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家庭分布式光伏發電設計與安裝步驟

家庭分布式光伏發電設計與安裝步驟

 

一、分布式光伏發電系統設計

 

1.根據用戶需求設計電池板功率。具體的設計標準請參照GB 50797-2012 《光伏發電站設計規范》中的相關規定。

 

安裝分布式光伏發電系統前,要根據用戶的需求設計電池板的功率。首先要考慮用戶每日的用電量,太陽能光伏發電量首先要滿足用戶的家庭用電,這樣的設計才能夠有多余的電量上傳給國家電網。

 

目前的城鎮居民每戶的月平均用電量為一百五十度左右(1度=1千瓦時,下同),即每日的用電量為5度。按照2000瓦的電池板系統計算,假設每日的平均光照為6小時,這樣每小時的發電量為1.5度,每天的發電量為9度。這樣不僅可以滿足自己的用電,而且可以將剩余的電力上傳給國家電網。

 

家用太陽能光伏發電系統配置的簡便計算方法:因為地球表面太陽常數約等于1000瓦每平方米,這一輻射強度是太陽能光伏發電系統中電池組件測試的標準光強。對于交流系統設計來說,與直流系統方法原則上一樣,只是在系統效率取值時加入了逆變器的效率,以及在選擇主回路導線線徑上有所區別。

 

關于逆變器在系統中的效率,不能僅僅與其他效率相乘得到系統總效率,還應對這樣計算出的系統總效率進行修正。具體的效率參數修正標準請參照GB/T 39857-2021《光伏發電效率技術規范》的相關規定。

 

2. 根據房屋面積設計電池板功率

 

我們在申請并網發電的同時,需要上繳用戶的房產證明,并且還要統計房屋的屋頂面積。這不僅是安裝的前提,還要考慮到相應的太陽能電池板是否能夠安裝在用戶的屋頂上。因為相應功率的發電系統需配置相應的電池板數目,還要考慮到房屋整天的光照條件。

 

這樣就必須計算房屋面積來確保太陽能發電系統的正常安裝。從理論上來說,所有的居民都可以申請分布式并網光伏發電系統,但事實上分布式并網光伏發電系統,對屋頂面積的要求還是相當高的。建議先考慮一下光伏組件的安裝位置和安裝面積。

 

通常來說南屋面或者東西朝向的屋面都比較適合安裝,另外有院子或者陽臺的家庭,也可以考慮安裝陽光棚、車棚或者遮陽棚。一般而言1000瓦裝機容量需要屋頂面積十平方米。目前來說,別墅、聯排、農村獨門獨戶的房屋,比較適合安裝分布式光伏發電項目。

 

如果是居民小區,則手續可能比較麻煩。需要整個單元或整棟樓內所有利害關系的業主,簽字同意才能安裝。如果有當地的社區或者街道辦事處進行協調和推進,對居民小區屋面整體進行光伏發電系統安裝,還是具有一定的可行性。

 

如果是個人以盈利為目的,采取租賃等措施給居民小區屋面安裝光伏發電系統,溝通成本過高,耗時耗力且收益和投入比過大,如非必要不建議涉足。

 

3. 考慮并網條件和當地電網情況

 

對于利用建筑屋頂及附屬場地新建的分布式光伏發電項目,發電量可以全部自發自用、部分自發自用剩余電量上網、或全額上網,可由用戶自行選擇上網模式。

 

4. 根據電池板功率選擇配套的逆變系統

 

太陽的逆變器的主要功能是將直流電機變成交流電,通過全橋電路采用處理器,經過調制、濾波、升壓等,得到與交流負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電共系統終端用戶使用。有了逆變器就可以用電池板的直流電源提供交流電。所以要根據電池板的發電功率來確定逆變器的規格。

 

目前分布式發電系統的逆變器都是1~10千瓦的規格,電壓一般為12伏24伏和48伏,只有電壓和功率符合逆變器了,這樣的系統才能正常運轉,才能延長這個發電系統的壽命。

 

這里簡單介紹電池板的功率計算方法:

 

所發總電量=光伏板數量×發電時間×實際發電效率

 

光伏板數量=所需電量÷發電時間÷逆變器實際效率

 

所需逆變功率=所有用電器同時使用的功率之和÷逆變器實際效率

 

逆變器是最需要慎重選擇的部分,我們計算的是家用電器同時使用的額定功率(或者叫總視在功率),并考慮電器都錯開使用的情況(需求系數),而當同時使用時往往電器在開始啟動時所需要的功率是峰值功率,遠遠大于額定功率。例如空調、電冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等。

 

所以逆變功率要加大,比如1600瓦的總功率,建議使用3000瓦以上的逆變器。峰值功率的問題,在發電部分儲能部分都有影響,需要適當的加大。而逆變實際承載功率也是一項大問題,這往往要選擇優質的逆變器,差的逆變器很多都是標稱功率遠遠小于實際承載的功率。

 

逆變器不只具有直交流變換功能,還具有最大程度的發揚太陽電池功能的功用,以及兼具系統調制和維護功用、最大功率跟蹤節制功用、防獨自運轉功用、主動電壓調整功用、直流檢測功能、直流接地檢測功用等。同時也要考慮逆變器的效率問題,對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察,并推薦針對開關和整流器件的最佳選擇。

 

太陽光照射在通過串聯方式連接的太陽能模塊上,每一個模塊都包含了一組串聯的太陽能電池單元,太陽能模塊產生的直流電壓在幾百伏的數量級,具體數值根據模塊陣列的光照條件,電池的溫度及串聯模塊的數量而定。

 

二、硬件系統設計


 

圖1-1 常見支架結構示意圖

 

1. 支架材料的選擇

 

(1)鑄鐵。鑄鐵是由鐵、碳和硅組成的合金的總稱。在這些核心中含碳量超過了在共晶溫度時能保留在奧氏體固溶體中的量。碳素鑄鋼件由于鑄態塑性和韌性低,不宜直接使用,而且在使用的過程中容易生銹,所以這里就不提倡使用鑄鐵。

 

(2)角鐵。角鋼俗稱角鐵,是兩邊互相垂直成直角的長條鋼材。鑄鐵含碳量高塑性差,組織不均勻,焊接性很差,在焊接時一般會出現焊后產生白口,容易出現裂紋,易產生氣孔等問題。而且考慮到長期使用的問題,在使用過程中也會生銹,所以這里也不予采用。

 

(3)鍍鋅角鋼。鍍鋅角鋼分為熱鍍鋅角鋼和冷鍍鋅角鋼。熱鍍鋅角鋼也叫熱浸鍍鋅角鋼或熱浸鋅角鋼。冷鍍鋅涂料主要通過電化學原理,保證鋅粉與鋼材的充分接觸產生電極電位差進行防防腐。

 

鍍鋅角鋼的優點

 

處理費用低:熱鍍鋅防銹的費用要比其他漆料涂層的費用低。

 

持久耐用:熱鍍鋅角鋼具有表面光澤、鋅層均勻、無漏鍍、無滴溜、附著力強、抗腐蝕能力強的特性,在郊區環境下,標準的熱鍍鋅防銹厚度可保持50年以上而不比修補;在市區或近海區域,標準的熱鍍鋅防銹層則可以保持20年而不必修補。

 

可靠性好:鍍鋅層與鋼材間是冶金結合,為鋼表面的一部分,因此鍍層的持久性較為可靠。

 

(4)鋁合金。鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料,在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。工業經濟的飛速發展,對鋁合金焊接結構件的需求日益增多,鋁合金的焊接性研究也隨之深入。

 

鋁合金密度低,但強度比較高,接近或超過優質鋼。鋁合金的塑性好,可以加工成各種型材,具有優良的導電性、導熱性和抗腐蝕性,工業上應用廣泛,使用量僅次于鋼材。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的力學性能、物理性能和抗腐蝕性能。

 

產品特性:艷麗多彩的裝飾性、耐候、耐腐蝕、耐沖擊、防火、防潮、隔音、隔熱、抗震、易加工成型、質輕易搬運安裝等等。

 

2. 常見屋頂的光伏支架連接方式

 

常見支架腳:支架支撐腿、支架連接件、支架鋼材、配套支架電池板邊壓、配套電池板中壓。

圖1-2 支架支撐腿

圖1-3 支架連接件

圖1-4 支架鋼材

圖1-5 電池板配套邊壓

圖1-6 電池板配套中壓

 

3. 手動式焊接支架見圖1-7。

圖1-7 手動式焊接支架

 

4. 太陽能電池板間的連接構件見圖1-8。

圖1-8 太陽能電池板間的連接構件

 

5. 非焊接式支架與水泥墩間的連接見圖1-9。

圖1-9 非焊接式支架與水泥墩間的連接

 

6.非焊接式滑動支架的安裝見圖1-10。

圖1-10 非焊接式滑動支架的安裝

 

6. 可調支架見圖1-11和圖1-12。


圖1-11 可調支架示意圖

圖1-12 可調支架實物圖

 

3. 支架與固定物之間的連接

 

(1)支架與水泥墩的連接見圖1-13、圖1-14、圖1-15

圖1-13

圖1-14

圖1-15

 

(2)支架直接與地面連接見圖1-16、圖1-17、圖1-18。


圖1-16

圖1-17

圖1-18

 

(3)支架與頂棚(用膠泥粘接或扣件固定)連接見圖1-19、圖1-20、圖1-21。


圖1-19膠泥粘接

圖1-20 扣件固定頂棚連接方式

圖1-21膠泥粘接

 

三、支架的總體結構設計

 

1.在水泥屋頂澆筑水泥墩

 

通常在水泥屋頂澆筑水泥墩是最常見的安裝支架的方式。

 

優點:固定,不破壞防水;

 

缺點:需要大量人工和耗時,水泥墩需要一周以上的固化養護時間,在水泥墩完全固化后才可安裝支架,需要大量的預制模具。

 

2.預制水泥磚

 

優點:相對制作水泥墩省時,可提前定做配重水泥磚,節省水泥地埋件。

 

缺點:運輸不方便,增加運輸成本。

 

3.鋼構連接

 

在支架的立柱底端做法蘭盤,利用鍍鋅型鋼將若干支架陣列連接在一起,五百千瓦甚至一個兆瓦以上為一個單位,利用支架陣列自重增加抗風性,只需在屋頂承重點做少數水泥墩,固定大型支架陣列。

 

優點:安裝快捷簡便,方便拆卸。

 

缺點:造價高,支架成本不少于一元每瓦。

 

4.彩鋼瓦屋頂支架選用

 

彩鋼瓦廠房安裝簡便,但是國產彩鋼瓦壽命為10~15年,安裝光伏電站后檢修困難,隱患過多。彩鋼瓦常見的有三種:直立鎖邊型、角馳型、梯形。對于直立鎖邊型與角馳型彩鋼瓦,多利用彩鋼瓦的波峰使用專用鋁合金夾具固定支架導軌。彩鋼瓦壽命為10~15年,承重在15~30千克每平方米,多采用平鋪安裝。如圖1-22、圖1-23、圖1-24、圖1-25所示。


圖1-22 彩鋼瓦屋頂鋁合金夾具固定支架導軌

圖1-23 彩鋼瓦屋頂鋁合金夾具固定支架導軌

圖1-24 彩鋼瓦屋頂鋁合金夾具固定支架導軌

圖1-25 彩鋼瓦屋頂鋁合金夾具固定支架導軌

四、硬件結構的安裝

 

1.準備工作。經供電部門批準后,根據業主提供的場地面積或就地測量,太陽能電池板串并聯,設計出合理的施工電路圖,以及太陽能電池板、逆變器等規格參數的選擇等。

 

根據場地的不同類型,設計太陽能電池板組陣的排列方式,一般選取N型、長方形等排列方式。一般家庭分布式光伏發電系統,采用系統全串聯方式,一定要到市場購買正規的光伏系統設備。

 

2.連接支架。焊接支架或用滑動螺釘連接支架以剛性材料為主,一般結構為兩個三角形和一個長方形構成的直角三棱柱狀。支架用于放置太陽能電池板,使太陽能電池板傾斜一定的角度來獲得比較大的光電轉換效率,各個地方的最佳方位角、傾斜角請參考當地近十年氣象數據和實際測量的經緯度。

 

3.地面固定。將焊接好的支架與被切割好的青石墩或者是水泥墩進行連接。水泥墩或青石墩固定于支架的四角或者其他的主要承重點上,并進行水平面找平,使太陽能電池板和支架穩定坐落于場地上。固定方式多采用膨脹螺絲連接或與預埋件焊接。

 

4.放置、連接太陽能電池板。將太陽能電池板放置于被固定好的支架上面,用普通的螺釘或鋁合金扣件將支架與太陽能邊緣連接,每塊太陽能電池板至少用4個螺釘或鋁合金扣件固定。

 

將太陽能電池板與支架安裝固定好以后,將每一塊太陽能電池板串聯,通過匯流箱(一般用于大型分布式光伏發電站,小型家庭分布式光伏發電系統不用匯流箱)后,接入DC-AC逆變器,將太陽能電池板發出的直流電轉化成交流電供給負載用電。

 

同時,逆變器與供電部門提供的雙向表頭相接,將余電上網(一般黑線接負極、紅線接正極)。雙向電表是在分布式光伏發電系統建成,并經供電部門驗收合格后免費贈送的電能表(個別地方也可能需要自己花錢購買,具體請以現地規定為準),它可以詳細的記錄太陽能電池板發的總電量以及上網電量。

 

5.檢查。由整體到部分或由部分到整體檢查各線頭的連接,如有必要可以加塑料管等密封裝置保護光伏電纜,檢查各光伏裝置之間的連接是否做到緊固可靠。如果我們的光伏發電系統電壓超過人體安全電壓,一定要做好防護措施。

 

防護措施大致有加裝隔離網、給裸露線體加裝絕緣護套、對光伏電池的金屬邊框進行可靠接地、金屬支架進行可靠接地,以及其他相關設備進行可靠接地。

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