编 号：
家庭太阳能光伏发电示范工程初步设计
上海电力学院2012届毕业生
2011-12-14
光伏一体化建筑示范工程1项目概况
本项目根据用户要求，在上海地区某屋顶建设小型的建筑一体化并网型光伏电站。系统总装机量达到3~4KW，安装面积47.88m2，预计投资金额6500元。
1.1项目意义
日本近海3月11日发生9.0级强烈地震，引发约10米高海啸，并引发核电站爆炸。核电站的爆炸让人们意识到了，核能已经不能作为安全的能源供人类使用。然而煤，石油，天然气这类战略储备能源，一天天的减少。另一方面，人们对电能需求，日益增长，如何填补这个缺口，已经成了全社会的问题。
根据“十二五”规划纲要提出的节能减排目标，到2015年，主要污染物排放总量要显著减少，化学需氧量、二氧化硫排放分别减少8%，氨氮、氮氧化物排放分别减少10%。减排，环保已经成了全社会的问题，而太阳能光伏发电，具有无污染，稳定性高，寿命长，结构简单，安装使
用方便等种种优势，受到人们的青睐。
1.2项目特色
本设计项目的特色在于将新能源普及于家庭，利用家庭屋顶这块没有被开发的宝地，利用取之不尽用之不竭的太阳光照发电，满足小型家庭的使用，并且将多余的电能运送入国家电网，为社会的减排，做出自己的贡献。
2项目可行性
2.1上海市日照资源
上海市东经121°.4 北纬 31°.2' ，年日照平均1940多小时，日照资源丰富。上海市年平均温度17.5°C左右，年降水量12.4mm左右。特别是在夏天,光辐照充足，非常适合太阳能光伏发电。
2.2技术可行性
目前光伏太阳能技术在国内外取得了许多成功的应用，光伏建筑一体化已经成熟。以下两张照片是我校赵春江博士说做的工程。
图2.2.1赵春江博士的家庭太阳能发电站
图2.2.2上海电力学院太阳能研究所
诸如此类的成功案例还有很多，这就是太阳能光伏发电技术走向成熟
成功应用的佐证。在当下利用太阳能这种新型能源，完全可以应用于生活实际中。
2.3经济可行性
“十二五”规划纲要提出的节能减排目标，正是对太阳能光伏发电最有利的支持。国家在发改价格1594中指出：2011年7月1日以前核准建
设、2011年12月31日建成投产、我委尚未核定价格的太阳能光伏发电项目，上网电价统一核定为每千瓦时1.15元（含税）。2011年7月1日及以后核准的太阳能光伏发电项目，以及2011年7月1日之前核准但截至2011年12月31日仍未建成投产的太阳能光伏发电项目，除仍执行每千瓦时1.15元的上网电价外，其余省（区、市）上网电价均按每千瓦时1元执行。今后，我委将根据投资成本变化、技术进步情况等因素适时调整。可见国家对光伏上网的支持力度在不断的变
化，随着能源的枯竭，国家会越来越重视光伏等新能源。
另外一方面，西方国家对太阳能电池进行反倾销反补贴的双方，大大的阻碍了中国太阳能电池的出口。从某种程度上讲，这么大的量将成为推动中国光伏业的发展。价格战的背后，最大的受益者是中国的消费者。综上所述，本项目在经济上是可行的。
3项目建设条件
本项目的实施地在上海市某居民屋顶，光伏发电系统计划安装在向南的一面屋顶上。房屋的屋顶外观如图3.1所示，总预计占用屋顶47.88m2面南25o，房屋建筑为钢结构，能承受光伏电板及其组件的重量。
本地区无盐雾、无地震、无水灾。东侧约300M处有一条南北走向的高速公路，东西两侧都没有可能造成阴影的高层建筑、树木、电杆、烟囱、铁塔等，南侧有同等高度的建筑楼，但无阴影影响，安装太阳能光伏发电系统的条件比较好。
综上所述，此屋顶适合安装太阳能光伏系统。
图3.1施工屋顶
4项目方案设计
4.1系统构成
此并网型光伏系统主要由光伏组件方阵、3KW逆变器、避雷针、支架、家用智能双向电表、家用交流保护开关箱、组件安装用构件、交直流电缆等构成。
光伏阵列由太阳能电池组件构成，光伏阵列安装在房屋顶上。同时，光伏阵列按照合理的组串方式接入接线箱，然后接入并网逆变器，配电箱，电表（向电网输出）到电表（从电网引入），具体如图4.1.1所示。
图4.1.1建筑设计模型
4.2光伏组件选型
该屋顶光伏系统选用晶澳光伏科技有限公司生产的JAP6-72/250 型多晶硅光伏组件，该组件基本性能参数如4.2.1下：
JAP6-72-250电性参数（标准测试条件）
最大功率PMAX（W）开路电压（Vcc/V)
最大功率点的工作电压（Vmp/V)
短路电流（Isc/A）
最大功率点的工作电流（Imp/A）
25043.6035.267.87.09
组件效率（%）
图4.2.1组件性能参数
12.81
组件的 IV 曲线图如4.2.2所示：
图4.2.2 IV图
组件外观尺寸如示意图4.2.3
图4.2.3组件尺寸外观示意图
4.3 光伏组件布置方案
上海地区太阳位于正南时（约在12:30～13:00之间）的最高高度（以下称太阳高度）为82.4度（6月22日夏至日），最低高度为35.5度（12月22日冬至日），平均高度约为59度。如从一年四季尽可能均衡发电考虑，则太阳电池安装角度取30度为宜（图4.3.1）。这种情况下，太阳电池阵列的冬季投影面积与夏季投影面积相差不大，如果太阳辐照量一年四季是均匀分布的，就可达到均衡发电的目的。但是由于上海地区冬季太阳辐照量较弱，且阴雨天较多（最近记录有2003年12月17日～25日连续9天阴雨天），而夏季太阳辐照量较强，即使冬夏季发电面积相等，发电量仍相差很大。不如从全年多发电角度考虑，重视2月至10月的发电量，该期间的平均太阳高度约为63度，太阳电池安装角度取25度为宜。
图4.3.1太阳电池阵列安装角度取30°的情况
图4.3.2太阳电池阵列安装角度取25o的情况
综合发电效率和美观性，本工程按照如下方案铺设光伏电板。
图4.3.3屋顶坡度长度（cm） 图4.3.4屋顶施工面（cm）
图4.3.5施工侧面（蓝色为铺设太阳能地方）（cm）
图4.3.6施工正南面（cm）
根据客户的要求发电功率在3~4KW之前，工程设计为晶澳电池JAP6-72/250，总计共14块。依据为：250W*14=3.5KW。在实际情况工作下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。泥土，灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出10％来解决上述的不可预知和不可量化的因素 。所以当减少10%后，电池发电效率为3.15KW，仍旧在3~4KW之间。电池的排布如图4.3.6所示，符合工程需要。
光伏组件采用铝合金或镀锌导轨进行固定，导轨图布与各种零件如下图所示。（注：太阳能光伏阵列支架的金属表面，应镀锌、镀铝或涂防锈漆，防止生锈腐蚀。）导轨一头固定于屋顶上方的脊梁上。可以采用在脊梁上穿洞螺丝固定，加上柏油涂成，在用混凝土将固定部分夯实填补。另外一头采用沉重式，做一个圆柱型的墩，需要达到高15cm，直径20cm的圆柱，将铝合金导轨浇筑其中（考虑到屋顶下部女儿墙这里有一个排水道，故应该浇筑的时候插入一根塑料管，以便通水不影响原有功能）。将导轨分成三段，从上至下，每隔2米焊接一块长为10cm宽为5cm的铁片（图中为蓝色部分），然后将铁片部分与周围的瓦片抹上混凝土以达到加固的左右。
晶澳公司生产的JAP6-72/250 型光伏组件的重量约为27.5kg，光伏安装支架的重量一般为1.5～2.5kg/m2，本光伏建筑一体化并网发电工程总共使用了14块组件，安装面积约为：35.05m2。那么整个光伏组件系统以及安装支架的总重量约为70.2kg，平均每平方米的重量为
12.99kg。按照一般情况下的建筑设计标准，此重量在屋顶结构承重范围内。
轨道截面图片为：
图4.3.7轨道截面图（轨道底可以穿洞固定滑块） 图4.3.8轨道滑块图单位(1/10mm)
图4.3.8抓手（底部与滑块焊接） 图4.3.9上部分实物图（可以螺丝调节，固定太阳能电板部
分垫上橡胶 ）
图4.3.10支架部分（绿色为光伏电板，蓝色部分为支架上的铁片）
图4.3.11实物效果图
4.4逆变器选置
为了减少电脑损耗，提高光伏系统性能的稳定性，所以我们选择了
afore生产的逆变器，型号为HNS3000TL，输出功率为3KW，单箱。产品
的有点在于高效性：一、最大功率达到97%；二、双MPPT通道确保系统最大发电量；以及产品的可靠性：一、孤岛保护；二、增强的DSP控制系统；三、紧凑的版式设计，高级的散热设计；四，漏电保护等。非常适合家庭用户这类小型的发电站使用。具体外观与参数如下图： Afore HNS3000TL外观：
图4.4.1HNS3000TL外观
HNS3000TL参数：
electrical specificationsInput
Max.DC Power[W]Max.DC Voltage[V]MPPT Voltage Range[V]HNS3000TL
3400520150-450
Max.DC current[A]Number of MPPT ChannelStrings Per MPP TrackerOutput
Power Connector10+1021
Single Phase
Max.AC Power[W]Norminal AC Power[W]Norminal AC Voltage/Range[V]Norminal AC Frequency[Hz]Max.AC current[A]Norminal AC current[A]Power FactorOutput current THDPower EfficiencyMax.EfficiencyEuro EfficiencyMPPT EfficiencyCompliance
32003000230/180~270
5015131<3%
97.20%96.30%>99.9%
图4.4.2逆变器参数
参数，我们知道此逆变器的最大输入电流为10A,输入最大电压为520V，而我14块电池板电压达到610.4V超过了逆变器的限定电压，又因为逆变器有两个通道，所以采取并联的形式，将整个电池方针分成两部分，各为7块，复合逆变器的要求。分区如图4.4.3
图4.4.3电池阵列编号
施工时候，将1、4、7、10、13、8、14光伏组件连接在一起，选最优，余出路径以及最终有13和14号组件余出一根线与汇流箱连接，另外一部分相同原理，余出11和12号组件接入汇流箱。
另外，逆变器为3Kw输入，最大输入为3.4KW，而此光伏组件设计的最大发电量为3.5KW。因为逆变器自己本身存在20%左右的预留功率，如果算上这些预留功率，将复合此逆变器的工作最大功率。光伏组件能发电量达到3.5KW的时候在上海市的光照强度下，很少能发生，所以此逆变器能安全运行。
4.5.1防直击雷设计
太阳能光伏阵列的结构件通过接地体接地防止直击雷，即太阳能光伏
阵列的金属支架及其它金属构件均应与屋面避雷带或防雷引下线可靠连接。一般情况下防雷接地电阻应小于30Ω。光伏系统对接地电阻值比较严格，需要根据该屋顶的具体避雷条件进行修改。
4.5.2防感应雷设计
为防止感应雷对光伏发电系统的设备器件造成损坏，需在光伏阵列的直流输出端安装光伏专用高压防雷模块，模块安装在直流汇线盒内。 系统绝缘应满足以下要求：
（1）绝缘电阻：各带电回路与地之间的绝缘电阻应不小于10MΩ；（2）绝缘强度：带电回路两导体之间及任一导体与机壳(或地)之间，按照其额定绝缘电压分级，应能承受规定的50Hz 正弦试验电压1min．不出现击穿和飞弧现象，漏电流不大于10mA。
4.6具体电气设计
图4.4.4电气设计图
因为此工程为小型规模的光伏应用，所以决定将并网逆变器，交流防雷保护模块，单向电能表，双向电能表放于室内。线路连接需在外面用口径为2CM的PVC管道内，可以延缓线路的磨损老化等原因。建议通过空调主外机连接处穿入，减少对墙面的损伤。对空调主外机处需用塑化泡沫等加以填充，尽量恢复原有样貌。连接图如图4.4.4所示。
5施工组织设计
5.1施工交通运输
该房屋所在地周围基础建设齐全，道路交通通畅，在其东侧约300m处有一高速公路，满足施工运输要求。
5.2施工永久占地
该房屋光伏并网发电工程建于主楼、副楼楼顶，不需另外占地。5.3安装地点工程施工
该工程建于居民楼楼顶，安装所在的屋顶均不需要进行大的工程建设和改造。
5.4太阳能光伏阵列安装
太阳能光伏阵列安装时需注意的问题：
（1）电池板排列应主要考虑串联数和并联数，不能造成电池板闲置浪费等问题。阵列数应和串并联数合理配合，方便分组连线。
（2）电池板一定要考虑散热问题，在夏天很热的时候因温度升高而造成功率损失不容忽视，应设计通风道。通常单块太阳能电池之间保持间隙5cm至10cm，太阳能电池阵列离地的距离也在5cm至10cm。(3）光伏建筑一体化屋顶阵列应充分考虑排水问题。
（4）太阳能光伏阵列的安装应充分考虑其所在建筑本身结构的承重能力，支架的承重点要绝对保证座落在建筑主体大梁上，以免留下安全隐患或是造成施工事故。
（5）在太阳能光伏阵列的安装需要破坏楼顶部分结构时，应充分论证，征求业主的同意，在不影响楼体安全与防水条件的情况下进行。(6）在太阳能光伏组件安装时，应尽量避免在风大天气，以防安装组件时因风大而对施工人员人身安全或是组件本身的结构造成非预期的危害或是损害。
太阳能光伏阵列支架设计的基本要求：
（1）应遵循用料省、造价低、坚固耐用、安装方便的原理进行太阳能光伏阵列支架的设计生产和制造。
（2）太阳能光伏阵列支架应选用钢材或铝台金材料制造，其强度应可承受10级大风的破坏。
（3）太阳能光伏阵列支架的金属表面，应镀锌、镀铝或涂防锈漆，防止生锈腐蚀。
（4）在设计太阳能光伏阵列支架时，应考虑当地纬度和日照资源等因素既要考虑与建筑本身的结合度，也要在这个基础上充分优化调整太阳能光伏阵列的向日倾角和方位角的结构，以便充分地接受太阳辐射能，增加太阳能光伏阵列的发电量。
（5）太阳能光伏阵列支架的连接件，包括组件和支架的连接件、支架与螺栓的连接件以及螺栓与方阵场的连接件，均应用电镀材料或不锈钢钢材制造。
（6）未完全完工前，光伏组件应该由黑色薄膜遮挡避光，以免电池发黄损坏。
6环境影响分析及保护措施
6.1工程施工期对环境的影响
本工程所在地是居民楼顶，没有土建部分，施工量小，所以施工中不会影响生态环境，不会影响农业生态，总体上对环境的影响很小。具体情
况如下。1）噪声防治
本工程施工内容主要是光伏系统阵列支架的安装，电力设施的安装等，安装
过程中几乎没有噪音。2）扬尘、废气、污水
本工程在施工中不会产生粉尘和二次扬尘，不会造成局部区域的空气污染。
也不会产生污水。3）水土保持
光伏系统在建筑楼屋顶安装，不会在建设场区排弃土石、修建通道、铺设水
管线路等，所以不涉及到水土保持。符合《中华人民共和国水土保持法》的相关规定。
4）绿化和临时占地恢复措施
由于工程不是在地表施工，不会损伤植被，也没有临时占地恢复的问题。
6.2运行期对环境的影响
太阳能光伏发电是将太阳辐射能量转变为电能，在运行中不消耗矿物燃料，不会产生空气污染物，因此运行期间对环境的影响主要表现为以下几个方面：1）噪声影响
光伏组件工作时没有噪音产生，逆变器工作时产生的声音很小，可以忽略，
所以光伏系统工作时无噪音影响。2）电磁干扰
项目中使用的逆变器等电气设备容量小，且室内布置，不会对旅客身体健康
产生影响，不会对相关电气设备产生电磁干扰。3）对电网的影响
太阳能光伏系统运行时，选用的高性能的逆变器装置产生的电流谐波控制在
3%以内，大大小于GB 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定的5%。光伏发电场并网运行时，电网公共连接点的三相电压不平衡度不超过GB15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》规定的数值。因此可认为本工程对电网的影响控制在国家标准允许的范围内。
4）光污染
太阳电池组件内的电池片表面涂覆有减反膜，同时封装的玻璃表面已经过特殊处理，因此太阳电池组件对阳光的反射以散射为主，无眩光，不会产生光污染。
7工程运行安装、维护与管理
根据本项目的施工量，施工面积，我们承诺在7个工作日内为你完成所有的组件的施工安装。
本项目为无人值守发电系统，正式投产后可项目所在的单位安排人员兼职负责。系统设备的检修可由供应商和专业检修公司负责。
8发电量预测和节能减排分析
8.1发电量预测
本项目总装机容量为3.5KW，根据上海市日照情况分析，首年发电量
为约3533.79度。系统的设计寿命为25年，发电量每年线性衰减8‰，在电站25年生命周期内，共可发电约88300.75度，平均每年发电3532.03度。
8.2节能减排分析
光伏系统利用太阳能进行发电。光伏发电过程不消耗任何化石能源，也不排放任何废气，是非常理想的绿色能源。光伏发电系统的应用，可以有效减少常规能源的消耗，并且可以有效减少温室气体及其它有害气体的排放，因此具有非常重要的环保意义。
目前我国火力发电每产生一度电能平均消耗334克标煤本项目实施后，首年可以节省1.18吨标准煤，25年共可节省29.51 吨标准煤。 据统计，每燃烧一吨标煤排放二氧化碳约2.6吨，二氧化硫约24公斤，氮氧化物约7公斤（《对我国能源及能源问题的思考》，国家发展和改革委员会能源局，史立山）。如图 8.2.1所示，此项目实施后，每年可以节省大量的煤炭，并可以减少排放大量温室气体。此外，光伏发电还可以减排大量粉尘和烟尘。 节约标准煤减排（t）减排SO2（t）减排（t）NxOy（t）首年25年1.1829.513.06876.70.0280.7080.008260.2065 图8.2.1
9投资估算与经济效益分析
9.1光伏项目投资概算项目明细
光伏阵列逆变设备
价格
太阳能电池组9.6元/W
件并网逆变器
5000元
接线电缆及支2元/w架
家用双向电表2000元
家用交流保护开关
1000元
场地基础及土防雷及接地装300元建工程置
混凝土与柏油500元
安装调试设计安装调试费用12100元
费
9.2投资项目损益计算
首年发电量为 1.009kWh/W，按每年千分之八的衰减率计算，25年的生命周期内总发电量为88300.75kWh。按照现行上网电价，22年收回成本。但是您对这个社会，做出的贡献，不是这些钱能衡量的。
10我们的承诺
10年
自质保期开始日起十年内，如任何组件出现输出功率低于太阳能产品资料中所规定的标称功率的90%，并且由我方能确定是由于我放的原材料或工艺缺陷所致，我放提供组件给客户弥补功率损耗或者更换有缺陷的组件。
25年
自质保期开始日起二十五年内，如任何组件出现输出功率低于太阳能
产品资料所规定的标称功率的80%，并且由我方能确定是由于我放的原材料或工艺缺陷所致，我放提供组件给客户弥补功率损耗或者更换有缺陷的组件。
因为我们的安装设计事物，给您照成房屋损坏漏水等情况，我们将在7个工作日内到达现场，进行经济补偿以及修补。
