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摘要：太阳能作为一种洁净的可再生能源，有着矿物能源不可比拟的优越性。中国的太阳能资源十分丰富，为各种太阳能利用系统提供了巨大的市场。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源
美国通过“千万太阳能屋顶”计划。从2012投资2.5亿美元，2013-2021年每年投资5亿美元，用于对1MW及以下的屋顶太阳能发电系统进行50%的安装补助。目标是在未来十年之内安装1000万套屋顶太阳能发电系统。有望使美国成为全球最大的光伏市场。国内推出总计280MW光伏项目招标。该项目是国家第二批光伏发电招标项目，也是迄今为止中国最大规模的光伏项目招标，超过去年全国装机容量140MW一倍，对于国内光伏市场的启动无疑具有积极的推动作用。
关键词：发电系统 太阳能
一、方案设计
并网型光伏太阳能发电系统
基本工作原理：常规电力系统中的所有在运行机组，无论容量大小，全部并网发电，待并发电机组必须同时满足以下三个条件才允许并网运行，缺一不可：
1、 频率相等 2、 相位与相序相同 3、 电压相等
太阳能光伏电站同样必须同时满足上述三个并网条件才允许并网发电。光伏发电系统是 直流发电器，需经逆变器将直流电换成频率、相位和电压与电网完全相同的交流电，通过并网控制器与电网并联，成为电力系统中一台特定的小机组。白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。
并网型光伏发电系统可分为双向互补型和单向供给型。
双向互补型
单项供给型
典型屋顶太阳能并网光伏发电系统的组成： （1） 太阳能电池方阵
太阳能电池方阵是并网型光伏发电系统的主要部件，由其将接受到的太阳光能直接转换为电能。住宅并网型光伏系统光伏器件的突出特点和优点是与建筑相结合，目前主要有两种形式：建筑与光伏系统相结合（BAPV）和建筑与光伏元件相结合（BIPV）。
（2） 并网逆变器
将太阳能电池方阵发出的直流电转换为交流电，并且对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步、电能品质等进行控制。
（3） 控制器
对系统进行控制和监测。
对于并网光伏发电系统来说，主要用于城市与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）和
大型荒漠地光伏电站。这类应用已成为光伏发电市场的主流，目前约占到世界光伏发电市场份额的80%。
二、 方案实施
原理设计
太阳能电池发电原理：当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。
并网型光伏发电系统工作原理：白天，阳光充足，并网光伏电站全容量发电，向负载供电，多余的电能或储存、或向电网输电；夜间，电站停止运行，由储能装置或电网向负载供电。
框架设计（具体元件的选择安装）
屋顶太阳能发电系统采用并网光伏发电的形式，可以采用光伏建筑一体化的概念。光伏建筑一体化又分为建筑与屋顶集成（BIPV）和光伏在屋顶附着（BAPV）两种设计。BIPV是将光伏方阵作为建筑材料结构的功能部分，包括用太阳能电池组件取代传统的屋顶材料等；BAPV则是在完整的建筑物上增加光伏方阵，这种施工成本高于BIPV但是制造成本低于BIPV。而且BAPV可以在现有建筑的基础上进行改造，利用灵活，BIPV适合在建筑施工阶段应用。因此，本小型太阳能发电系统选用BAPV。 太阳能电池方阵安装要求：
在建筑屋顶上安装太阳能电池阵列的场合，斜面上安装，要考虑会不会因大雨而排水不
畅，要不要增加排水管道。
为使积雪能够靠重力自行滑落，太阳能电池阵列的倾角设计在20—45读为宜。 应做好防火、防水处理，阵列安装基础的自重、风压、积雪最大负荷设计，及基础预留
防水螺栓等，并应根据建筑的走向和方位角合理排布逆变器直流输入组件的位置。
安全设计要求（结构、电器控制等）：
设计屋面防雷与楼顶防雷网连接，钢架构强度满足各种条件下的负荷要求，电气设计严格按照国家建筑电气相关法规。
跃层式屋顶太阳能电站：
高层建筑(包括高层住宅建筑)一般都设有电梯井，屋面高低不一，为了充分利用屋面空间，必须采用经过优化设计的轻钢结构，建成高4～5m的跃层式构架，然后在顶部平面安装太阳能电站。跃层式构架属于太阳能电站的组成部分，如果在构架四周用轻质砌体砌墙，还可以形成一个宜人居住的有用空间，无疑相当于增加了一个跃层。这种光电一体化建筑，，既可以建成屋顶太阳能电站，又可以增加大量经济适用房的居住面积，投入产出比非常有利。
可行性分析：
（1）符合国家发展要求 国家《可再生能源中长期发展规划》中明确指出，发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能光伏发电装置。 （2）发展前景广阔 目前我国的光伏发电主要应用在边远地区，然而从发达国家，如日本、欧洲和美国的光伏产业发展的历程来看，只有在发达地区尤其是城市中大面积推广才能够促进太阳能产业的发展，所以在我国东部、南部经济发达地区大面积推广该系统有很大的现实意义。
（3）太阳能发电电价逐步降低 各国都在大力发展太阳发电，加强太阳能发电技术的研究，太阳发电技术越来越成熟，电价越来越低。而且由于常规能源价格的上涨，太阳能发电更具竞争力。
(4) 该小型屋顶太阳能发电系统具有安装简单，使用灵活的特点，既可充分利用太阳能发电，又可利用外电网供电，保证了系统供电的不间断性。
（5） 系统各元件生产厂家众多，可以根据具体工程需要具体选择，有很大的灵活性。 （6） 该系统实现了与建筑一体化的设计，充分利用了屋顶空间，而且美化了建筑。 （7） 该系统已经在国外有了很广泛的应用，在中国也有了初步的应用，技术相对较成熟，利用较方便。
三、 系统设计总结
屋顶太阳能发电系统采用了国外应用较成熟的并网光伏发电技术，通过在建筑屋顶安装太阳能电池，实现了分散发电，充分利用了太阳能。同时，该系统具有小型化的特点，普通居民即可在家中的房屋顶安装，特别适合于大型建筑、居民小区和公共建筑安装使用。而且，该系统采用与建筑相结合的方式，美化了建筑。
系统的优缺点分析：
优点 1、 能源清洁，发电过程不向环境排放废弃物； 2、 系统灵活，运行维护简单，随时保证供电。阳光充足时，利用太阳能发电，多余的电反馈回电网，夜晚或阴雨天则利用外电网供电； 3、 寿命长，可靠性高，一般晶体硅太阳能电池组件的寿命可长达20-25年，一次投资可使用的时间很长，重复投资较小； 4、 建设周期短，由于太阳能光伏发电的能量转换过程单一，为直接发电，所以屋顶太阳能系统的主要建设时间为屋顶铺设太阳能电池阵列的时间； 5、 系统小巧灵活，适合普通居民安装使用； 6、 实现了与建筑的结合，不仅利用了太阳能，而且美化了建筑。 7、 使用跃层式屋顶太阳能电站，可以更加充分的利用屋顶空间
改善措施：
缺点 1、 比投资昂贵，虽然太阳能光伏发电的组件价格在逐步下降，但是建造屋顶太阳能系统的初次比投资还是较为昂贵的； 2、 单位功率的占地面积大，光伏发电站单位发电功率的占地面积为8-10平方米/kW,若与常规火力电站和核电站相比，相差1-2个数量级； 3、 地域性强，只能建在太阳能资源丰富的地区； 4、 转换效率低，一般太阳能电池的转换效率为20%，远低于常规能源发电的效率； 5、 能耗回收年限问题，太阳能电池的上游材料工业，如晶体硅提纯工艺等能耗大，对环境污染严重。 （1） 加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发，降低材料成本并
提高其转化效率；
（2） 提高系统控制技术，如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、实现太阳光最大功率
跟踪等；
（3） 研究光伏发电的并网技术，减少光伏带能对电网的冲击；
（4） 研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合技术应用，保证供电连续性。 （5） 充分利用建筑空间，在设计建筑时，采用光伏幕墙、光伏屋顶技术，在屋顶、遮阳
板、建筑朝阳面利用光伏发电技术。
参考文献
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[6] 明杰，王平等. 太阳能发电系统安装方式实例介绍.内蒙古科技与经济，2010 [7] 周元根. 跃层式屋顶太阳能电站可行性分析.建筑科学，2010
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