家庭分布式光伏发电设计与安装步骤
家庭分布式光伏发电设计与安装步骤
一、分布式光伏发电系统设计
1.根据用户需求设计电池板功率。具体的设计标准请参照GB 50797-2012 《光伏发电站设计规范》中的相关规定。
安装分布式光伏发电系统前，要根据用户的需求设计电池板的功率。首先要考虑用户每日的用电量，太阳能光伏发电量首先要满足用户的家庭用电，这样的设计才能够有多余的电量上传给国家电网。
目前的城镇居民每户的月平均用电量为一百五十度左右（1度=1千瓦时，下同），即每日的用电量为5度。按照2000瓦的电池板系统计算，假设每日的平均光照为6小时，这样每小时的发电量为1.5度，每天的发电量为9度。这样不仅可以满足自己的用电，而且可以将剩余的电力上传给国家电网。
家用太阳能光伏发电系统配置的简便计算方法：因为地球表面太阳常数约等于1000瓦每平方米，这一辐射强度是太阳能光伏发电系统中电池组件测试的标准光强。对于交流系统设计来说，与直流系统方法原则上一样，只是在系统效率取值时加入了逆变器的效率，以及在选择主回路导线线径上有所区别。
关于逆变器在系统中的效率，不能仅仅与其他效率相乘得到系统总效率，还应对这样计算出的系统总效率进行修正。具体的效率参数修正标准请参照GB/T 39857-2021《光伏发电效率技术规范》的相关规定。
2. 根据房屋面积设计电池板功率
我们在申请并网发电的同时，需要上缴用户的房产证明，并且还要统计房屋的屋顶面积。这不仅是安装的前提，还要考虑到相应的太阳能电池板是否能够安装在用户的屋顶上。因为相应功率的发电系统需配置相应的电池板数目，还要考虑到房屋整天的光照条件。
这样就必须计算房屋面积来确保太阳能发电系统的正常安装。从理论上来说，所有的居民都可以申请分布式并网光伏发电系统，但事实上分布式并网光伏发电系统，对屋顶面积的要求还是相当高的。建议先考虑一下光伏组件的安装位置和安装面积。
通常来说南屋面或者东西朝向的屋面都比较适合安装，另外有院子或者阳台的家庭，也可以考虑安装阳光棚、车棚或者遮阳棚。一般而言1000瓦装机容量需要屋顶面积十平方米。目前来说，别墅、联排、农村独门独户的房屋，比较适合安装分布式光伏发电项目。
如果是居民小区，则手续可能比较麻烦。需要整个单元或整栋楼内所有利害关系的业主，签字同意才能安装。如果有当地的社区或者街道办事处进行协调和推进，对居民小区屋面整体进行光伏发电系统安装，还是具有一定的可行性。
如果是个人以盈利为目的，采取租赁等措施给居民小区屋面安装光伏发电系统，沟通成本过高，耗时耗力且收益和投入比过大，如非必要不建议涉足。
3. 考虑并网条件和当地电网情况
对于利用建筑屋顶及附属场地新建的分布式光伏发电项目，发电量可以全部自发自用、部分自发自用剩余电量上网、或全额上网，可由用户自行选择上网模式。
4. 根据电池板功率选择配套的逆变系统
太阳的逆变器的主要功能是将直流电机变成交流电，通过全桥电路采用处理器，经过调制、滤波、升压等，得到与交流负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电共系统终端用户使用。有了逆变器就可以用电池板的直流电源提供交流电。所以要根据电池板的发电功率来确定逆变器的规格。
目前分布式发电系统的逆变器都是1~10千瓦的规格，电压一般为12伏24伏和48伏，只有电压和功率符合逆变器了，这样的系统才能正常运转，才能延长这个发电系统的寿命。
这里简单介绍电池板的功率计算方法：
所发总电量=光伏板数量×发电时间×实际发电效率
光伏板数量=所需电量÷发电时间÷逆变器实际效率
所需逆变功率=所有用电器同时使用的功率之和÷逆变器实际效率
逆变器是最需要慎重选择的部分，我们计算的是家用电器同时使用的额定功率（或者叫总视在功率），并考虑电器都错开使用的情况（需求系数），而当同时使用时往往电器在开始启动时所需要的功率是峰值功率，远远大于额定功率。例如空调、电冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等。
所以逆变功率要加大，比如1600瓦的总功率，建议使用3000瓦以上的逆变器。峰值功率的问题，在发电部分储能部分都有影响，需要适当的加大。而逆变实际承载功率也是一项大问题，这往往要选择优质的逆变器，差的逆变器很多都是标称功率远远小于实际承载的功率。
逆变器不只具有直交流变换功能，还具有最大程度的发扬太阳电池功能的功用，以及兼具系统调制和维护功用、最大功率跟踪节制功用、防独自运转功用、主动电压调整功用、直流检测功能、直流接地检测功用等。同时也要考虑逆变器的效率问题，对这些逆变器中采用的功率电路进行了考察，并推荐针对开关和整流器件的最佳选择。
太阳光照射在通过串联方式连接的太阳能模块上，每一个模块都包含了一组串联的太阳能电池单元，太阳能模块产生的直流电压在几百伏的数量级，具体数值根据模块阵列的光照条件，电池的温度及串联模块的数量而定。
二、硬件系统设计
图1-1 常见支架结构示意图
1. 支架材料的选择
（1）铸铁。铸铁是由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些核心中含碳量超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。碳素铸钢件由于铸态塑性和韧性低，不宜直接使用，而且在使用的过程中容易生锈，所以这里就不提倡使用铸铁。
（2）角铁。角钢俗称角铁，是两边互相垂直成直角的长条钢材。铸铁含碳量高塑性差，组织不均匀，焊接性很差，在焊接时一般会出现焊后产生白口，容易出现裂纹，易产生气孔等问题。而且考虑到长期使用的问题，在使用过程中也会生锈，所以这里也不予采用。
（3）镀锌角钢。镀锌角钢分为热镀锌角钢和冷镀锌角钢。热镀锌角钢也叫热浸镀锌角钢或热浸锌角钢。冷镀锌涂料主要通过电化学原理，保证锌粉与钢材的充分接触产生电极电位差进行防防腐。
镀锌角钢的优点：
处理费用低：热镀锌防锈的费用要比其他漆料涂层的费用低。
持久耐用：热镀锌角钢具有表面光泽、锌层均匀、无漏镀、无滴溜、附着力强、抗腐蚀能力强的特性，在郊区环境下，标准的热镀锌防锈厚度可保持50年以上而不比修补；在市区或近海区域，标准的热镀锌防锈层则可以保持20年而不必修补。
可靠性好：镀锌层与钢材间是冶金结合，为钢表面的一部分，因此镀层的持久性较为可靠。
（4）铝合金。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，铝合金的焊接性研究也随之深入。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢。铝合金的塑性好，可以加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性，工业上应用广泛，使用量仅次于钢材。一些铝合金可以采用热处理获得良好的力学性能、物理性能和抗腐蚀性能。
产品特性：艳丽多彩的装饰性、耐候、耐腐蚀、耐冲击、防火、防潮、隔音、隔热、抗震、易加工成型、质轻易搬运安装等等。
2. 常见屋顶的光伏支架连接方式
常见支架脚：支架支撑腿、支架连接件、支架钢材、配套支架电池板边压、配套电池板中压。
图1-2 支架支撑腿
图1-3 支架连接件
图1-4 支架钢材
图1-5 电池板配套边压
图1-6 电池板配套中压
3. 手动式焊接支架见图1-7。
图1-7 手动式焊接支架
4. 太阳能电池板间的连接构件见图1-8。
图1-8 太阳能电池板间的连接构件
5. 非焊接式支架与水泥墩间的连接见图1-9。
图1-9 非焊接式支架与水泥墩间的连接
6.非焊接式滑动支架的安装见图1-10。
图1-10 非焊接式滑动支架的安装
6. 可调支架见图1-11和图1-12。
图1-11 可调支架示意图
图1-12 可调支架实物图
3. 支架与固定物之间的连接
（1）支架与水泥墩的连接见图1-13、图1-14、图1-15
图1-13
图1-14
图1-15
（2）支架直接与地面连接见图1-16、图1-17、图1-18。
图1-16
图1-17
图1-18
（3）支架与顶棚（用胶泥粘接或扣件固定）连接见图1-19、图1-20、图1-21。
图1-19胶泥粘接
图1-20 扣件固定顶棚连接方式
图1-21胶泥粘接
三、支架的总体结构设计
1.在水泥屋顶浇筑水泥墩
通常在水泥屋顶浇筑水泥墩是最常见的安装支架的方式。
优点：固定，不破坏防水；
缺点：需要大量人工和耗时，水泥墩需要一周以上的固化养护时间，在水泥墩完全固化后才可安装支架，需要大量的预制模具。
2.预制水泥砖
优点：相对制作水泥墩省时，可提前定做配重水泥砖，节省水泥地埋件。
缺点：运输不方便，增加运输成本。
3.钢构连接
在支架的立柱底端做法兰盘，利用镀锌型钢将若干支架阵列连接在一起，五百千瓦甚至一个兆瓦以上为一个单位，利用支架阵列自重增加抗风性，只需在屋顶承重点做少数水泥墩，固定大型支架阵列。
优点：安装快捷简便，方便拆卸。
缺点：造价高，支架成本不少于一元每瓦。
4.彩钢瓦屋顶支架选用
彩钢瓦厂房安装简便，但是国产彩钢瓦寿命为10~15年，安装光伏电站后检修困难，隐患过多。彩钢瓦常见的有三种：直立锁边型、角驰型、梯形。对于直立锁边型与角驰型彩钢瓦，多利用彩钢瓦的波峰使用专用铝合金夹具固定支架导轨。彩钢瓦寿命为10~15年，承重在15~30千克每平方米，多采用平铺安装。如图1-22、图1-23、图1-24、图1-25所示。
图1-22 彩钢瓦屋顶铝合金夹具固定支架导轨
图1-23 彩钢瓦屋顶铝合金夹具固定支架导轨
图1-24 彩钢瓦屋顶铝合金夹具固定支架导轨
图1-25 彩钢瓦屋顶铝合金夹具固定支架导轨
四、硬件结构的安装
1.准备工作。经供电部门批准后，根据业主提供的场地面积或就地测量，太阳能电池板串并联，设计出合理的施工电路图，以及太阳能电池板、逆变器等规格参数的选择等。
根据场地的不同类型，设计太阳能电池板组阵的排列方式，一般选取N型、长方形等排列方式。一般家庭分布式光伏发电系统，采用系统全串联方式，一定要到市场购买正规的光伏系统设备。
2.连接支架。焊接支架或用滑动螺钉连接支架以刚性材料为主，一般结构为两个三角形和一个长方形构成的直角三棱柱状。支架用于放置太阳能电池板，使太阳能电池板倾斜一定的角度来获得比较大的光电转换效率，各个地方的最佳方位角、倾斜角请参考当地近十年气象数据和实际测量的经纬度。
3.地面固定。将焊接好的支架与被切割好的青石墩或者是水泥墩进行连接。水泥墩或青石墩固定于支架的四角或者其他的主要承重点上，并进行水平面找平，使太阳能电池板和支架稳定坐落于场地上。固定方式多采用膨胀螺丝连接或与预埋件焊接。
4.放置、连接太阳能电池板。将太阳能电池板放置于被固定好的支架上面，用普通的螺钉或铝合金扣件将支架与太阳能边缘连接，每块太阳能电池板至少用4个螺钉或铝合金扣件固定。
将太阳能电池板与支架安装固定好以后，将每一块太阳能电池板串联，通过汇流箱（一般用于大型分布式光伏发电站，小型家庭分布式光伏发电系统不用汇流箱）后，接入DC-AC逆变器，将太阳能电池板发出的直流电转化成交流电供给负载用电。
同时，逆变器与供电部门提供的双向表头相接，将余电上网（一般黑线接负极、红线接正极）。双向电表是在分布式光伏发电系统建成，并经供电部门验收合格后免费赠送的电能表（个别地方也可能需要自己花钱购买，具体请以现地规定为准），它可以详细的记录太阳能电池板发的总电量以及上网电量。
5.检查。由整体到部分或由部分到整体检查各线头的连接，如有必要可以加塑料管等密封装置保护光伏电缆，检查各光伏装置之间的连接是否做到紧固可靠。如果我们的光伏发电系统电压超过人体安全电压，一定要做好防护措施。
防护措施大致有加装隔离网、给裸露线体加装绝缘护套、对光伏电池的金属边框进行可靠接地、金属支架进行可靠接地，以及其他相关设备进行可靠接地。
