屋顶光伏发电系统的设计和安装指南

发布时间：2024-10-11

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屋顶光伏发电系统的设计和安装指南

甘肃省科学院自然能源研究所

李世民

花亚萍

编译

前

言

这是一份美国加利福尼亚州能源委员会推出的指导光伏系统安装的规范，它代表了当前发达国家屋顶光伏系统安装的水平。我们把这个手册翻译出来，希望能为我国的同行在建设屋顶光伏电站时提供参考。

光伏发电系统是将太阳光直接转换成电流。住宅光伏系统以光伏屋顶的形式可以满足住户部分或者全部的日常用电需求，光伏系统还可以配置备用蓄电池，可以在电网停电时对负载继续供电。

该手册主要针对家用并网光伏系统提出了一系列设计和安装等方面的解决方案，并为安装者提供了如何选择光伏产品的方法和指南，帮助他们准确安装家用光伏发电系统，从而使设计系统发挥潜能。

一、安装屋顶光伏系统要遵循的基本步骤

1.确保屋顶或其他安装位置的面积大小可以容纳将要安装的光伏系统。

2.安装时，需要检查屋顶是否能够承受外加光伏系统的质量，必要时还需要增强屋顶的承重能力。

3.根据建筑屋顶的设计标准，妥善处理屋顶。

4.严格按照规范和步骤安装设备。5.正确、良好地设置接地系统，能有效避免雷击。

6.检查系统运行是否良好。7.确保设计和相关设备能够满足当

地电网的并网需求。

8.最后，由权威检测机构或电力部门对系统进行全面检测。

二、系统设计的相关问题

光伏发电系统的种类：一种是与公共电网并联而没有备用蓄电池进行储能的光伏发电系统；另一种是与公共电网并联同时也有备用蓄电池作为补充的光伏发电系统。

1.无蓄电池的并网系统

这种系统在电网可用的情况下才能运行。因为电网的电能损耗非常小，所以

这种系统一般来说可以为用户节省更多的电费开支。然而，倘若电力中断，这个系统将会完全关闭，直到电网恢复，如图1所示。

典型的无蓄电池并网系统有以下部件组成：

１）光伏阵列

光伏阵列由光伏组件组成，这些光伏组件是由太阳能电池片以某种方式连接在一起并加以密封构成的。通常一个阵列由若干个光伏组件通过支架连接在一起构成。

图1典型的并网光伏系统电气图

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２）平衡系统的配备（ＢＯＳ）

它用于包括将光伏组件融合到家用建筑体系、电气系统中的支架系统和线路系统。供电线路系统包括逆变器两端的直流和交流开关、接地保护和太阳能电池组件的过流保护。大多数系统都具有保护控制功能，因为大部分组件都要求源电路中含有熔断保护。有些逆变器也有熔断保护功能和其他控制功能。

３）直流－交流逆变器

这个设备是将光伏阵列发出来的直流电，转换成可供家用电器使用的标准交流电。

４）测量仪器、仪表

这些仪器用以测量和显示系统的运行状态、性能以及用户电能的使用情况。

５）其他元件

公共电网开关（这取决于当地的公用电网）。

2.含蓄电池的并网系统

这种系统是在不含蓄电池的并网系统中加入蓄电池，为系统进行储能，使得即便是在电网断电的情况下，系统也能够

为特殊负载提供应急供电。而当电力中断，这个系统就与电网脱离，形成一个独立的电源供电线路，采取专用的配电线路为这些特殊负载供电。如果电网停电故障发生在白天，光伏阵列能够和蓄电池一起给这些负载供电；如果停电发生在夜间，则全部由蓄电池给负载供电，蓄电池能释放出足够的能量来保证这些特殊负载正常运行，如图2所示。

一个蓄电池备用系统除了包含无蓄电池并网系统中的所有元件之外，还需要增加蓄电池和蓄电池组、蓄电池充电控制器、为特殊要求高保障负载供电的配电盘等部件。

三、屋顶光伏系统的安装1.屋顶结构

最方便和最适当装置光伏阵列的地方是在建筑物的屋顶。对于斜面屋顶，光伏阵列应该被安装在屋顶上并且和屋顶的表面平行，用支架隔开数厘米以达到冷却的目的。如果是水平屋顶，还可以设计出一种优化倾斜角度的支架结构，并把它安装在屋顶上。

屋顶安装光伏系统必须注意屋顶结构和屋顶防渗透层的密封性。一般而言，每100瓦光伏组件都要求有一个支撑托架。对于一栋新建筑，支撑托架通常在安装屋顶盖板之后、加装屋顶防水材料之前进行安装。负责阵列安装系统的工作人员在安装屋顶时就可以安装支撑托架。

砖瓦屋顶在结构上往往被设计成接近于它的负重能力极限。在这种情况下，屋顶结构必须得到加强，以承受额外的光伏系统重量，或将砖瓦屋顶改变成专门带状的区域安装光伏阵列。如果把砖瓦屋顶转变成较轻的屋面产品，就没有必要加强屋顶结构，因为这种屋顶和光伏阵列的合成质量要轻于被取代的砖瓦屋面产品的质量。

2.遮荫结构

能够替代屋顶安装的是遮荫结构安装光伏系统。这种遮荫结构可能是一个天井或双层的遮阳网格，在这些地方，光伏阵列成了遮阳物。这些遮阳系统可以支持小型或大型的光伏系统。

这种带光伏系统的建筑比标准的天井覆盖成本稍有不同，特别是光伏阵列作为部分或全部遮荫屋顶。如果光伏阵列安装的角度比一般的遮阳结构陡峭一些，那么就有必要对屋顶结构进行改进以适应风力载荷。光伏阵列的质量是15~25千克/平方米，这个质量在遮荫支持结构的负重极限之内。安装屋顶支架的相关劳动力开支可以计入整个天井覆盖建设的成本之中。全部建设成本很可能要高于在屋顶安装的成本，但是这种遮荫结构产生的价值经常会抵消那些多出的成本。

要考虑的其他问题包括：简化阵列的维护，组件的接线、导线的连接必须保持美观，不能种植爬藤植物或者必须勤修剪这些爬藤植物以保持组件及其接线不受干扰。

3.光伏建筑一体化（BIPV）

另一种类型的系统是用建筑一体化的光伏阵列取代了一些传统的屋面产品。

图2典型的含蓄电池的并网光伏系统电气图安装使用这类产品必须注意要确保正确

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（85瓦×0.93=79瓦）。

4.匹配和线路损失

整体光伏阵列输出的最大功率一般会小于单个光伏组件输出的最大功率之和。这种差异是由太阳能光伏组件的不一致性造成的，也被称作组件搭配误差，这将导致系统损失至少2%的电能。此外，电能也会损失在线路系统的内阻上，这部分损失应该保持在最低的限度之内，但是，很难把这部分损失降低到系统

在正午的时候功率达到峰值，之后在下午的时候又逐渐降低，到夜晚功率将返回零值，这种变化归因于太阳辐射强度的变化和太阳角度（相对于太阳能电池组件）的变化。

屋顶的倾斜度和朝向会影响太阳光照射到组件表面的角度，这些影响的具体体现如表1所示，说明如果当地光伏阵列放置坡度在7:12的屋顶上，面向正南的修正因数为1.00，当屋顶的倾斜角

安装并使之达到必要的防火等级，并要求合理安装以避免屋顶漏水。

四、估算系统输出1.标准测试条件

太阳能电池组件产生直流电。太阳能电池组件的直流输出被制造商在标准测试条件下标定。虽然这些条件在工厂里很容易实现，并且允许产品相互之间有差别，但是要对其在户外条件运行时的输出功率进行评估，就要对这些数据进行修正。标准测试条件是：太阳能电池温度25℃，太阳辐射强度为1000瓦/平方米（通常称为峰值阳光强度，相当于晴朗的夏天中午的辐射强度），以及当穿过大气质量为1.5AM时被过滤的太阳光谱（ASTM标准光谱）。制造商把在标准测试条件下测定的输出功率为100瓦的太阳能电池组件称之为“100瓦的太阳电池组件”。这个电池组件的标定功率允许和实际值有±5%的偏差。这就意味着95瓦的组件仍然被称为是“100瓦的组件”。做保守一点的设计，应该使用较低输出功率值作为依据（用95瓦来代替100瓦）。

2.温度影响

组件的输出功率随着组件温度的升高而减小。当太阳光直射屋顶光伏组件时，组件内部温度会达到50℃~75℃。对于单晶硅组件来说，温度升高将导致组件功率下降至实际功率的89%。因此，100瓦的组件在春天或秋天的正午被充足的阳光照射时，运行中只能产生大约85瓦（95瓦×0.89=85瓦）的功率。

3.污物和尘埃影响

太阳能电池板表面的污物和尘埃的堆积将影响阳光的透射，并导致输出功率减少。大部分地区都有雨季和旱季。虽然在雨季时，雨水能对组件表面的污垢和灰尘进行有效清理，但是要更加全面充分地估算系统，就要考虑到在旱季的时候由于电池板表面的污物所造成的功率减少。每年一般由于尘埃因素所造成的系统功率下降为原额定值的93%。因此，这个“100瓦的组件”在表面有尘土堆积的情况下运行的平均功率为79瓦

表1屋顶的不同坡度和房屋朝向对发电的影响因数

坡度正南南东南，南西南东南，西南东东南，西西南正东，正西

水平0.890.890.890.890.89

4:120.970.970.950.920.88

7:121.000.990.960.910.84

12:120.970.960.930.870.78

21:120.890.880.850.790.70

垂直0.580.590.600.570.52

能量的3%以下。一个合理的损失系数应该是5%。

5.直流到交流转换的损失

通过太阳能电池组件产生的直流电必须通过逆变器转换成标准的交流电。这个转换过程将损失一些能量，还有一些能量损失在屋顶组件到逆变器以及到用户配电盘的线路上。目前，被用在家用光伏发电系统中逆变器的峰值效率在92%~94%，这是逆变器生产商给出的峰值效率，是在工厂良好的控制条件下测得的。事实上，一般情况下，直流-交流的逆变器效率在88%~92%，通常采用90%作为合理的折中效率。

因此，由于产品偏差、受热、线路，交流逆变器和其他电能损失而使得输出功率降低的“100瓦的组件”，在天空晴朗的中午，最多也只有68瓦的交流电输送到了用户的配电盘上(100W×0.95×0.89×0.93×0.95×0.90≈68W)。

6.太阳方向角和房屋的朝向对系统能量输出的影响

一天中，太阳光照射太阳能电池板的角度在不断变化，这将影响输出功率。“100瓦组件”的输出功率将从黎明时的零值逐渐上升，随着太阳方向角的变化，

度相同但是阵列朝向东方，产生的功率将是朝正南方向的84%（表1中修正因数为0.84）。

五、系统安装1.推荐的材料

1）应用在户外的材料应该耐阳光和紫外线。

2）聚氨酯的密封剂应该用在非闪光的屋顶防水层。

3）材料应该设计成能够承受暴晒时的温度。

4）不同的金属（如铁和铝）材料，应该用绝缘的垫片、垫圈，或其他方法将它们互相隔离。

5）铝不应该和有些材料直接接触。6）应该使用高质量的扣件（首选不锈钢材质）。

7）结构构件材料还可以选用：铝型材、热镀锌钢、有涂层或被刷了漆的普通碳钢（仅仅是在低腐蚀的环境中使用）、不锈钢。

2.推荐的设备和安装方法

1）根据应用中需要的额定电压和额定电流，列一个所有电气设备的清单。

2）依照相关标准列出光伏组件，并且要确保它至少有5年的保质期（20

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年~25年的寿命）。

3）根据相关标准列出逆变器，并且要确保它至少有5年的使用寿命。

4）暴露的电缆和管道应该耐光照。5）系统应该具有过流保护，并且便于维修。

6）与电相关的终端都应该收紧、固牢。7）设备都应该按照厂家的安装说明书安装。

8）所有的屋顶应该用合格的密封剂密封。

9）所有的电缆、管道，裸露的导体和电线盒都应该遵守相关标准和规定，并确保安全。

10）应保证光伏阵列在每天9：00到16：00期间没有遮荫。

3.光伏系统设计和安装应注意的事项1）仔细检查光伏阵列的安装场所（比如：屋顶、平台和其他建筑）。

2）要确保所选择的设备符合当地鼓励政策的范围。

3）与当地的公用电网部门联系，获得并网和在线测试许可。

4）如果在屋顶安装，确定光伏组件在屋顶安装位置时，要考虑到建筑物雨水排水管和烟筒、通风口对光伏组件的影响。尽量按屋顶的尺寸和形状来铺设光伏组件，使屋顶更加美观。

5）计算安装光伏阵列的太阳光照射及遮荫情况。如果选择的安装地点有太多的遮荫，就应考虑更换安装光伏阵列的场所。

6）测量所有系统组件之间的距离，画出光伏系统安装的位置图和示意图。

7）为相关审查部门收集相关材料，应该包括以下内容：

（1）位置图要展示主要系统元件的位置———光伏组件、管道线路、电气盒、逆变器、高保障负荷配电盘、公用电网通断开关、主配电盘和公用电网的入口端。

（2）示意图应该展示所有重要的电气系统部件，如图3所示。

（3）把所有重要的电气系统部件分解成若干小的部分（光伏组件、逆变器、汇流箱、直流开关和保险丝等）。

8）估测从光伏组件到汇流箱和逆变器的线缆长度

9）检查光伏组件线路的载流容量，决定适合该电流最小的线缆尺寸。根据每一个电路的最大短路电流和线缆绕行长度来决定线缆的尺寸。

10）计算光伏阵列的尺寸，要考虑到在全功率的时候，从光伏组件到逆变器要低于3%的电压降。如果阵列的汇流箱远离逆变器，那么电压降就要根据光伏阵列到汇流箱的线路以及汇流箱到逆变器的线路来计算。

11）估算从逆变器到主配电盘的线路长度。

12）检查主配电盘，确定配电盘功率大小是否能够满足光伏系统开关需要。

13）如果系统包括保障性负载的配电盘（有备用蓄电池系统），就要确定具

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体关键的负载电路。这些电路应满足预期的电气载荷。

（1）估算与备用系统相连的负载，以满足实际功率消耗和每日系统休眠状态耗电量的需要。

（2）所有备用负载都必须连接到一个独立的配电盘上，以便与专用逆变器的输出端相连。

（3）应该将备用电源系统负载消耗的平均功率计算出来，以测定蓄电池中的储能可以持续不断地给用电器供电多长时间。

（4）建议使用带有吸附式玻璃纤维棉的免维护阀控式铅酸蓄电池系统，因为这种电池不需要用户来维护。

（5）蓄电池的存放应该避免阳光照射，放置到尽可能阴凉、通风的地方。无论是铅酸溶液的还是阀控式铅酸蓄电池，都需要和外界通风。

14）按设计要求依次用线缆连接光伏组件、汇流箱、过流保护器/断路开关、逆变器和公用电网断路开关等相关设备，并且最终将电路连接到公共服务电网。

15）试运行时，光伏系统电路正常工作，并获得公用电网部门的并网许可，系统就可以开始正式运行了。

16）观察系统仪表是否正常运行。4.维护和运行阶段

1）当光伏组件上有尘土堆积物的时候，可以在凉爽的天气，对光伏组件进行清洗。

图3重要的电气系统部件示意图

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1）重新检查直流断路开关是否打开以及标签是否完好。

2）核实在直流汇流箱中每一支路电源的极性。根据电路串数以及在图纸上的位置，核实各支路开路电压是否在合适的范围内（如果阳光辐照度不变，电压应该非常接近）。

警告：如果有任何一组源电路的极性接反了，这将在保险丝装置中引起严重事故甚至火灾，导致汇流箱和邻近的设备损坏。逆变器的极性接反了，也将使系统设备受到损害，这种损害不包括在设备的保修范围内。

3）紧固所有在直流串汇流箱中的接线柱。

4）检查零线是否正确地连接在主配电盘上。

5.逆变器启动测试

1）检查送往逆变器直流断路开关处的开路电压，确保符合制造商安装手册中的电压限度。

2）如果系统中有多个直流断路开关，应检查每个开关处的电压。

3）接通从光伏阵列到逆变器的电源供给开关。

4）确认逆变器正在运行，记录逆变器在运行过程中随时间变化的电压，确认电压读数在制造商安装手册允许的限度之内。

5）确认逆变器能达到预期的功率输出。6）提供一个启动测试报告。6.系统接受测试试验

理想的光伏系统测试条件，选择在3月到10月某天晴朗的中午。如果不可能达到理想测试条件，也可以在阳光良好的冬天的某个中午做这个测试。

1）检查并确保光伏阵列完全被阳光照射并且没有任何遮荫。

2）如果系统没有运行，那么打开系统运行开关让它运行15分钟，然后再开始系统性能测试。

3）用一种或两种方法进行太阳辐射照度测试，并且将测试值记录下来。用最高辐射值除以1000瓦/平方米，得出的数据为辐射比。例如：692W/m2÷

1000W/m2=0.692或69.2%。

方法1：用标准的日照计或日射辐射强度计测试。

方法2：找一个与光伏阵列同一型号的正常运行的光伏组件，和所要测试的光伏阵列保持同样的方向和角度把它放置在阳光下，暴晒15分钟后，用数字万用表测试短路电流，并且将这些值记录下来（以安培为单位）。用这些值除以印在光伏组件背面的短路电流值（Isc），再乘以1000瓦/平方米，将结果记录在同一行中。例如：Isc测量=3.6A；Isc印刷在光伏组件背面=5.2A；实际辐射值=3.6A/5.2A×1000W/m2=692W/m2。

4）将光伏组件的输出功率汇总并记录这些值，然后乘以0.7，就得到预期交流输出的峰值。

5）通过逆变器或系统仪表记录交流输出，并将这个值记录下来。

6）用交流测量功率值除以当时的辐射比值，将这个值记录下来。这个“交流修正值”是光伏系统的额定输出功率，它应该高于交流估算值的90%或者更多，如果低于交流估算值的90%，说明这个光伏系统有遮荫、组件表面脏、连线错误、保险丝损坏、逆变器不能正常运行等问题。

例如：一个光伏系统由20块100瓦的光伏组件组成，用方法2估算当时运行的光伏组件的太阳辐射为692瓦/平方米，计算它在1000瓦/平方米的输出功率，并问这个系统是否正常运行？

解：

光伏阵列总的额定功率=100瓦标准条件×20块组件=2000瓦标准条件

估算的交流输出功率=2000瓦标准条件×0.7=1400瓦交流估算值

假如实际测量的交流输出功率=1020瓦交流测量值

修正的交流输出功率=1020瓦交流测量值÷0.692=1474瓦交流修正值

比较修正的交流输出功率值和估算的交流输出功率值:1474瓦交流修正值÷1400瓦交流估算值=1.05

答案：1.05≥0.9，正常运行。

（责编：侯艳丽）