CN116702270B - 一种模块化光伏棚电站的设计方法 - Google Patents

一种模块化光伏棚电站的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化光伏棚电站的设计方法,涉及光伏建筑一体化领域，包括如下步骤：S1、将一个逆变器直流输入端口所对应的光伏板串定义为1个最小发电单元，在逆变器输入电压的容许范围内，选取不同梁跨形式的单坡支架体系，形成发电单元A和B；S2、将最小发电单元A和B作为基础单元，两个基础单元通过组合得到AA、BB、AB三种更大的发电单元，AA、BB、AB分别关联着3个不同形式的双坡支架结构，将其定义为光伏棚的主要单元；S3、将基础单元和主要单元定义为光伏棚电站的标准设计系列模块，并提供了5种坡型的屋面覆盖形式，通过多种坡型的标准设计系列模块的灵活组合布置，快速设计生成光伏棚电站和屋面防水覆盖解决方案。

Description

一种模块化光伏棚电站的设计方法
技术领域
本发明主要涉及光伏建筑一体化领域，尤其是是涉及一种模块化光伏棚电站的设计方法，应用于公共机构和工商业的分布式光伏电站市场；实现了在混凝土屋顶的标准模块化电站设计，推进锌铝镁冷弯薄壁构件在结构防水一体化的BIPV应用；本发明还可用于地面光伏电站的市场领域。
背景技术
在工商业分布式电站应用中，由于屋顶设备管道多，屋面形状复杂各异，常规的低矮支架受到遮挡和检修通道的占地制约，装机量往往无法提升。
光伏棚电站是指一种利用太阳光能、采用特殊材料诸如晶硅板、逆变器等电子元件组成的发电体系，与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统，光伏棚电站是属于国家鼓励力度最大的绿色电力开发能源项目。
近年来，光伏棚电站在混凝土屋顶的应用中，以其高密度的装机能力，优秀的防水能力，实惠的空间利用效果，越来越受到市场的青睐。
但是，现有大屋面光伏棚电站的装配式设计普遍都存在缺陷，其结构体系复杂，构件繁多，造成设计耗时费工，料单冗长，生产安装易出错等一系列问题。
上述情况，制约着装配式光伏棚电站在工商业的应用普及。
发明内容
本发明为克服上述情况不足，提供了一种能解决上述问题的技术方案。
一种模块化光伏棚电站的设计方法,包括如下步骤：
步骤S1、将一个逆变器直流输入端口所对应的光伏板串定义为1个最小发电单元，在逆变器输入电压的容许范围内，选取不同梁跨形式的单坡支架体系，形成发电单元A和B；
步骤S2、将最小发电单元A和B作为基础单元，两个基础单元通过组合得到AA、BB、AB三种更大的发电单元，AA、BB、AB分别关联着3个不同形式的双坡支架结构，将其定义为光伏棚的主要单元；
步骤S3、将基础单元和主要单元定义为光伏棚电站的标准设计系列模块，通过多种坡型的标准设计系列模块的灵活组合布置，快速设计生成光伏棚电站和屋面防水覆盖解决方案。
进一步的：在步骤S3中设计5种坡型的屋面覆盖形式作为标准设计系列模块，通过5种标准设计系列模块的灵活组合布置，首先生成发电模组，其坡面方向均由5个标准设计模块进行组合，得到：
Mu＝A×k1+B×k2+AA×k3+BB×k4+AB×k5
其中：Mu为发电模组，k1～k5是模块组合系数。
进一步的：将5个标准设计系列模块，通过平面投影覆盖面得到：
nL×mH
其中，L和H分别为光伏板长和宽的投影长度，m是阵列的固定列数，mH关联着模块坡面方向的覆盖长度，n是可变阵列行数，nL关联着模块垂直于坡面的覆盖长度。
进一步的：设置阵列模块，满足：
Ns≤n≤Nr
其中，Ns是最小设计行数，Nr是最大设计行数，当n＝Nr时，直流串电压接近逆变器的额定输入范围，定义为标准额定模块；当n＝Ns时，直流串电压≥逆变器的启动电压，定义为标准容许模块，逆变器中，Nr和Ns的差值≤2。
进一步的：光伏棚电站由不同的发电模组，在垂直于坡面的方向进行排列组合，得到：
PS＝Mu1+Mu2+…+Mui
其中，PS为光伏棚电站，1～i是发电模组的排列系数。
进一步的：模组在垂直坡面方向覆盖长度的组合，得到：
LL＝n1×L+n2×L+…ni×L
其中：LL是电站在垂直坡面方向的覆盖长度，n1～ni是模组的可变阵列行数。
进一步的：当Nr-Ns＝1时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
LL＝(i-j)×Nr×L+j×Ns×L
其中：j＝0或j＝1。
进一步的：当Nr-Ns＝2时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
LL＝(i-j-g)×Nr×L+j×Ns×L+g×(Ns+1)×L
其中，j＝0或j＝1，g＝0或g＝l。
进一步的：光伏棚电站的模组在坡面方向覆盖长度的组合，得到：
HH＝Ma×k1+Mb×k2+2×Ma×k3+2×Mb×k4+(Ma+Mb)×k5
其中：HH是模组在坡面方向的覆盖长度，Ma和Mb是基础单元所对应的固定列数×H。
进一步的：光伏棚电站沿坡面方向的结构体系为门式钢架，垂直于坡面方向的结构体系由檩条和柱间支撑构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过单元-模组-电站的模块化架构体系，将简单的A、B两种发电单元，组合成复杂、规模化、多跨度的光伏棚电站，大幅度提高工商业装配式光伏棚的设计及装配式支架的生产效率，施工速度快，材料成本节省，具有很好的经济效益；
2、将户用光伏棚电站和工商业光伏棚电站，形成一个完整的应用体系，提高了生产设备的利用率；有利于锌铝镁冷弯薄壁构件在工商业光伏棚市场的普及应用，规避了传统工艺因大面积焊接带来的消防隐患；
3、在工商业屋顶分布式电站应用上，具有屋顶利用率高，防水隔热效益好，装机规模大的突出优势，市场潜在规模广阔。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是光伏棚电站标准设计模块1的基础单元模块组设计示意图；
图2是光伏棚电站标准设计模块2的主要单元模块组设计示意图；
图3是k1＝1,k2＝1,k3＝1,k4＝1,k5＝1时的模组案例剖面示意图；
图4是图3模组在i＝3，j＝1情况下光伏棚电站案例的平面示意图；
图5是图3模组在i＝4，j＝1，g＝1情况下光伏棚电站案例的平面示意图；
图6是设计例子的5个标准额定模块下光伏板的平面示意图；
图7是设计例子的5个标准容许模块下光伏板的平面示意图；
图8是设计例子的光伏棚电站的平面示意图和剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1～5所示，本发明的一种模块化光伏棚电站的设计方法，包括如下步骤：
步骤S1、将一个逆变器直流输入端口所对应的光伏板串定义为1个最小发电单元，在逆变器输入电压的容许范围内，选取不同梁跨形式的单坡支架体系，形成发电单元A和B；
步骤S2、将最小发电单元A和B作为基础单元，两个基础单元通过组合得到AA、BB、AB三种更大的发电单元，AA、BB、AB分别关联着3个不同形式的双坡支架结构，将其定义为光伏棚的主要单元；
主要单元中不同朝向坡面的组件串，不宜接入同一组MPPT的直流输入端口；
步骤S3、将基础单元和主要单元定义为光伏棚电站的标准设计系列模块，通过多种坡型的标准设计系列模块的灵活组合布置，快速设计生成光伏棚电站和屋面防水覆盖解决方案。
作为本发明进一步的方案：在步骤S3中设计5种坡型的屋面覆盖形式作为标准设计系列模块，通过5种标准设计系列模块的灵活组合布置，首先生成发电模组，其坡面方向均由5个标准设计模块进行组合，得到：
Mu＝A×k1+B×k2+AA×k3+BB×k4+AB×k5
其中：Mu为发电模组，k1～k5是模块组合系数。
作为本发明进一步的方案：将5个标准设计系列模块，通过平面投影覆盖面得到：
nL×mH
其中，L和H分别为光伏板长和宽的投影长度，m是阵列的固定列数，mH关联着模块坡面方向的覆盖长度，n是可变阵列行数，nL关联着模块垂直于坡面的覆盖长度；
作为本发明进一步的方案：设置阵列模块，满足：
Ns≤n≤Nr
其中，Ns是最小设计行数，Nr是最大设计行数，当n＝Nr时，直流串电压接近逆变器的额定输入范围，定义为标准额定模块；当n＝Ns时，直流串电压≥逆变器的启动电压，定义为标准容许模块，市场上绝大多数的逆变器中，Nr和Ns的差值≤2；
标准额定模块和标准容许模块的定义设置，提升了标准模块设计的屋面环境适应性；设计时，应优选标准额定模块，令逆变器处于额定输入电压数值点附近的工作状态，实现最大的发电效率；当碰到屋面尺寸限制需要更小nL的模块组合时，可选择标准容许模块。
作为本发明进一步的方案：光伏棚电站由不同的发电模组，在垂直于坡面的方向进行排列组合，得到：
PS＝Mu1+Mu2+…+Mui
其中，PS为光伏棚电站，1～i是发电模组的排列系数。
作为本发明进一步的方案：模组在垂直坡面方向覆盖长度的组合，得到：
LL＝n1×L+n2×L+…ni×L
其中：LL是电站在垂直坡面方向的覆盖长度，n1～ni是模组的可变阵列行数。
作为本发明进一步的方案：当Nr-Ns＝1时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
LL＝(i-j)×Nr×L+j×Ns×L
其中：j＝0或j＝1。
作为本发明进一步的方案：当Nr-Ns＝2时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
LL＝(i-j-g)×Nr×L+j×Ns×L+g×(Ns+1)×L
其中，j＝0或j＝1，g＝0或g＝1。
作为本发明进一步的方案：光伏棚电站的模组在坡面方向覆盖长度的组合，得到：
HH＝Ma×k1+Mb×k2+2×Ma×k3+2×Mb×k4+(Ma+Mb)×k5
其中：HH是模组在坡面方向的覆盖长度，Ma和Mb是基础单元所对应的固定列数×H。
作为本发明进一步的方案：光伏棚电站沿坡面方向的结构体系为门式钢架，垂直于坡面方向的结构体系由檩条和柱间支撑构成；能够确保光伏棚电站装配后的稳定性。
以下提供一个实施操作时的光伏棚模块化的设计例子：
如图6-8所示，A由nL×4H块光伏板串联形成，L＝2281，H＝1137，结构跨度为3.3m；B由nL×6H块光伏板串联形成，结构跨度为3.9m；选用逆变器的额定输入电压为600V，启动输入电压为250V，每块光伏板最大功率点的直流电压为40V。
在光伏棚电站设计时，将Nr设为3；当n＝Nr时，A为12块板串联，则12×40＝480V，B为18块板串联约18×40＝720V，均接近额定输入电压；
将Ns设为2，A的串联电压8×40＝320V，B的串联电压12×40＝480V，均大于启动电压；
5个标准额定模块的坡面覆盖长度为：
A＝4548，B＝6822，AA＝9096，AB＝11370，BB＝13644
垂直于坡面的模块覆盖长度为：
Nr×L＝6843，Ns×L＝4562
即可根据以下标准化设计排布原则进行屋顶的布置，模组Mu在坡面方向的覆盖范围：
Mu＝4548×k1+6822×k2+9096×k3+11370×k4+13644×k5
Nr-Ns＝1，阳光棚电站PS在垂直于坡面的方向的覆盖范围：
LL＝6843x(i-j)+4562xi，j＝0或j＝1；
进而快速设计生成光伏棚电站和屋面防水覆盖解决方案。
本发明通过单元-模组-电站的模块化架构体系，将简单的A、B两种发电单元，组合成复杂、规模化、多跨度的光伏棚电站，大幅度提高工商业装配式光伏棚的设计及装配式支架的生产效率，施工速度快，材料成本节省，具有很好的经济效益。
本发明将户用光伏棚电站和工商业光伏棚电站，形成一个完整的应用体系，提高了生产设备的利用率；有利于锌铝镁冷弯薄壁构件在工商业光伏棚市场的普及应用，规避了传统工艺因大面积焊接带来的消防隐患。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种模块化光伏棚电站的设计方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将一个逆变器直流输入端口所对应的光伏板串定义为1个最小发电单元，在逆变器输入电压的容许范围内，选取不同梁跨形式的单坡支架体系，形成发电单元A和B；
步骤S2、将最小发电单元A和B作为基础单元，两个基础单元通过组合得到AA、BB、AB三种更大的发电单元，AA、BB、AB分别关联着3个不同形式的双坡支架结构，将其定义为光伏棚的主要单元；
步骤S3、将基础单元和主要单元定义为光伏棚电站的标准设计系列模块，设计5种坡型的屋面覆盖形式作为标准设计系列模块，通过5种坡型的标准设计系列模块的灵活组合布置，首先生成发电模组，其坡面方向均由5个标准设计模块进行组合，快速设计生成光伏棚电站和屋面防水覆盖解决方案，得到：
Mu＝A×k1-B×k2-AA×k3-BB×k4-A3×k5
其中：Mu为发电模组，k1～k5是模块组合系数。
2.根据权利要求1所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：将5个标准设计系列模块，通过平面投影覆盖面得到：
mL×mH
其中：L和H分别为光伏板长和宽的投影长度，m是阵列的固定列数，mH关联着模块坡面方向的覆盖长度，n是可变阵列行数,nL关联着模块垂直于坡面的覆盖长度。
3.根据权利要求2所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：设置阵列模块，满足：
Ns≤α≤Nr
其中，Ns是最小设计行数，Nr是最大设计行数，当n＝Nr时，直流串电压接近逆变器的额定输入范围，定义为标准额定模块；当n＝Ns时，直流串电压≥逆变器的启动电压，定义为标准容许模块，逆变器中，Nr和Ns的差值≤2。
4.根据权利要求3所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：光伏棚电站由不同的发电模组，在垂直于坡面的方向进行排列组合，得到：
PS＝Mu1-Mu2-··-Mu1
其中，PS为光伏棚电站，1～i是发电模组的排列系数。
5.根据权利要求4所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：模组在垂直坡面方向覆盖长度的组合，得到：
LL＝n1×L-n2×L-…a1×L
其中：LL是电站在垂直坡面方向的覆盖长度，n1～ni是模组的可变阵列行数。
6.根据权利要求5所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：当Nr-Ns＝1时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
其中：j＝0或j＝1。
7.根据权利要求5所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：当Nr-Ns＝2时，根据优先摆布额定模块的原则，得到：
其中，j＝0或j＝1，g＝0或g＝1。
8.根据权利要求2～7任意一项所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：光伏棚电站的模组在坡面方向覆盖长度的组合，得到：
其中：HH是模组在坡面方向的覆盖长度，Ma和Mb是基础单元所对应的固定列数×H。
9.根据权利要求1所述的一种模块化光伏棚电站的设计方法，其特征在于：光伏棚电站沿坡面方向的结构体系为门式钢架，垂直于坡面方向的结构体系由檩条和柱间支撑构成。
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