本文基于江苏某地区琉璃瓦别墅屋面的实际工程项目，继续为大家探讨关于家庭分布式发电系统的设计及施工相关的内容，该项目单栋别墅装机容量为5.25kW，2014年9月顺利完成并网调试和验收工作。本章主要内容包括方阵安装朝向的选择、光伏装机容量的配置、组串设计及PVsyst软件多路MPPT模拟、首年发电量的预测及发电量不确定性(P50、P75和P90)计算，同时介绍琉璃瓦屋面安装施工及交流侧并网接入方面的内容。
一、 琉璃瓦屋面的光伏设计
1.1现场勘察
光伏项目的设计离不开前期的勘测工作，大体来说涵盖如下几个方面：一是房屋的调查，如屋面场地情况和可利用面积、房屋形状和施工条件、安装部位构造及强度、当地的日照情况、屋面是否存在建筑障碍物的遮挡等。二是电气设备的调查，如用户配电系统及配电箱位置、逆变器和交流配电箱的安装场所、直流和交流走线路径、接地方式等，三是作业环境的调查，如搬运路径、作业空间、材料及设备保管空间等等，当然还需要和业主沟通好方案、费用、流程及施工等，关于现场勘察及屋顶评价方面的内容在《光能》2014年11月刊中也略有涉及。
1.2光资源分析
光资源分析的目的一是决定组件的安装朝向，二是对系统的发电量进行理论预测。对于业主而言，年投资收益和回报期与发电量息息相关，业主也需要了解预期的发电收益，因此我们需要根据场地实际情况进行分析。该项目所在的别墅为琉璃瓦斜屋面，需要考虑光伏组件接受阳光的最佳状况，别墅的正南面和东西面都有较大的坡角，屋顶的北面无疑不适合安装光伏电池板。对于东西面和正南面，通过PVsyst光伏软件查询得到当地历年的年平均气象数据，不同朝向的太阳辐射资源存在一定的差异，参考表1，结果表明辐射量正南朝向为最大，东面比西面略大，但按照常理，西面的辐射量应比东面大些。
为了解决PVsyst东西面气象数据和实际情况不符的疑问，继续通过Ecotect专业软件分析验证，如图1所示，结果表明，正西面接收的太阳辐照量要比正东面大些，它这里面考虑的一个因素为下午的空气密度一般比上午要小，而如果不考虑空气密度的影响，这两个方位角所受的辐射量应该是比较接近的，所以对于该项目，组件理想的敷设位置优先考虑正南面和正西面，确定安装朝向后下一步就是组串布置等设计。
图1 Ecotect中别墅不同方位角的光资源分析(单位：Wh/m2)
1.3 系统设计
设计环节主要包括确定组件和支架的安装形式，必要时需要对支架载荷进行测算，另外还包括电气设计，如组串接线、逆变器的选择和系统之间的电气连接等，同时费用预算这块也需要考虑，如设备、辅料、施工等费用。
一般琉璃瓦瓦面的坡角很大，因此别墅屋面组件实际安装时一般沿屋面平铺，对于本例，组件布置如图2所示，根据屋面实际可利用的面积，正南屋面组件安装朝向采用纵向安装，正西屋面为横向安装。
图3为对应的组件布置和导轨安装CAD图，对于琉璃瓦屋面，组件的安装固定目前较多采用不锈钢挂钩和导轨形式，图3中绿色所示部件即为不锈钢挂钩的安装位置，其中挂钩的安装依据GB 50009-2012 建筑结构荷载规范，方阵内最边上的挂钩和最边上组件的距离有一定的要求，一般不能超过500mm，本例中预留的距离为350mm，挂钩之间的距离根据导轨的长度均匀分布，本例约为1m左右。
图3 光伏组件布置和导轨安装CAD图(左：正南屋面布置 右：正西屋面布置)(单位：mm)
由于南屋面和西屋面的光伏组件受到的光照强度和组串数量均不一致，因此不能相互串联或并联在一起，否则会造成短板效应，带来发电量的损失。对于本案例，则使用了具有2路独立MPP跟踪功能的组串逆变器，解决了不同朝向组件和不同串数的问题。因此正南面14片组件和西面7片组件可各自成一串，参考光伏组串的设计规范(GB 50797-2012光伏发电设计规范)，可以验证上述组串数下的组串电压在当地极限低温工作条件下和极限高温工作条件下，均在组串逆变器的允许最大输入电压值和MPPT电压范围内，本例光伏组件采用多晶250Wp规格，南面和西面的具体容量配置参考表2，总装机容量5.25kW。
上述介绍的是直流侧的设计，对于交流侧，系统的并网接入设计需了解用户的配电系统和接入点，该别墅使用是的三相四线入户，根据国家电网标准《分布式光伏发电接入系统典型设计》中的内容，8KW及以下可以单相接入，因此本例采用了单相组串式逆变器，交流输出电压为220V，其中家庭用户有一相用电量较大，那么光伏系统可接入家庭用电量大的这一相，并网模式为“自发自用、余电上网”，关于220V/380V分布式接入系统的典型设计可参考图4。并网接入需要了解电能表的安装，目前电能表分为关口计量电能表和并网电能计量表两类，其中关口计量电能表用于用户与公共电网间的上网和下网的电量计量，并网电能计量表用于光伏发电量统计和电价补贴，一般在光伏发电系统的并网点处安装并网电能计量表，在产权分界点处安装双向电能表或称关口计量表，其中产权分界点参考图4中所示位置。
1.4发电量预测和不确定性评估
发电量预测的主要从业主角度考虑基于该设计方案下的理论发电量，本例使用PVsyst6.25模拟软件，建立如图5所示简化模型，并对该模型在冬至日9时下的阴影情况进行了分析，通过图6可知在冬至日9时，西面的阵列已经完全被遮挡，当真太阳时10点，阴影遮挡已消失，因此采用独立双MPPT跟踪是非常有必要的。
图5 别墅PVsyst简化模型
图6冬至日9时和10时阴影情况
PVsyst软件中对于多路MPPT功能的具体设置参考图7，在该软件中，如果需要将2种不同朝向的组串接入组串逆变器并使用双路MPPT功能，则每一路输入组串所对应的方阵需事先定义为“Sub-array”，比如“Sub-array 1#”为正南向组串，“Sub-array 2#”为正西向组串。
图7 PVsyst6.25系统配置界面
图8为“Layout”界面，目的是给组件之间进行电气连接，比如被赋予粉色的组件对应为“Sub-array 2#”，棕色组件串为“Sub-array 1#”，完成组件的电气连接后，我们可以进行I-V曲线的模拟，还可以验证两路MPPT是否发挥作用，如图9和图10所示分别对应为冬至日上午9时西面阵列和正南面阵列的实时P-V输出曲线，最大功率分别为57W和1684W，可见正南面组串并没有受到正西面组串遮挡的影响。
图8 PVsyst6.25 Layout界面(电气连接)
通过以上近场阴影建模和系统配置，通过PVsyst可模拟得到系统首年各月份的PRstc值及日有效发电小时数，其中首年理论系统效率PRstc为81 %左右，参看图11。
图11日有效发电小时数及系统PR
此外，在Pvsyst界面中有一项“Miscellaneous tools”，它可以对发电量的不确定性进行评估，众所周知，影响发电量的不确定性来源于多方面，比如实际获取的气象数据、灰尘遮挡、组件年衰减率等等，其中气象数据是不确定度来源的重点，因此发电量理论估算也存在一定的不确定性，各不确定因素独立地并以正态分布形式影响发电量。在引入统计学中置信率概念后，即超过一定%的可能性，发电量不再是单一数值，而是可以得到多个不同置信率水平下的发电量估算值。本例使用 PVsyst计算得出，在5.5%的不确定因素下，置信率P50发电量为5552kWh，P90为5156kWh，也就是说发电量超过5552kWh的概率为50%，超过5156kWh的概率为90%，参考图12。当不确定度越低，P90和P50的差异会缩小，发电量的不确定度对于项目投资风险管控比较重要，一般以P50 判断项目的基础收益能力，以P75 或P90 判断项目的风险水平。
图12 PVsyst中P50、P90和P95的计算
二、 民用光伏发电系统的施工
该别墅屋面琉璃瓦下面为混凝土层，整个安装施工方法和上一篇介绍的混凝土层瓦面基本一致，唯一的区别是该项目采用了挂钩和屋面进行固定，如图13为该项目所使用的不锈钢挂钩，实际施工时为了避免对屋面带来漏水隐患，挂钩和屋面之间增加一层防水橡胶材料，孔内、螺栓安装位和挂钩四周均覆盖了防水密封胶。根据施工规范(GB 50794-2012 光伏发电站施工规范)，顺坡支架安装的组件与屋面之间的垂直距离需要满足通风散热间隙的要求，从施工方便角度，通风间隙不宜小于100mm，实际间隙为110mm左右(导轨高度50mm，组件铝边框厚度40mm，导轨和屋面20mm)。此外，图14所示为市场上另一种比较常见的挂钩，有的可以调节高度，有的不可以调节，导轨可以横向或竖向安装，所以使用什么样的挂钩需要根据实际工程的需要进行选择。
导轨和组件安装完后，组件与组件之间进行串联，如果组串需要跨接线缆，采用架空方式敷设时需要PVC管或钢管进行保护，组件和支架的接地和原屋面的避雷带连接，如果接地电阻值不够，还需要加接地圆钢或扁钢。组串到逆变器直流侧的接线之前需要认真核对组串电压，以防组件之间线路接错。交流侧电缆接线前应检查电缆绝缘，校对电缆相序，电缆接引完毕后，组串逆变器本体的预留孔洞及电缆管口做好防火封堵。
图15所示从左到右分别为交流侧用户电表、并网柜和逆变器，其中交流配电箱采用南瑞FamilyFace壁挂式并网接口设备，内部预留光伏侧电表安装位置，交流配电箱出线接到原用户电表，用户电表需要等供电公司人员上门免费更换为双向电表。上一篇介绍的户用光伏电能计量接线第二种方法，是某某供电局所采用的接法，经和业内人士交流存在一定的缺点，因此不宜在实际中采用。
图15交流侧接线施工完成图
三、结束语
关于别墅分布式系统的设计和施工相关的内容，个人认为设计比较灵活，不管是电缆选型、设备选型、安装方式、风载荷计算等，还需要更多地从实际工程中去体会、总结和优化，不断积累经验，做好每一个工程。这里需要指出的是上一篇所介绍的混凝土支架方案，存在一定的缺陷，一般南北纵向的风压比东西方向的风压要大些，因此纵向的斜撑也需要进行加强。此外，从业主的角度，别墅屋面的漏水问题是比较关心的，系统的安全性也不容忽视，所以尽量以不破坏屋面防水结构为原则，在施工的时候一定要注意施工的规范性，防水工程质量上要过关，现场标识和安全警示也不能缺少。
