一种热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法与流程

1.本技术涉及分布式光伏发电的技术领域，尤其涉及一种热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法。


背景技术：

2.我国钢铁行业碳排放量约占全国碳排放量的15％，是制造业31个门类中碳排放量最大的行业。随着生态环境部应对气候变化司向中国钢铁协发出《关于委托中国钢铁工业协会开展行业碳排放权教育相关工作的函》，继电力行业和建材行业后，钢铁行业成为第三个被纳入全国碳市场的重点企业。为实现“碳达峰”、“碳中和”目标，钢铁企业需要加速能源产业转型，应尽早实施降碳行动。
3.利用钢铁企业现有的厂房屋面资源，实现与太阳能光伏发电系统的有机结合，实现资源的充分合理利用，为企业创造新的经济效益，对钢铁企业的节能减排工作具有重要的现实意义。
4.钢铁企业热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置于热轧厂房屋面上，组件布置设计容易受周围建筑物，屋面自身构筑物、屋顶设备、热轧工艺条件等复杂的环境条件影响。热轧厂房屋面环境的特殊性和复杂性，容易出现设计考虑不充分的情况，其直接导致设计与现场实际不符，系统发电效率与实测值偏差较大，出现返工、重新设计和无法满足设计性能保证值等问题。目前，钢铁企业厂房屋顶分布式光伏发电站的组件设计多是依据常规彩钢瓦屋面的设计经验，没有形成规范、系统的设计方法，且缺乏对热轧厂房屋面环境情况的全面了解，尤其是未充分考虑热轧工艺产线热源的热辐射对光伏组件布置的影响。目前，国内外并没有针对钢铁企业厂房屋顶分布式光伏发电系统完整、有效的设计方法。因此，提出一种规范、系统的设计方法用于指导热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计十分重要。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供一种热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法，保证光伏发电系统的正常高效运行，提高设计的准确性，最大化提高工程的经济性、施工及运维的便利性。
6.本技术提供一种热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法，包括如下步骤：
7.1)根据项目所在地，收集包括热轧厂房图纸资料、太阳能资源和气象水文资料的历史资料；
8.2)根据所述历史资料确定组件形式和安装方式，拟定可用于光伏组件布置的屋面区域s0；
9.3)根据可拟安装光伏组件区域、组件安装方式及荷载情况、气象条件对屋面情况复核验算；
10.4)根据步骤3)复核验算的结果，若荷载满足要求，则进入步骤5)，若荷载不满足要求，则项目是否进行结构加固，若采用加固措施，则再进入步骤5)，若不采用加固措施，则不满足建设条件，设计结束；
11.5)确定满足光伏组件承载、屋面瓦安装条件的组件布置区域s1；
12.6)根据热轧厂房总图、建筑、结构、工艺资料条件，核减布置区域s1，确定用于组件布置区域s2；具体步骤包括：
13.6a)根据项目地方位、所在地纬度，计算障碍物的阴影系数和阴影方位角，绘制阴影区域；
14.6a)根据总图布置图纸资料，确定热轧厂周边构建筑物、加热炉烟囱的位置和尺寸，绘制阴影区域s
1-1
；
15.6b)根据建筑图纸资料，确定热轧厂房屋面通风天窗、女儿墙、围栏尺寸及各厂房跨间的高差，绘制阴影区域s
1-2
；
16.6c)根据工艺和结构图纸资料，确定热轧厂房屋面设备、工艺管道、通廊、排气管的尺寸及位置，绘制阴影区域s
1-3
；
17.6d)根据建筑、结构图纸资料，确定屋面屋脊、天沟、厂房伸缩缝位置，组件布置时减去此部分区域s
1-4
；
18.7)现场踏勘复核s2条件，核对现状，确定最终可用区域s3；
19.8)根据最终确定的可用区域s3进行组件布置设计，包括组件排布、逆变器布置、检修维护通道、电缆构筑物等设计；
20.9)通过分析热轧产线强热源辐射的特征分布，评估热轧厂房屋面环境温度的不利因素，确定热轧工艺强热源辐射区域对屋面组件布置影响情况；
21.10)根据步骤9)评估结果，若满足组件运行条件要求，完成组件布置设计，否则减去此部分不满足组件运行要求的组件，完成组件布置设计。
22.可选地，所述步骤1)中收集热轧厂房图纸资料包括：热轧厂区总图布置，结构设计总说明、屋面系统钢结构图，建筑设计说明、屋面平面图、建筑物立面及剖面图，工艺布置图，电气主接线、电气室布置、电缆通道布置。
23.可选地，所述步骤2)中根据热轧厂房彩钢瓦屋面特点、气候特征、太阳辐射的因素，组件采用单面带边框组件，安装方式采用沿屋面平铺方式，组件在彩钢瓦屋面上安装支架主要由夹具、导轨、中压块、边压块和螺栓等紧固件组成；所述组件安装支架包括至少两根通过彩钢瓦夹具固定安装在彩钢瓦瓦楞上的导轨，并且所述导轨与瓦楞垂直；所述组件布置采用纵向布置方式，即组件长边与导轨垂直，与彩钢瓦瓦楞平行。
24.可选地，所述步骤3)中风荷载、雪荷载和温度荷载按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(gb50009-2012)中50年一遇的荷载数值取值；按《建筑结构可靠度设计统一标准》(gb50068-2018)进行承载力校核和加固计算；按《建筑金属维护系统工程技术标准》(jgj473-2019)进行屋面彩钢板瓦校验。
25.可选地，所述步骤6a)中，阴影区域绘制布置包括：
26.a)根据已获取的当地纬度、物体相对平面高度h、物体形状进行分区统计，阴影分析计算时，根据北半球冬至日真太阳时上午9点至下午3点时段取时角ω＝45
°
，赤纬δ＝-23.45
°
，所述时间为真太阳时；
27.b)物体在南北方向阴影长度计算公式为l＝h
·
s，
28.式中：h为物体相对平面高度，s为计算阴影系数，为项目地纬度，δ为太阳赤纬，ω为地方时角，即有
29.c)物体阴影与南北方向夹角的计算公式为：c)物体阴影与南北方向夹角的计算公式为：
30.式中，γs为太阳方位角，αs为太阳高度角，为项目地纬度，δ为太阳赤纬，ω为地方时角。
31.即有
32.d)在物体一端，将上午9点阴影及下午3点阴影画出，即为这一端点的阴影区域，所述时间为真太阳时；
33.e)沿着物体方向平移到物体另一端，扫过的区域即为该物体的阴影区域。
34.可选地，所述步骤6a)中，采用光伏仿真软件对厂房屋面建模分析屋面确定屋面阴影区域。
35.可选地，所述步骤6)确定的组件布置区域s2为s1同时减去s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
1-4
区域，即为s2＝s
1-s
1-1
∪s
1-2
∪s
1-3
∪s
1-4
。
36.可选地，所述步骤7)中，复核现场踏勘现场条件与图纸资料的一致性，对出现偏差处，评估影响情况，根据复核情况调整组件布置区域，确定可用组件布置区域s3。
37.可选地，所述步骤8)中，组件布置设计，遵循以下原则：
38.a)确定组件、逆变器的参数，并计算每串组件允许的最大、最小串联数量，依据组件布置方式确定每串组件具体串联数量；
39.b)每个阵列中并排布置的组件间距为0.02m，阵列间维护通道间距不小于0.2m，阵列间检修通道间距不小于0.7m，维护通道、检修通道交替布置；
40.c)计算围栏或女儿墙的阴影区域时，当围栏或女儿墙高度低于1.2m时，加装防护围栏，安装顶标高到屋面的高度按1.2m进行计算；
41.d)当采光带边缘安装在相邻彩钢瓦楞上时，此彩钢瓦楞不安装组件夹具，组件布置时悬挑距离不超过0.35m；
42.e)在采光带上方加装格栅走道板的方式；
43.f)加热炉屋顶组件布置在避开消声排气管产生的阴影区域和排气管排出的雾气在周围产生阴影遮挡的位置，以消声排气管为中心，半径5m内不布置组件；
44.g)检修维护通道优先选择设置在阴影区域内；
45.h)电缆构筑物主通道沿检修维护通道布置，分支通道根据电缆汇集情况确定布置；
46.i)逆变器宜布置在南侧墙、柱上，且通风和遮阴条件良好的位置，当安装位置无
墙、柱时，逆变器呈卧式安装在彩钢瓦屋面。
47.可选地，所述步骤9)中，分析热轧产线强热源辐射的特征分布，评估热轧工艺强热源辐射对屋面环境温度的不利影响，组件布置遵循如下要求：
48.a)原料跨辐射热集中在堆放连铸钢坯，组件在其上方距气楼之间保持不宜小于3m安全距离；气楼端头有检修人孔一侧，与组件间距不小于1m；气楼端头无检修人孔一侧，与组件间距不小于0.7m；
49.b)加热炉工作时，加热炉中间区域不布置组件；组件在其上方距气楼两侧之间保持不小于2.5m的安全距离；气楼端头有检修人孔一侧，与组件间距不小于1m；气楼端头无检修人孔一侧，与组件间距不小于0.7m；
50.c)主轧跨中辐射热集中在轧线，布置在主轧线上方两侧的组件与气楼之间保持不小于5m的安全距离；气楼端头有检修人孔一侧，与组件间距不小于1m；气楼端头无检修人孔一侧，与组件间距不小于0.7m；
51.d)成品跨辐射热集中在堆放热轧卷的位置，组件在其上方距气楼两侧之间保持不小于2m的安全距离；气楼端头有检修人孔一侧，与组件间距不小于1m；气楼端头无检修人孔一侧，与组件间距不小于0.7m。
52.本技术具有的优点如下：
53.1)本技术提出了一种规范的、系统性强的热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法，该方法设计思路清晰、操作简单、可行性强；
54.2)本技术充分结合当地气象、水文、热轧厂房资料及电站相关建设要求进行组件布置设计，组件布置设计阴影分析充分考虑热轧厂房的各种环境因素，适应于不同区域热轧厂房屋面的光伏组件设计，具有广泛的适用性、针对性；
55.3)本技术通过分析热轧产线强热源辐射的特征分布，以此评估热轧工艺强热源辐射对屋面环境温度的不利影响，确定了组件布置应遵循原则，提高了热轧厂房组件运行安全性和可靠性；
56.4)本技术使用组件温度场分布特征有限元分析，克服了常规设计中无法考虑热轧工艺热源影响的弊端，可真实地反映出光伏组件在热轧屋面的温度分布情况，为系统的效率计算中温度损失的调整提供依据，提高设计的准确性。
57.5)本技术中组件布置设计充分考虑逆变器、电缆通道、检修空间的协同布置，最大化提高工程的经济性、施工及运维的便利性。
附图说明
58.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
59.图1为本技术实施例提供的热轧厂房屋顶分布式光伏电站组件布置设计方法流程图。
60.图2为本技术实施例提供的热轧厂房屋顶屋面布置示意图。
61.图3为本技术实施例提供的热轧厂房屋顶屋面组件布置示意图。
具体实施方式
62.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
63.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
64.在本技术的描述中，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
65.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
66.现在针对一个常见的应用场景中，来阐述本技术设计方法的操作过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本技术所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。
67.以广西某3mwp热轧厂房屋顶光伏分布式光伏电站为例对本技术进行说明。
68.步骤1)根据甲方提资，确定项目所在地地理位置，获得本项目热轧厂房图纸资料、太阳能资源和气象水文资料，整理出设计所需内容，主要包括：总平面布置图、结构设计总说明、屋架结构图、建筑总说明、厂房建筑图、屋面布置图等。
69.除此之外，还需要明确屋面瓦型、屋面布置图未体现的所有高出屋面的物体情况，其中需要包含：物体具屋面的高度、物体尺寸、形状、布置走向定位及其断面信息。
70.步骤2)综合考虑光伏电站布置区域s0，包含钢坯跨、加热炉跨、主轧跨和成品跨，明确本工程采用单面单玻带边框组件，组件采用沿屋面平铺安装方式，组件连同支架总荷载不大于20kg/m2。
71.除此之外，考虑热轧厂房屋面面积大、厂房高度大的特点，且为单层结构，逆变器考虑在屋顶安装，接入点位置较远，为降低线缆损耗和电缆成本，逆变器采用交流800v输出的组串式逆变器。
72.步骤3)将初步确定可安装光伏组件区域s0、组件安装方式及荷载情况、气象条件提供给结构、建筑专业对屋面情况复核验算。
73.步骤4)根据结构和建筑复核结果，热轧厂房原设计已考虑光伏安装荷载，且结构复核各屋面荷载满足光伏组件设计要求，屋面瓦型满足安装要求，屋面瓦为角驰iii型，满
足光伏设计条件，无需加固措施。
74.步骤5)确定满足光伏组件承载、屋面瓦安装条件的组件布置区域s1＝s0。
75.步骤6)根据热轧厂房总图、建筑、结构、工艺资料条件，核减布置区域s1，确定用于组件布置区域s2；
76.根据项目地方位、所在地纬度，计算障碍物的阴影系数和阴影方位角。项目地为北半球，纬度计算出阴影系数为太阳高度角为太阳方位角为物体阴影与南北方向夹角为：λ
‘
＝90
°‑
γs＝43.187
°
。
77.根据总图分析厂房周边情况，周边建筑物高度低于热轧厂房，加热炉烟囱对加热炉跨和钢坯跨产生遮挡；分析屋面情况，分别统计热轧厂房钢坯跨、加热炉跨、主轧跨、成品跨屋面高出屋面的物体。钢坯跨需考虑东侧、西侧、南侧围墙、通风气楼和加热炉跨北侧围墙；加热炉跨考虑遮挡物为东侧、南侧围墙、通风气楼、主轧跨；主轧跨需要考虑东侧、西侧、南侧围墙、通风气楼；成品跨需要考虑东侧、西侧、南侧围墙、通风气楼、主轧跨西侧围墙。
78.并计算出各物体与屋面的相对高度，计算出各物体在南北方向阴影长度计算公式为l＝h
·
s，通过得到的l和λ
′
绘制阴影区域；
79.根据步骤6a)至6d)依次绘制阴影区域和不能布置组件区域，得到组价布置区域s2＝s
1-s
1-1
∪s
1-2
∪s
1-3
∪s
1-4
。
80.步骤7)现场踏勘复核与图纸布置的一致性，主要复核通风楼、采光带、排气消声管、通廊的实际尺寸、位置信息，是否有其他图纸中未体现的高出屋面物体等。
81.例如地，复核结果为：气楼实际尺寸及做法与原图纸不一致，排气消声管位置有调整，主轧跨上有电缆通廊，原图纸中未体现。根据复核结果调整组件布置区域。
82.步骤8)根据步骤7)确定的组件可用布置区域s3，进行组件布置设计，同步考虑逆变器、电缆桥架、检修通道的设计，设计时遵循组件布置相应原则。
83.步骤9)通过分析热轧产线强热源辐射的特征分布，对组件布置进行校核，确定是否满足安全间距的要求，对不符合要求的组件进行删减、调整，完成组件布置设计。
84.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。