定运行提供了技术保障。结合组件尺寸及屋顶可使用面积,计算出一号楼竖向布置4行29列共116块,二号楼竖向布置3行17列共51块,两栋楼总共布置167块,总装机容量为106.045 kWp。

2.3光伏组串设计

本设计根据装机容量选择阳光电源SG100CX组串式逆变器,其额定交流功率为100 kW,最大直流输入功率110 kW,具备16路MPPT即最大功率点跟踪通道,每路MPPT电压范围为150~1 000 V,可灵活适配不同光照条件下的组串电压需求,每路MPPT最大输入电流为15 A,能够兼容组件峰值工作电流13.9 A的运行要求。其最大直流输入电压vdcmAX为1100 V,满足组件串联后的电压安全范围,防护等级达IP65,适应户外潮湿多尘环境,为系统稳定运行提供了保障。

为确保低温环境下组串电压不超过逆变器最大输入电压1100 V,组串组件数最大值按下式计算:

式中:NmAX为光伏组件的最大串联数量,即保证逆变器安全运行的最大组件串联数;vdcmAX为逆变器允许的最大直流输入电压;voc为开路电压;t为光伏组件工作条件下的极限低温,项目取当地极端低温-5℃ ;kv为低温修正系数。

分母通过voc乘以低温修正量[1+(t-25)×kv],计算出低温时组串的实际开路电压,确保其不超过逆变器最大输入电压vdcmAX,从而得出安全串联数量上限。

为保证逆变器MPPT功能有效实现,组件串联数量不可太少,最小组件串联数量Nmin按下式计算:

式中:vmpptmin为逆变器MPPT电压范围的最小值;vmpp表示光伏组件在标准测试条件下的峰值工作电压,JKM635N组件为48.2 V,是组件输出最大功率时的电压值;t'为光伏组件工作条件下的极限高温,项 目取当地极端高温40℃,用于修正高温环境对组件电压的影响;k'v为高温修正系数。

分母通过vmpp乘以高温修正量[1+(t/-25)×k'v]计算出高温时组串的实际峰值工作电压,确保其不低于逆变器MPPT最低电压vmpptmin,从而得出安全串联数量下限。

代入数据求出本设计中的NmAX为18块,Nmin为4块,故本次设计的每串组件数量必须在4~18之间,结合屋顶布局和逆变器MPPT路数,设计出具体的组串接线如图2所示。

3并网方案设计

本项目并网方案以适配某小学屋顶光伏系统的实际需求为核心,结合晶科JKM635N-72HL4组件与阳光电源SG100CX逆变器的技术特性进行设计,确保系统安全高效接入电网。

3.1接入方案与电气主接线

项目采用0.4 kV低压并网方式,在学校配电室设置1个并网点,通过低压电缆将逆变器输出的交流电接入电网低压母线。该方案遵循“分块发电、就近并网”原则,逆变器输出端经YJV-0.6/1kV 4 ×35 mm2铠装电缆连接至并网箱,再通过计量装置实现“全额上网”。并网箱采用防护等级IP65的304不锈钢材质,内置HD11F—150/4P隔离开关、CM1—125A/4P断路器及40KA浪涌保护器(SPD),进线与出线均从箱体底面引入,孔洞采用防火泥封堵,防止雨水与小动物侵入。

电气主接线采用组串式结构:167块635 Wp组件分为13路组串 (PV1~PV13),其中PV1~PV4每路15块、PV5~PV8每路14块、PV9~PV10分别为8块和9块、PV11~PV12各11块、PV13为12块,各组串通过 PV1—F1×4mm2光伏专 用 电 缆接入 阳 光 电源SG100CX逆变器的16路MPPT接口,实际使用13路,预留3路扩容空间。根据公式计算,组串数量需满足4~18块/串的安全范围,当前设计中所有组串的组件数量均满足要求,组串电压均可运行于MPPT有效区间,且接线贴合实际现场,有利于运维。本设计的主接线图如图3所示。

3.2保护配置与通信方案

系统配置多级保护机制:逆变器内置防孤岛检测功能,当电网异常时0.5 S内断开并网开关;并网断路器具备过电压(>110%额定电压)、欠电压(<90%额定电压)及短路保护功能,故障时快速切断电路;并网箱内SPD模块可吸收雷电过电压,组件边框与支架通过4mm2等电位线接入防雷接地网 (接地电阻≤4 Ω),形成完整的防雷体系。

通信方案采用RS485+GPRS双模式:逆变器通过RS485接口连接数据采集器,实时采集各组串电压、电流及逆变器输出功率等数据,再经GPRS模块上传至云平台。用户可通过手机APP或电脑终端查看实时运行数据(如日/月/年发电量、等效利用小时数)及故障报警信息(如过流、过热),同时系统预留与电网调度中心的通信接口,满足新能源数据上送要求。

本并网方案通过精准匹配组件与逆变器参数、优化电气接线及强化保护通信功能,确保该小学光伏系统安全可靠并网,实现“发-输-配”全流程的高效管理与风险防控。

4结束语

本文以某小学屋顶分布式光伏发电项目为研究对象,系统探讨了屋顶光伏系统的方案设计与实施路径。研究围绕项目的工程特性与区域资源条件,从光伏组件选型、组串设计、并网技术等维度构建了完整的技术方案框架。通过分析屋顶空间布局与太阳能资源特征,确定了适配的单晶硅组件与多MPPT逆变器组合,形成了“分块发电、就近并网”的优化设计,并对系统保护、通信及电缆敷设等关键环节进行了针对性规划。该屋顶光伏系统在技术上具备可行性,通过多MPPT逆变器与差异化组串设计,有效提升了复杂屋顶场景下的发电效率,其方案对同类小规模分布式光伏项目具有参考价值。

[参考文献]

[1] 光伏发电工程可行性研究报告编制办法(试行):GD003—2011[s].

[2]光伏发电站设计标准:GB 50797—2012[s].

[3]郭毅.屋顶分布式光伏电站的设计与研究[J].能源科技,2025,23(2):55-58.

《机电信息》2025年第16期第4篇