基于高校分布式光伏发电系统的应用研究及设计
〔摘要〕本文结合学校绿色建筑要求就某大专院校总装机容量2MWp屋顶光伏项目，从项目的总体技术方案设计，包括光伏主要设备选择与布置，组件串联设计，倾角选择；到电气主接线，继电保护与监控，防雷与接地等几个方面进行了阐述和探讨。
〔关键词） 屋顶光伏 供配电方式 绿色校园
一、 引言
近年来经济、社会快速发展的同时，我们也面临着煤炭、石油等不可再生资源日益枯竭、环境不断恶化的压力。光伏能源将作为一种分散的电源输入电网，取代部分常规能源。随着绿色建筑、绿色校园的不断发展，将太阳能屋顶光伏发电与高校建筑物有机完美的结合，承担建筑内部分照明、空调等常规用电负荷，这也是绿色建筑的重要表现形式。
二、 屋顶光伏的供配电方式
高校因建筑屋顶四周无遮挡，远离污染源和腐蚀源（如烟气、酸碱气等），建筑产权清晰，电网接入条件较好，用户经营状况良好等一系列自身优势而十分适合发展、应用屋顶光伏项目。目前屋顶光伏发电配电形式多样，主要可分为独立发电系统、市电并联发电系统和市电并网发电系统三类。考虑屋顶光伏发电容量有限、发电成本较高、可调可控性弱等因素，市电并网发电的形式一时还难以广泛被应用；相反，独立发电或市电并联发电的形式因其简单、经济、灵活，适用范围广泛等特点，已在非大规模、分散性大的用电负荷等场所得到一定的应用和发展。
三、 总体技术方案
学校在所有主要建筑向阳侧坡屋面、平屋面安装高效率太阳能光伏组件，总装机容量达2MWp，年发电量207万kW﹒h，占整个学院总用电量的30%左右。现以图书馆屋顶为案例对于学校分布式光伏发电系统加以研究与设计。
3.1光伏工艺及规模
考虑本地日晒条件，除去建筑屋顶生活水箱、电梯机房及风道口，楼顶光伏组件可安装面积约为1400平方米，总装机容量约为100kW。本案列采用英利YL240P-29b组件400块，逆变器SG-100K3 1台及其配套设备，固定热镀锌钢支架。组件倾角28°，共20串每10串并入一处直流防雷汇流箱，共两处，100kW光伏发电组件经4处直流汇流盒汇流送至两处直流防雷汇流箱，逆变后各段交流出线汇集成一路，经总出线开关连接至照明配电柜。
3.2主要设备选择及布置
太阳能电池板阵列是多个太阳能电池板串并联的结合，其合理设计应结合负载用电规模、屋顶条件、电流电压水平及用户需求等多方因素综合考虑。
输入同一台逆变器的模组串，要通过对模组的参数分选、位置安排，使其电压值之间的差别控制在5%以内。
利用PVSYST软件计算最佳倾角的取值。从表3可以看出，倾角在26°~30°之间变化时，方阵面上捕获的总辐射量最大。考虑到建筑、结构专业楼顶钢结构柱网的间距、美观、遮挡和安装容量等因素，方案采用固定式支架的倾角为28°。在28°倾角时，光伏方阵接收到的年总辐射量最优，外观整体效果好。
四、 电气设计
4.1 电气主接线
因建筑单体屋顶可利用面积有限，光伏发电最大输出容量为100kW，加之光伏发电本身的局限性，本案列考虑光伏电能作为建筑部分照明用电负荷的补充电源。
4.2 汇流箱及逆变器
光伏电池组采用分段连接，逐级汇流的方式将输出的电力集中送往逆变器，再由逆变器将均衡的三相380V电源送至光伏电源进线配电箱/柜，通过一总开关同照明配电柜用电母线连接。
4.3 继电保护及监控
1）保护
逆变器具备极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、过载保护、接地保护、防浪涌保护等。
本案列在照明配电柜进线总开关处装设防逆流装置，装置通过检测交流电网的三相电压、电流，判断功率方向、大小，有选择地跳开光伏发电单元。
2) 计量
本案列设置电度表屏，光伏电源进线配电箱处配置一块0.2s级多功能双向电度表，电度表配通讯接口，主要参数可上传。
4.4 防雷及接地
1）防雷
一方面，光伏组件方阵采用金属支架布置于建筑物顶部，在雷暴发生时，较易受到雷击而损坏；另一方面，光伏组件、逆变器等也极易因雷电侵入波及浪涌而造成过电压损坏，故有效的防雷和电涌保护是必要的。
2) 接地
所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、金属架构、电缆桥架和其它可能事故带电的金属物均接地。
光伏系统主接地网同建筑物接地网合一，不重复建设，仅根据需要作适当补充。接地电阻满足设备及人员安全。
五、 前景与展望
充分利用高校向阳坡屋面、平屋顶，在考虑各建筑屋面的设备安装、通行量、屋面温度、屋面防水及结构荷载的条件下设计安装屋顶光伏面板，与建筑完美结合的同时，为学校建筑单体内的照明、空调及一般动力负荷提供常规电源外的有效补充电源，是构建绿色校园，绿色建筑，生态建筑的重要一环。同时也应当看到，高校屋顶光伏的发展也会因学校建筑的特殊性而遇到一些问题：首先，高校一般为政府融资和财政拨款，屋顶光伏项目的应用将会额外增加政府投入；其次，屋顶光伏发电高峰期与学校用电高峰期存在时间上明显错位，大大降低光伏发电的效率和效益。但不管如何，高校作为用电大户，充分利用学校较为广阔的屋顶和较好的光发电环境，大力发展屋顶光伏，节能安排，建设绿色校园已是时代发展之必然。
参考文献：
① [日]太阳光发电协会[著]，刘树民，宏伟[译].太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社，2006.
② 沈阳，朱先峰.光伏屋顶系统设计方法及效益分析[J].太阳能，2009（11）：48-51.
