光伏系统的设计包括哪两个方面

一、结构设计的一般原则

1.1光伏面板的结构可按下列方式分为两类：

（1）分离式光伏面板： 只具有发电功能，不作为围护结构的面板；建筑需要围护功能时须另设密封的采光顶或幕墙。这种面板要设单独的支架，支架连接在主体结构上。因此这种光伏建筑是一体化设计，两层皮。

（2）合一式光伏面板：既具有发电功能，同时又是采光顶或幕墙的面板。又称为建材式光伏面板。由于发电和建筑功能合一，因此建筑外皮只需一套面板，一套支承。这种光伏建筑是一体化设计，一层皮。

合一式光伏结构系统与普通玻璃幕墙和采光顶大体相同，可以套用玻璃幕墙和采光顶的设计方法；分离式光伏结构系统在普通玻璃幕墙和采光顶的外侧另外附加了一个单独的结构，工作性质又不同于一般的幕墙和采光顶，必须进行专门的设计。

1.2光伏结构系统应进行结构设计，应具有规定的承载能力、刚度、稳定性和变形能力。

结构设计使用年限不应小于25年。预埋件属于难以更换的部件，其结构设计使用年限宜按50年考虑。大跨度支承钢结构的结构设计使用年限应与主体结构相同。

1.3光伏结构系统的设计目标是：在正常使用状态下应具有良好的工作性能。抗震设计的光伏结构系统，在多遇地震作用下应能正常使用；在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用；在罕遇地震作用下支承骨架不应倒塌或坠落。

1.4非抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载和风荷载的效应，必要时可计入温度作用的效应。

抗震设计的光伏结构系统，应计算重力荷载、风荷载和地震作用的效应，必要时可计入温度作用的效应。

1.5光伏结构可按弹性方法分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应，并进行作用效应的组合。

1.6光伏结构系统的构件和连接应按各效应组合中最不利组合进行设计。

1.7光伏结构构件和连接的承载力设计值不应小于荷载和作用效应的设计值。按荷载与作用标准值计算的挠度值不宜超过挠度的允许值。

二、荷载和作用

2.1光伏结构系统应分别不同情况，考虑下列重力荷载：

（1）面板和支承结构自重

（2）检修荷载

（3）雪荷载

2.2光伏结构系统的风荷载，应按国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 2006版本采用。设计时应分别考虑：

（1）分离式光伏面板的风荷载应计入迎风面风荷载和背风面风荷载；

（2）支架的风荷载应计入面板传来的风荷载和支架直接承受的风荷载；

（3）合一式面板系统应分别采光顶和幕墙的风荷载，按相应规范采用

2.3分离式光伏结构系统应考虑突出屋面小结构的地震力放大作用。必要时可将其作为独立的质点，连同主体结构一起进行地震反应分析。

屋面上的分离式光伏系统结构具有一定的质量和刚度，相当于一个小楼层，但是其质量和刚度又远小于主体结构的质量和刚度。放在屋面上的地震反应要比放在地面上要强烈得多，称之为鞭梢效应。放在屋面上，地震力比放在地面上放大可达3~5倍，取决于它与主体结构的质量比和刚度比

2.4合一式光伏结构面板和支承结构的地震力计算与一般玻璃幕墙相同，可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

2.5分离式光伏结构的支架暴露于室外，应考虑温度作用的影响。必要时可进行钢支架的温度应力计算

2.6光伏结构系统的荷载组合可按照行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003 的规定进行。

光伏采光顶和斜墙的重力荷载会产生平面外方向的作用分力，它与风荷载和地震力的作用相叠加，计算时应注意。

重力荷载起控制作用的组合，重力荷载的分项系数应取为1.35。

风荷载起主要作用的组合，地震作用的组合值系数应取为0.5。

三、面板设计

3.1面板的玻璃应能承受施加于面板的荷载、地震作用和温度作用。其厚度除应由计算确定外，尚应满足最小厚度的要求。

3.2分离式面板夹胶玻璃中的单片玻璃，厚度不应小于4mm。

3.3用作采光顶和幕墙的合一式面板，夹胶玻璃中的单片玻璃厚度不应小于5mm；幕墙中空玻璃的内侧采用单片玻璃时，厚度不应小于6mm。

3.4有光伏电池的夹胶玻璃，外片宜采用超白玻璃。夹胶玻璃的内外片，厚度相差不宜大于3mm。

3.5无中空层的单片夹胶玻璃，不宜采用Low-E镀膜；有中空层的夹胶中空玻璃，Low-E镀膜应朝中空层。

3.6合一式面板应采用PVB夹胶膜；分离式面板可采用PVB夹胶膜，也可采用EVA夹胶膜。非晶硅电池的夹胶玻璃宜采用PVB夹胶膜。

3.7采光顶采用中空玻璃时，室内侧也应采用夹胶玻璃；斜玻璃幕墙采用中空玻璃时，朝地面一侧宜采用夹胶玻璃

3.8夹胶玻璃宜采用半钢化玻璃或浮法玻璃，可采用钢化玻璃。点支承面板应采用钢化玻璃。

钢化玻璃有1%~3%的自爆率，即使经过二次热处理也还有0.1%~0.3%的自爆率。而半钢化玻璃和浮法玻璃不会自爆，夹胶后成为安全玻璃。所以如果承载力足够，完全不必采用钢化夹胶玻璃，以免使用后更换玻璃的困难。

点支承玻璃开孔处局部应力很大，只有强度高的钢化玻璃才能满足承载力的要求。

3.9 面板的结构计算应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003的规定进行。规范中已列出了边支承玻璃板和点支承玻璃板的计算公式和计算用表，可直接采用。

3.10 由荷载及作用标准值产生的面板挠度，边支承面板不宜大于短边的1/60；点支承面板不宜大于沿较大边长支承点间距的1/60。

四、支承结构设计

4.1支承结构设计应遵照《钢结构设计规范》GB 50017-2003 和《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007 的规定进行。

4.2分离式面板的钢支架构件的截面厚度不应小于3.0mm，其钢种、牌号和质量等级应符合现行国家标准和行业标准的规定。钢材之间进行焊接时，应符合现行国家标准和行业标准的规定。

4.3分离式面板的钢支架应采取有效的防腐措施。当采用热浸锌防腐处理时，锌膜厚度不宜小于80微米。采用氟碳喷涂时涂膜厚度不宜小于40微米。采用防锈漆或其他防腐涂料时应遵照相应的技术规定。

腐蚀严重地区的钢支架，必要时可预留截面的腐蚀厚度。另外，圆管、方管等闭口钢型材，其内侧表面难以进行防腐处理，也可以留出腐蚀厚度。在通常条件下，钢材截面的腐蚀速度大概不超过每年0.02mm。这样一来，钢型材截面厚度额外增加1.0mm，就可留出单面腐蚀50年或双面腐蚀25年的余量。

4.4在风荷载标准值作用下，分离式面板支架的顶点水平位移不宜大于其高度的1/150。

4.5合一式面板的支承结构设计，应按《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102-2003 的规定进行

　 太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的年总辐射能量也有较大的差别。设计者要了解太阳能光伏发电系统所在地的经度和纬度，了解并掌握使用地的气象资源，比如月（年）平均太阳能辐照情况。平均气温、风雨等资料，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数（H）和太阳能电池组件的倾斜角与方位角。

太阳能光伏系统工作的时间是决定太阳能光伏系统中太阳能电池组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳能电池组件的充电电流。

太阳能光伏系统使用地的连续阴雨天数，决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复蓄电池容量所需要的太阳能电池组件功率。确定两个连续阴雨天之间的间隔天数，可以决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需的太阳能电池组件功率。

蓄电池工作的浮充电状态下，其电压随太阳能电池方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。

太阳能电池充、放电控制器。逆变器由电子元器件组成，他本身运行时具有能耗，影响其工作的效率，控制器、逆变器所选用元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到光伏发电系统的效率。

设计太阳能光伏发电系统的任务是在太阳能电池方阵所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等）保证所选择的太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、逆变器，可以使构成的电源系统既具有高的经济效益，又保证系统的高可靠性。

深化设计内容涵盖了设计说明，图例，布置图，原理图，各部件产品图，系统控制线路图等一系列内容。以光热系统深化设计为例，包括设计说明，系统原理图，图例，目录，产品大样图，系统布置图，管路图，基础大样图，支架大样图，管道和保温大样图，定位图，控制系统接线图等内容。

深化设计是独立于建筑设计的图纸，需要设计院审核并由设计院统一盖章确认并交建住方使用。

各地深化设计内容基本一直，具体流程以项目设计要求为准。

1.1 系统基本组成简介

系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。

1.2 工作原理介绍

系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

2、系统设计思想

太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。

2.1 太阳能电池组件选型

设计要求：广州地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。

⑴ 广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h；

⑵ 负载日耗电量 = = 12.2AH

⑶ 所需太阳能组件的总充电电流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A

在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。

⑷ 太阳能组件的最少总功率数 = 17.2×5.9 = 102W

选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。

2.2 蓄电池选型

蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。

根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：

12.2×（7+1） = 97.6 （AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。

2.3 太阳能电池组件支架

2.3.1 倾角设计

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料[1]，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。

2.3.2 抗风设计

在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。

⑴ 太阳能电池组件支架的抗风设计

依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。

在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。

⑵ 路灯灯杆的抗风设计

路灯的参数如下：

电池板倾角A = 16o 灯杆高度 = 5m

设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm 灯杆底部外径 = 168mm

如图3，焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W 的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。

根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。

所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。

根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。

上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。

破坏面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3

=88.768×10－6 m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 = M/W

= 1466/（88.768×10－6） =16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa

其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。

所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。

2.4 控制器

太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。

在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。

2.5 表面处理

该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。

3、结束语

整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。

目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。

户用光伏电源产品的质量直接关系到用户的利益。目前我们国家有标准；GBT19064～2003家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法对户用光伏电源产品(以下简称产品)进行评价。该标准产品部件提出了相关的技术要求，对组装成一体的产品整体性没有评价标准。

2004年10月，lEC颁布了国际标准IEC62124独立光伏系统一设计验证(PhotovOItaic(PV1standa10nesystems—Des_gnvermcation)，该标准制定了对独立光伏系统设计进行验证试验的程序，以及系统设计验证的技术要求，从而可以对系统整体性能进行评估。

标准的范围和目的

IEC62124标准所包括的技术性能测试方法和程序适用于独立光伏发电系统。独立光伏系统由多个部件组成，即使部件符合技术和安全标准，整个系统的技术指标是否满足设计要求，仍需进一步验证。该标准验证了系统的设计和性能，并对系统性能进行评估。

系统性能试验要求和抽样

系统应依据本标准的试验程序进行性能试验。在试验进行中，测试者应严格遵守制造商的操作、安装和连接指示。性能试验可以进行室外试验，也可以进行室内试验。如果试验现场的室外测试条件和标准中的模拟室外条件相似，可以进行室外试验。如果差别很大，则建议做室内试验。试验条件能够覆盖系统被设计和使用的主要气候区。试验需要同一型号的系统抽取两个样品，如果有一个系统在任何一种试验中不合格，那么另一满足标准要求的系统将重新接受整个相关试验。如果这一系统也不合格那么该设计将被认为达不到验证要求。

系统性能试验系统性能试验共分为三个阶段：预处理、性能试验、最大电压时负载运行的适用性。

1.预处理预处理试验的目的是为了确定系统正常运行时的HVD(蓄电池充满断开时的电压)、LVD(蓄电池欠压断开时的电压)。试验前应按照制造商的说明对蓄电池进行预处理(如果在系统文件中说明蓄电池不需要预处理，则不进行此项工作)。如果光伏组件为非晶硅，则应进行光致衰降试验。

2.性能试验有6个步骤

(1)初始容量试验(UBCO)：按照标准要求安装好系统后，对蓄电池进行充电和放电，测量蓄电池容量，由此得到蓄电池的初始可用容量(UBCO)

(2)蓄电池充电循环试验(BC)：给蓄电池再充电

(3)系统功能试验(FT)：主要验证系统和负载运行是否正常

(4)第二次容量试验(UBCl)：通过对蓄电池的充放电，测量蓄电池的第一次可用容量(UBCl)和系统的独立运行天数

(5)恢复试验(RT)：确定光伏系统对已经放电的蓄电池的再充电能力

(6)最终容量试验(UBC2)：通过对蓄电池进行充电和放电，测量蓄电池的第二次可用容量(UBC2)。性能试验6个步骤完成后，根据试验数据绘制系统特性曲线，从而确定系统平衡点，并得出使系统正常运行的安装地点的最小平均辐照量。

3.最大电压时负载运行试验验证负载运行在高辐照度和高充电状态下最大电压值时的适应性。在这些条件下负载将运行1小时。负载应不会损坏。系统性能试验从功能性、独立运行性和电池经过过放状态后的恢复能力等方面进行了全面测试，从而给出系统不会过早失效的合理确认。性能试验的合格依据:

(1)整个试验中负载必须保持运行状态，除非充电控制器在蓄电池过放电状态下与负载分离(如果发生了LVD，应注明这个数据)

(2)蓄电池容量的下降在整个测试期间不能超过10％

(3)恢复：系统电压在“恢复试验”中应表现为上升趋势。、在整个恢复试验中，充入蓄电池的总安时数(Ah)应大于或等于UBCl的50％

(4)在UBCl容量测试后，负载再次在第3个“恢复试验”循环时或之前开始运行

(5)系统平衡点应和被定义的最小辐照量等级或低于此等级相匹配

(6)测量的独立运行天数应和制造厂定义的最小独立运行天数或更多天数相匹配

(7)根据制造商的技术指标，在高辐照度期间和高荷电状态下，负载运行不会因电池产生的最大电压而损坏

(8)在试验期间不应有样品发生任何不正常的开路或短路现象。

完全满足上述条件的系统为合格，否则系统为不合格。

参考资料：http://www.solarbe.com/MarketTrade/TradeInfoDetail.aspx?InfoId=22863