太阳能住宅方案1.docx
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太阳能住宅方案1
太阳能住宅独立
光伏供电系统
优
化
设
计
方
案
皇明洁能控股有限公司
2011年4月
目录
第一章项目概况2
一、概述2
二、相关国家标准及行业标准2
三、参考气象资料、太阳辐射量3
第二章光伏发电原理及系统说明5
一、光伏发电原理5
二、光伏系统发电的特点5
三、太阳能光伏发电的利用方式5
1、独立光伏发电方式5
2、并网发电方式6
第三章太阳能住宅独立光伏供电系统技术实施方案7
一、太阳能住宅用电情况分析7
二、光伏系统设计的原则8
三、光伏系统配置方案8
四、光伏设备安装方式8
五、太阳电池组件朝向与倾角设计9
六、遮挡设计9
七、设计计算9
八主要设备选型10
1、太阳电池组件10
2、太阳能充放电控制器11
3、离网光伏专用逆变器12
4、耐用型铅酸蓄电池13
5、防雷设计13
6、接地设计13
第一章项目概况
一、概述
本太阳能光伏发电系统的建设目标是：
根据太阳能住宅的工作环境及用电情况安装太阳能光伏发电系统，达到住宅用电自给自足和环保节能的效果。
二、相关国家标准及行业标准
国际标准与国外标准
—《低压开关设备和控制器第1部分：
总规则》（IEC60947-1）
—《低电压开关和控制器控制器件接口（CDI）第1部分：
总规则》（IEC62026-1）
国家标准
—《电力工程电缆设计规范》（GB50212-2007）
—《电能质量公用电网谐波》（GB14549-1993）
—《光伏系统并网技术要求》（GB/T19939-2005）
—《通用用电设备配电设计规范》（GB50055-93）
—《污水综合排放标准》（GB8978-96）
—《环境空气质量标准》（GB3095-1996）
—《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）
—《建筑施工场界噪声限值》（GB12523-90）
—《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）
—《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）
—《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）
—《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2000）
—《工业企业设计卫生标准》（GBZ1-2002）
—《工业企业总平面设计规范》（GB50187-1993）
—《工业企业厂内铁路、道路运输安全规程》（GB4387-1994）
—《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）
—《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）
—《生产过程安全卫生要求总则》（GB12801-1991）
—《生产设备安全卫生设计总则》（GB5083-1999）
行业标准
—《中华人民共和国环境保护法》（1989.12.26）
—《中华人民共和国环境影响评价法》（2002.10）
—《建设项目环境保护管理条例》（1998.11）
—《火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程》（DL5053-1996）
—《火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程》（DL5053-1996）
三、参考气象资料、太阳辐射量
辽宁省地处欧亚大陆东岸、中纬度地区，属于温带大陆性季风气候区。
地理坐标处在东经118°53′至125°46′，北纬38°43′至43°26′之间，东西端直线距离最宽约550公里，南北端直线距离约550公里。
辽宁省陆地面积14.59万平方公里，占中国陆地面积1.5%。
陆地面积中，山地面积8.72万平方公里，占59.8%；平地面积4.87万平方公里，占33.4%；水域面积1万平方公里，占6.8%。
海域面积15.02万平方公里。
境内雨热同季，日照丰富，积温较高，冬长夏暖，春秋季短，四季分明。
雨量不均，东湿西干。
全省阳光辐射年总量在100-200卡/平方厘米之间，年日照时数2100-2600小时，其中朝阳地区最多为2861小时，丹东地区最少为2120小时。
春季大部地区日照不足；夏季前期不足，后期偏多；秋季大部地区偏多；冬季光照明显不足。
全年平均气温在7-11℃之间，最高气温零上30℃，极端最高可达40℃以上，最低气温零下30℃。
受季风气候影响，各地差异较大，自西南向东北，自平原向山区递减，其中，最高为大连，最低为西丰。
年平均无霜期130--200天，一般无霜期均在150天以上，由西北向东南逐渐增多。
辽宁省是东北地区降水量最多的省份，年降水量在600-1100毫米之间。
东部山地丘陵区年降水量在1100毫米以上；西部山地丘陵区与内蒙古高原相连，年降水量在400毫米左右，是全省降水最少的地区；中部平原降水量比较适中，年平均在600毫米左右。
在太阳能住宅的工程设计中，太阳辐射量是必须考虑的气象要素之一。
我国的太阳能资源按日照时间和太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区（如图）：
一类地区:
全年日照时数达到3200～3300小时的地区，主要包括青藏高原、甘肃省北部、宁夏北部和新疆南部等地。
二类地区:
全年日照时数达到3000～3200小时的地区，主要包括河北省西北部、山西省北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃省中部、青海省东部、西藏东南部和新疆南部等地。
三类地区:
全年日照时数达到2200～3000小时的地区，主要包括山东省、河南省、河北省东南部、山西省南部、新疆北部、吉林省、辽宁省、云南省、陕西省、甘肃省东南部、广东省南部、福建省南部、江苏省北部和安徽省北部等地。
四类地区:
全年日照时数达到1400～2200小时的地区，主要是长江中下游，福建省、浙江省和广东省的一部分地区，此类地区的特点是：
春夏多雨或阴天，秋冬季太阳能资源较丰富。
五类地区:
全年日照时数达到1000～1400小时的地区，主要包括四川省、贵州省两省。
此区是我国太阳能资源较少的地区。
一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。
四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。
由此可见，辽宁省属于光照辐射的二类地区，非常适合太阳能发电，具有良好的开发条件和应用价值，可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳光发电技术，发展经济，提高人民生活水平。
太阳辐射量参数参考如下（以大连为例）：
各月辐射量计算及统计表（以大连为例）
第二章光伏发电原理及系统说明
一、光伏发电原理
太阳能光发电技术是通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
二、光伏系统发电的特点
-没有转动部件，不产生噪音；
-没有空气污染、不排放废水；
-没有燃烧过程，不需要燃料；
-维修保养简单，维护费用低；
-运行可靠性、稳定性好；
-根据需要很容易扩大发电规模。
三、太阳能光伏发电的利用方式
太阳能光伏发电通常有两种利用方式：
一种是依靠蓄电池来进行能量的存储，即所谓的独立发电方式；另一种是不使用蓄电池，直接与公用电网并接，即并网方式。
1、独立光伏发电方式
独立发电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。
独立发电系统一般由太阳板、控制器、蓄电池、逆变器等组成。
独立系统一般也称为离网系统，多用在偏远地区、电网敷设较困难的地区以及需要夜间供电的光伏发电项目中，也用于太阳能路灯、草坪灯、监控摄像头等系统中作为独立电源使用。
独立光伏系统示意图
2、并网发电方式
并网发电系统一般由太阳组件、并网逆变器等组成。
通常还包括数据采集系统、数据交换、参数显示和监控设备等。
并网发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到公用电网中，无需蓄电池进行储能，相比较而言，并网发电较便宜，而且完全无污染。
并网发电系统采用的并网逆变器拥有自动相位和电压跟踪装置，能够非常好的配合电网的微小相位和电压波动，不会对电网造成影响。
目前国际上90%以上的太阳能系统采用并网发电，并网发电是太阳能发电系统的趋势所在。
并网光伏系统示意图
光伏发电并网模式的分类：
光伏并网发电方式又分为低压配电侧和高压输电侧发电并网模式。
A、低压配电侧并网
（1）配电侧并网的光伏发电处在负荷中心，可以起到消峰（PeakShaving）的作用，是“黄金电力”；
（2）在配电网接入不超过15-20%的光伏发电系统，不需要对电网进行任何改造，也不存在电力送出（逆流）和电网能力的问题，对于电网公司仅仅是负荷管理；
（3）配电侧并网的光伏发电的经济效益明显，“自发自用”（NetMetering）运行方式相当于电力公司以销售电价购买光伏电量;
（4）光伏发电电力就地使用，减少了大量的传输、变电损耗。
B、高压输电侧并网
（1）在发电侧并网；
（2）电流是单方向的；
（3）不能自发自用，需要给出“上网电价”，电网公司以高电价收购PV电量，用户缴纳常规低价电费。
第三章太阳能住宅独立光伏供电系统技术实施方案
一、太阳能住宅用电情况分析
根据平面图可以看出,该太阳能住宅为常规户型,故可根据平面排布图大体估算其内部用电器功耗及相关工作情况（详见下表）:
预估负载明细
负载
数量
功率（W）
每天工作时间（h）
客厅照明灯
1
60
4
卧室照明灯
4
20
2
厨房照明灯
1
15
1
卫生间照明灯
1
15
1
电冰箱
1
125
24
洗衣机
1
400
0.5
电视
1
300
4
二、光伏系统设计的原则
1、在充分满足用户负载用电需要的条件下,尽量减少太阳电池和蓄电池的容量,以达到可靠性和经济性的最佳结合。
2、光伏系统和产品要根据负载的要求和当地的气象及地理条件,进行专门的优化设计。
3、要避免盲目追求高可靠性或低成本的倾向。
4、光伏系统设计的依据是:
按月能量平衡。
三、光伏系统配置方案
方案核心部件明细
部件
型号
数量
单位
逆变器
KSI48-2
1
台
控制器
KSC48-100
1
台
太阳电池组件
HG-200S
12
块
蓄电池
12V120AH
8
块
直流防雷配电柜
1
套
光伏支架及附件
1
套
光伏发电系统造价85000元（不含运输费、安装费、土建工程费）
四、光伏设备安装方式
本工程太阳电池组件采用屋顶斜支架式安装形式。
1）光伏发电系统安装布置光伏发电板时充分考虑其安全性，光伏发电系统太阳电池组件方阵合理留置检修、维护通道。
2）房屋顶部架设热镀锌钢结构/铝合金支架，太阳电池组件安装钢架上,朝向正南，与水平面间采用最佳倾角，优化设计安装太阳能光伏阵列的结构和布局。
3）安装结构设计满足抗风、抗震、防雷、排水等要求。
五、太阳电池组件朝向与倾角设计
1、不同朝向与倾角安装的太阳电池的发电量比较（见图示）:
假定向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量为100，则其它朝向全年发电量均有不同程度的减少，特别是北面基本不发电。
2、光伏组件安装方向应一致，朝向正南，有利于最大收集太阳辐射。
3、根据当地的气象和地理资料,可以求出对应的方阵最佳倾角。
六、遮挡设计
对于晶体硅太阳电池组件，很小的遮挡就会引起很大的功率损失，对于整个电站来说，如果过多组件有遮挡，系统直流电压会大幅度衰降，造成实际发电量少。
七、设计计算
根据国家气象统计资料，结合当地气象观测站历史太阳辐射量数据计算系统最佳配置。
独立光伏发电计算（以大连为例）:
计算流程图如下：
八主要设备选型
1、太阳电池组件
基本性能
本系统选用单块200Wp单晶硅太阳能电池组件。
产品特点：
●太阳能板符合国家颁发国际电工委员会的IEC61215标准，通过CE认证、TUV认证、金太阳认证；
●光伏组件正常条件下的使用寿命不低于25年，运行10年使用期限内输出功率不低于90%的标准功率，在20年使用期限内输出功率不低于80%的标准功率；
●光伏电池受光面有较好的抗腐蚀、抗磨损能力满足相应的国标要求；
●单晶硅太阳电池片转换效率17%以上；
●太阳能板的封装采用高透光率钢化玻璃（大于89%）、EVA、TPT封装，透光率和机械强度高；
●密封防水多功能接线盒，防护等级达到IP65，内装旁路二极管，有效防止热斑效应造成的电池烧毁等质量事故；
●良好耐候性、抗风压性能、耐冰雹能力；
●专用太阳能电池组件优质密封硅胶，增加组件的绝缘性能和防止湿气进入组件，保证组件寿命。
具体参数
规格型号
HG-200S
产品图片
开路电压Voc（V）
45.43
最大工作电Vmp（V）
37.94
短路电流Isc（A）
5.59
最大工作电Imp（A）
5.25
最大功率Pmp（W）
200
工作温度（℃）
—40℃—+85℃
外形尺寸（mm）
1580×808×50
重量（kg）
16.2
2、太阳能充放电控制器
本独立光伏发电系统控制器采用KSC48-100型光伏专用控制器，其特点如下：
1）友好的人机界面,可显示蓄电池电压、太阳能电池阵列输出电流、负载电流、蓄电池充电电流；
2）可编程设定各充放电点参数，适应不同场合要求。
3）采用电压检测回差控制技术，防止开关振荡。
4）具有完善的保护功能，系统的可靠性更高。
光伏发电智能控制器KSC48-100技术指标
额定电压（V）
48
额定充电电流（A）
100
推荐充电路数
6
允许最大开路电压（V）
100
过充电压点（V）
保护
56.0（出厂设定值，可调）
恢复
54.4（出厂设定值，可调）
过放电压点（V）
断开
43.2（出厂设定值，可调）
恢复
49.6（出厂设定值，可调）
负载过压点（V）
切断
65.0（出厂设定值，可调）
恢复
60.0（（出厂设定值，可调）
使用环境温度（℃）
－20～＋55
使用海拔（m）
≤2000
参考尺寸（深/宽/高mm）
550/600/1150
保护功能
错极性保护、过充保护、过放保护、过载保护、短路保护。
3、离网光伏专用逆变器
本独立光伏发电系统逆变器采用KSI48-2型光伏专用逆变器，其特点如下：
1）采用INTEL专用微处理器作为核心控制部件，抗干扰能力强，稳压精度高。
2）具有输入电压过高、过低，输出过载、短路等保护功能。
3）采用三菱公司智能IGBT，提高系统效率。
4）纯正弦波输出，瞬态响应迅速、总谐波畸变率低。
5）外型美观，功能完善，配有友好人机界面。
光伏专用逆变电源KSI48-2技术指标
直流输入
额定容量（kVA）
2
额定电压（V）
48
电压允许范围（V）
42～65
输入额定电流（A）
42
交流输出
输出额定电压及频率
220V,50Hz
输出额定电流（A）
7.2
过载能力
120%，20s
电压稳定精度（V）
220±10％
频率稳定精度（Hz）
50±0.5
总谐波畸变率THD
≤5%（线形负载,）
动态响应（0～100％）
5%
功率因数
0.8
逆变效率
87%
峰值系数
3:
01
其它
噪音（dB）
≤40,1m
使用环境温度（℃）
－20～＋55
使用环境湿度
0～90％
使用海拔（m）
≤2000
参考尺寸（深/宽/高mm）
540/280/530
参考重量（kg）
20
保护功能
输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输出过载保护、输出短路保护
4、耐用型铅酸蓄电池
独立光伏系统蓄电池的主要任务是储能。
系统采用的是耐用型免维护铅酸蓄电池，蓄电池组的直流电压等级采用DC48V,由8块12V/120Ah蓄电池串并联组合而成。
5、防雷设计
防雷击包括防直击雷、防雷电感应、防雷电侵入波，主要措施有设置避雷装置和防雷接地。
本工程应采用如下措施，以保护设备免受直击雷和雷电侵入波的危害。
电气设备直击雷保护：
直击雷保护分光伏电池组件和交、直流配电系统的直击雷保护。
光伏组件安装支架和基础钢筋等均可靠地与接地网相连接。
站内光伏电池组件防直击雷措施，光伏电池组件边框为金属，将光伏电池组件边框与支架可靠连接，然后与接地网连接，光伏电池组件可防止半径为30m的滚雷，为增加雷电流散流效果，可将站内所有光伏电池组件支架可靠连接。
为防止感应雷、浪涌等情况造成过电压而损坏设备，其防雷措施主要采用防雷器来保护。
太阳能光伏电池串列通过电缆接入直流防雷配电单元，配电柜内配置光伏专用防雷器。
6、接地设计
充分利用每个太阳能光伏电池组件支架的钢筋作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设不同的人工接地网，以满足接地电阻的要求，重点区域加强均匀布置以满足接触电势和跨步电压的要求。
保护接地的范围：
对所有要求接地或接零的设备均应可靠地接地或接零。
所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架、和其它可能事故带电的金属物都应可靠接地。
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