[摘 要]隨著全球能源需求的不斷增加和環(huán)境保護意識的提升，屋頂分布式光伏項目逐漸成為一種重要的可再生能源利用形式。文章分析了分布式光伏系統(tǒng)的基本結構和工作原理，探討了光伏組件選型、逆變器配置、系統(tǒng)布線及并網(wǎng)技術等關鍵環(huán)節(jié)的設計方法和技術要點，以期為屋頂分布式光伏項目的設計與實施提供參考。

[關鍵詞]屋頂分布式光伏；光伏系統(tǒng)設計；光能利用效率；逆變器配置；并網(wǎng)技術

[中圖分類號]TM615 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0028–03

Research on Design Technology of Roof Distributed Photovoltaic Projects

FENG Shunlin，MA Wuxing

[Abstract]With the continuous increase in global energy demand and the improvement of environmental awareness， rooftop distributed photovoltaic projects have gradually become an important form of renewable energy utilization. The article analyzes the basic structure and working principle of distributed photovoltaic systems， explores the design methods and technical points of key links such as photovoltaic module selection， inverter configuration， system wiring， and grid connection technology， in order to provide reference for the design and implementation of rooftop distributed photovoltaic projects.

[Keywords]rooftop distributed photovoltaics； photovoltaic system design； light energy utilization efficiency； inverter configuration； grid connected technology

1 屋頂分布式光伏系統(tǒng)概述

1.1 分布式光伏系統(tǒng)的基本結構

分布式光伏系統(tǒng)的基本結構包括光伏組件、逆變器、支架系統(tǒng)、配電設備及監(jiān)控系統(tǒng)[1]。光伏組件是核心部分，其主要功能是將太陽能轉化為直流電。逆變器的作用是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉換為交流電，以便并入電網(wǎng)或供電給交流負載。逆變器的性能直接影響整個光伏系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，常用的類型包括集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器。集中式逆變器適用于大規(guī)模光伏電站，組串式逆變器常用于中小型系統(tǒng)，微型逆變器則適用于每個光伏組件單獨控制的系統(tǒng)。支架系統(tǒng)用于安裝和固定光伏組件，其設計必須考慮屋頂?shù)慕Y構和承載能力，確保光伏組件在各種氣候條件下的穩(wěn)定性和安全性。支架系統(tǒng)通常由鋁合金或不銹鋼材料制成，具有抗腐蝕、易安裝等特點。配電設備包括配電箱、斷路器和交流匯流箱等，用于電力的傳輸和分配，確保電力系統(tǒng)的安全運行[2]。監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)測光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括電壓、電流、功率和環(huán)境參數(shù)等，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，提高系統(tǒng)的可靠性和維護效率。

1.2 屋頂光伏系統(tǒng)的工作原理

屋頂光伏系統(tǒng)的工作原理基于光伏效應，通過將太陽能直接轉換為電能來實現(xiàn)電力供應。光伏組件由多個光伏電池組成，這些電池通常由硅材料制成。當光子照射到光伏電池表面時，能量被吸收并激發(fā)電子，從而產(chǎn)生電子–空穴對。在電場的作用下，電子和空穴被分離，分別向導電層和背電層移動，形成電流。

在屋頂安裝光伏系統(tǒng)時，需考慮角度、朝向和陰影等因素，以最大化光伏組件的光照接收效率。系統(tǒng)的安裝位置應避開建筑物、樹木等障礙物的遮擋，確保光伏組件能夠充分吸收太陽能。角度和朝向的優(yōu)化設計直接影響系統(tǒng)的發(fā)電效率，通常建議根據(jù)當?shù)氐牡乩砦恢煤蜌夂驐l件，調整組件的傾斜角度和朝向，以獲得最佳的光照效果。

1.3 屋頂安裝的特殊要求

屋頂安裝的特殊要求主要體現(xiàn)在結構安全、光照條件和防水措施等方面。建筑結構必須能夠承受光伏組件及其支架的重量，并抵抗風雪等自然災害的影響。屋頂光伏系統(tǒng)應避免遮擋，以保證光照充足，從而提高光電轉換效率。為防止屋頂漏水，安裝過程中需采用防水材料和密封技術，確保支架與屋頂接觸部分的防水性能。合理規(guī)劃電纜布線，避免電纜受損和短路風險，確保系統(tǒng)的安全運行和長期可靠性。

2 屋頂分布式光伏系統(tǒng)設計

2.1 光伏組件的選型

光伏組件的類型、功率和效率直接影響系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟性。

光伏組件的主要類型包括單晶硅、多晶硅和薄膜光伏組件。單晶硅組件具有較高的轉換效率，適合空間有限的屋頂安裝，但其成本較高。多晶硅組件雖然轉換效率稍低，但其性價比高，適合預算有限的項目。薄膜光伏組件具有重量輕、柔性好等優(yōu)勢，適用于特定的屋頂結構，但其轉換效率較低[3]。

光伏組件的功率越高，同樣面積下產(chǎn)生的電量越大，能更好地滿足用戶的電力需求。在選擇光伏組件時，需要根據(jù)屋頂面積、日照條件和用戶需求，綜合考慮光伏組件的功率，確保系統(tǒng)能夠高效運行。轉換效率高的光伏組件能將更多的太陽能轉化為電能，提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。屋頂光伏系統(tǒng)的設計應選用效率高、穩(wěn)定性好的光伏組件，以確保長期的能源產(chǎn)出。選擇知名品牌的光伏組件，能夠獲得較高的產(chǎn)品質量保證和完善的售后服務，減少維護成本和系統(tǒng)故障率。品牌組件通常經(jīng)過嚴格的質量檢測，性能穩(wěn)定，適應各種惡劣環(huán)境，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。溫度系數(shù)影響光伏組件在高溫環(huán)境下的性能，衰減率反映了組件在長期使用中的性能變化，耐候性決定了組件在風吹日曬中的耐久性。這些參數(shù)直接影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和使用壽命。

以福建省晉江市某屋頂分布式光伏項目為例，該項目地處福建東南沿海，屬于亞熱帶海洋季風氣候，氣候暖熱，夏長冬短，臺風、暴雨、洪澇、低溫、干旱等災害性天氣時有發(fā)生。考慮當?shù)刎S富的太陽光照資源和多變的氣候條件，項目團隊在光伏組件選型上進行了深入研究和精細計算。根據(jù)項目屋頂?shù)挠行娣e、預期發(fā)電量及經(jīng)濟性要求，決定采用高效光伏組件以降低度電成本。經(jīng)過綜合比較，最終選用了555 Wp的光伏組件，該組件具有較高的轉換效率和良好的溫度特性，能夠在不同氣候條件下保持穩(wěn)定的發(fā)電性能。在品牌選擇上，優(yōu)先考慮了主流光伏組件制造商的產(chǎn)品，確保組件的質量和可靠性。所選組件均符合GB50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》的相關要求，并通過了嚴格的質量檢測。在光伏組件的排列和安裝方式上，根據(jù)屋頂結構和朝向，設計了合理的方陣布局。每個光伏方陣中，各光伏組件的電氣性能參數(shù)保持一致，采用同一規(guī)格、同一品牌的產(chǎn)品，以確保發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，壓塊選用高強度鎂鋁合金，增加壓塊數(shù)量，增大壓塊面積，確保在惡劣天氣下仍能穩(wěn)定運行。

2.2 逆變器的配置

逆變器的選擇應考慮功率匹配、轉換效率和可靠性。功率匹配需要根據(jù)光伏組件的總輸出功率選擇合適的逆變器，以確保系統(tǒng)的最佳運行。轉換效率則要求逆變器具備高效的直流–交流轉換能力，以減少能量損耗。逆變器的可靠性和耐用性也是關鍵，需要具備良好的散熱性能和防護措施，以應對不同的環(huán)境條件[4]。

2.3 系統(tǒng)布線與并網(wǎng)技術

合理的系統(tǒng)布線不僅能減少電能損耗，還能提高系統(tǒng)的安全性。布線過程中，需要考慮光伏組件的排列和電纜的長度，以減少電壓降和能量損失。應選擇高質量的電纜和連接器，以確保長期穩(wěn)定運行。并網(wǎng)技術方面，逆變器的選擇和配置至關重要，需保證其與電網(wǎng)的兼容性和穩(wěn)定性。并網(wǎng)逆變器應具備良好的電能質量調節(jié)功能，并符合國家電網(wǎng)的技術標準。光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)需配置完善的保護裝置，如防孤島效應保護、過載保護和短路保護等，以保障系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

3 設計優(yōu)化與技術發(fā)展

3.1 提升光能利用效率

在提升光能利用效率方面，需要優(yōu)化光伏組件的選型。高效光伏組件能夠更有效地將光能轉化為電能，選擇具有較高轉換效率和穩(wěn)定性能的組件至關重要。在江蘇蘇州某工業(yè)園區(qū)內，一家大型制造企業(yè)實施了屋頂分布式光伏系統(tǒng)的全面升級，顯著提升了光能利用效率。該企業(yè)選用了最新一代的單晶硅高效光伏組件，這些組件憑借超過21%的轉換效率和卓越的耐候性能，確保了即使在多云天氣下也能高效地將太陽光轉化為電能。

在系統(tǒng)設計中，該企業(yè)引入了智能模塊化逆變器，這些逆變器不僅具有高效電能轉換能力，還內置了先進的MPPT算法，能夠實時監(jiān)測光伏組件的輸出功率，自動調整至最佳工作狀態(tài)，進一步提升了系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。逆變器還支持遠程監(jiān)控與故障診斷，極大地降低了運維成本。在系統(tǒng)布線方面，采用了高導電率的銅心電纜，并設計了科學合理的布線方案，避免了長距離傳輸和線纜交叉，有效減少了電阻損耗和能量損失。光伏陣列的布局充分考慮了建筑物朝向和周圍環(huán)境因素，通過精確計算陰影遮擋情況，確保每一塊光伏組件都能最大限度地接收到陽光照射。并網(wǎng)環(huán)節(jié)，采用了先進的并網(wǎng)控制技術，與當?shù)仉娋W(wǎng)實現(xiàn)了無縫對接。系統(tǒng)能夠根據(jù)電網(wǎng)需求自動調整發(fā)電量，確保在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定的同時，最大化地利用光伏發(fā)電資源。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性

穩(wěn)定性主要指系統(tǒng)在各種工作條件下保持正常運行的能力，可靠性則是指系統(tǒng)在一定時間內無故障運行的概率。

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法包括優(yōu)化組件選型、合理配置逆變器、精確設計系統(tǒng)布線。選擇質量過硬的光伏組件和逆變器能有效減少故障率。精確的布線設計則能確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性，減少線路損耗和干擾。

針對可靠性問題，需建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。引入冗余設計也是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段，通過冗余配置關鍵組件，確保在部分組件失效時系統(tǒng)仍能正常工作。

系統(tǒng)的定期維護和檢查也是保障其長期穩(wěn)定運行的重要措施，包括清潔光伏板表面、檢查電氣連接和逆變器狀態(tài)。通過以上方法，可以有效提高屋頂分布式光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保其在實際應用中的高效運行。

3.3 未來技術發(fā)展方向

在屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設計過程中，常見問題包括光伏組件的遮擋、逆變器故障、系統(tǒng)布線不當及并網(wǎng)難題。針對光伏組件的遮擋問題，可采用遮擋優(yōu)化算法和模塊級電力電子技術，以減少遮擋對系統(tǒng)性能的影響。逆變器故障問題則需通過冗余設計和智能監(jiān)控系統(tǒng)提高逆變器的可靠性。系統(tǒng)布線不當常導致能量損失和安全隱患，通過優(yōu)化布線方案和使用高質量電纜可有效解決。并網(wǎng)技術方面，采用智能并網(wǎng)技術和儲能系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的并網(wǎng)效率和穩(wěn)定性。

4 結束語

研究表明，通過科學設計，屋頂分布式光伏系統(tǒng)能提高光能利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對不同屋頂結構的適應性和極端氣候下的表現(xiàn)，還需要進一步研究。此外，如何降低系統(tǒng)成本和提高施工效率也是重要問題。未來，可以深入研究各類屋頂結構對光伏系統(tǒng)設計的影響，開發(fā)更有針對性的方案。還可以探索新材料和新技術在光伏組件和逆變器中的應用，提升系統(tǒng)性能和可靠性。同時，加強系統(tǒng)全生命周期管理，包括智能監(jiān)控、運維優(yōu)化和廢棄組件回收利用，以實現(xiàn)屋頂分布式光伏項目的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 郭玉奇.屋頂并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電技術方案應用探討[J].視界觀，2020（6）：355.

[2] 王健.屋頂分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)技術的應用實踐[J].電力系統(tǒng)裝備，2019（12）：50-51.

[3] 薛峰，陳金波.分布式屋頂光伏發(fā)電及并網(wǎng)系統(tǒng)研究[J].科學與信息化，2019（14）：116.

[4] 陳美霞.分布式屋頂光伏項目設計與財務分析[J].中國電力企業(yè)管理，2023（9）：80-81.