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太阳能光伏系统的设计与安装

摘要

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。

随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的大量使用，在不久的将来必将消耗待尽，并且给自然环境带来严重的破坏。

能源成为未来人类社会发展的关键。

太阳能——取之不尽用之不竭的绿色能源，成为了人类社会关注的焦点。

太阳能是一种开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源，随着全世界众多科学家的研究与探索，是太阳能利用取得了突出的成果，它的应用正在世界范围内迅速增长。

利用太阳能光伏发电是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能光伏发电系统的成本还是比较高，不能接近人民大众的生活，从而限制了光伏产业的市场发展范围和规模。

因而，世界整个太阳能光伏行业都在至力于研究如何提高太阳能的利用效率，人们发现在不断提高太阳能电池组件转换效率时也应考虑不同地区、不同环境、场合对使用太阳能光伏发电影响。

了解太阳能光伏发电系统所需的各种材料的性能，合理搭配，并根据安装地点的地理环境，因地制宜的安装施工，使太阳能电池方阵和太阳能发电系统达到最佳

引言

能源是社会和经济发展的基础和重要保障，目前的世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的能源机构。

而化石能源是不可再生能源，大量耗用终将枯竭，并且在生产和消费过程中有大量的污染物排放。

大力可再生能源是解决能源危机的主要途径。

太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术。

近几年，我国政府在新能源开发、环境保护和资源节约方面相继出台了一系列方针政策和法律法规，实施了“金太阳”、绿色照明等一批重点工程，收到了重大成效。

2009年5月全国财政新能源与节能减排工作会议指出，国家财政要全力支持新能源发展和节能减排工作，重点抓好风电规模化发展、加快启动国内光伏发电市场、开展节能与新能源汽车示范推广试点等十项工作。

太阳能光伏应用作为一种新型的绿色可再生能源，必将取代煤炭、石油、天然气等常规不可再生能源，太阳能可转换成电能、热能和化学能，可是目前建设一个太阳能光伏发电系统的成本还是比较高，不能接近人民大众的生活，从而限制了光伏产业的市场发展范围和规模。

从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳能电池组件的费用大约在60﹪～70﹪，因此，如何更加有效的利用太阳能，提高其利用效率成为了问题的关键所在，提高太阳能光伏发电的利用率不仅仅要提高光伏组件的转换效率，还应考虑如何合理的设计太阳能光伏发电系统，如何使太阳能光伏发电系统附和周围的环境，并合理的为太阳能光伏发电系统进行选材、安装施工和调试使用。

第1章太阳能光伏发电系统工作原理与分类

1.太阳能电池组件

太阳能电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中储存起来，也可以用于直接推动负载工作。

当发电容量较大时需要用多快太阳能电池组件窜联、并联后构成太阳能电池方阵。

目前使用的的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。

在设计太阳能光伏发电系统时可根据实际情况和用户要求选用不同规格、功率的材料。

2.蓄电池

蓄电池的作用主要是储存太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。

太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：

自放电率低、使用寿命长、充电效率高深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。

目前光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可使用锂电池或超级电容器。

当需要大容量电能储存时，就需要将多只蓄电池串联、并联起来构成蓄电池组。

3.光伏控制器

太阳能光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，其主要功能有：

防止蓄电池过充电保护、防止蓄电池过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、、夜间防反充保护等。

在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。

另外控制器还有光控开关、时控开关等

光伏控制器一般分为并联型控制器、串联型控制器、脉宽调制型控制器、多路控制型控制器、智能型控制器、最大功率跟踪型控制器6类。

在设计和选材时应根据系统的需要选配相应型号的功率的控制器。

4.交流逆变器

交流逆变器是把太阳能电池组件或蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。

逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用与独立运行的太阳能发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。

5.光伏发电系统附属设施

光伏系统的附属设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统等。

不同地区，不同环境对太阳能光伏发电系统的设计也相应不同，可根据系统的需要加入必要的辅助材料。

1.2太阳能光伏发电系统的工作原理

太阳能光伏发电系统从大类上可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

太阳能发电的核心部件是太阳能电池板，他将太阳光的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能储存与蓄电池中。

独立（离网）光伏发电系统是当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各个负载上。

太阳能电池所产生的电流为直流，可以直接以直流形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成交流电，供交流负载使用。

太阳能发电的电能可即发即用，也可以蓄电池等储能装置将电能储存起来，在需要时使用。

并网型光伏发电系统由太阳能电池组件方阵将光能转换成电能，并经直流配线箱进入并网逆变器，有些类型的并网型光伏系统还需要配置电池组储存电能。

并网逆变器由充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。

经逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网。

当并网光伏系统因天气原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载供电。

系统设备有监控=测试及显示系统用于对整个系统工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以利用计算机网络系统远程传输控制和显示数据。

1.3太阳能光伏系统的分类

太阳能光伏系统按大类可分为独立（离网）光伏发电系统和并网发电系统两大类。

其中，独立光伏发电系统可分为直流光伏系统和交流光伏系统以及交、直流混合光伏发电系统。

而在直流光伏发电系统中又分为有蓄电池的系统和没有蓄电池的系统

在并网光伏发电系统中，也分为逆流光伏系统和发、无逆流光伏发电系统，并根据用途也分为有蓄电池系统和无蓄电池系统等。

光伏发电系统的分类及具体应用可参看表1—1

太阳能光伏发电系统分类及用途

类型

分类

具体应用实例

独立光伏发电系统

无蓄电池的直流光伏发电系统

直流光伏水泵，充电器、太阳能风扇帽

有蓄电池的直流光伏发电系统

太阳能手电、太阳能手机充电器、太阳能草坪灯、庭院灯、路灯、交通标志灯等

交流及交、直流混合光伏发电系统

无电区小型发电站，交流太阳能用户，移动通讯基站，气象、水文、环境检测站等

市电补充型光伏发电系统

城市太阳能路灯改造，电网覆盖地区一般住宅光伏电站等

并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统

一般住宅，建筑物光伏建筑一体化

无逆流并网光伏发电系统

切换型并网光伏发电站

一般住宅，重要及应急负载，建筑物，光伏建筑一体化

有储能装置的并网光伏发电系统

一般住宅，重要及应急负载，光伏建筑一体化，自然灾害避难所，高层建筑应急照明

第2章太阳能光伏系统设计及安装

2.1.事前调查（现场调查）

太阳能光伏发电系统的电池组件受到许多条件的制约，因为安装点的区域不同安装地点及周围的环境、承载光伏系统建筑物的结构等因素千差万别，而这些因素对光伏发电系统的利用率、设计安装、抗风抗压及防雷保护等方面都有影响。

所以在设计和安装光伏发电系统时要了解的事项如表2—2所示。

表2—2事前调查事项

项目

内容

与用户商量

发电输出功率，安装场地，预算，设计，其他要求

施工现场的调查

安装施工地点及周围的环境与结构，施工方法，安装部位，安装部位的结构及强度

电器设备的调查

买电同内容，引入线路径，配电盘的位置，设备的安装场所，走线路径，接地方法

作业环境的调查

搬运路径，作业空间，材料保管空间，周围有无障碍物等

2..2系统设计

设计太阳能光伏系统时的标准步骤如图所示。

对于系统设计，首先以事前调查为基础，根据安装施工地点周围的环境及安装部位的结构和强度进行太阳能电池阵列的安装设计；

其次，选择符合安装设计的太阳能安装设计的太阳能电池组件，计算出阵列的发电量；

最后，根据阵列的发电量选择合适的功率调节器和其它配置。

2.3太阳能电池阵列的安装设计

太阳能光伏发电系统的最佳安装方位为正南方（方位角），实际上也有偏东西方向的场合正南方的日照量的差别也给太阳能电池的倾斜角产生影响，东南和西南的场合发电量降低10﹪，正东、正西方向的场合降低百分只二十。

倾斜角越小，与正南的差别越小。

再与东西向相比，一般东向得到的日照量多。

但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量最大值是在中午稍后，因此，太阳能电池阵列向西微偏一些时，在午后可获得最大发电功率。

太阳能电池安装的最佳倾斜角根据各地区的经纬度的不同而存在着差别（我国30个主要城市平均日照及最佳安装倾角见附录一），一般在安装场所的纬度±

15度范围内，用这种范围的倾斜角得到的年累计日照量比最佳值相差最大为10﹪以下。

一般情况下，太阳能光伏发电系统中的太阳能电池是在完全没有阴影的情况下正常运行发电。

因此，如果太阳能电池不能被阳光直接照射，那么只有吸收散射光用来发电，此时的太阳能光伏发电系统发电量比无阴影时的发电量要减少10﹪～20﹪。

所以，在设计太阳能光伏发电系统时，应根据现场调查的情况，尽量避免把太阳能电池安装在周围有高于电池板的建筑物或高山遮挡阳光的地方。

如果实在无法避开，应从太阳能电池的接线上进行调整，使阴影对太阳能光伏发电系统发电量的影响降到最低。

2.4设计施工中的注意点

关于太阳能光伏发电系统的设计与安装施工有以下事项应注意

1对太阳能电池阵列不仅要进行耐风压、抗地震等强度计算，

2支架、支撑金属件以及它们的连结部分，根据建筑基准法要具有抵抗固定荷重以及风压、积雪、地震等外部荷重对系统及安装建筑物的破坏能力。

3支架、支撑金属件和其它安装材料，须由能够在室外长期使用的耐用防腐材料构成。

4对于盐雾、雷击，不同的安装区域和安装场所要采取必要的措施，选择符合使用要求的材料及部件。

5对于建筑物构造材料和支撑金属见的结合部位进行防水处理，确保建筑物的防水性。

6太阳能电池组件到室内的配线性能保护方法，必须满足电气设备技术基准的规定。

第3章光伏发电系统实例分析

3.1光伏发电系统实例

图3—1深圳市玉龙坑固体废弃物综合利用中心50KW并网光伏电站

图3——2上海世博会

图3—3深圳市泉顺通工业园8400WP光伏屋

3.2工程简述

图3—1至图3—3太阳能光伏发电系统实例的设计与施工建设均由深圳市嘉普通太阳能有限公司承担（更多实例见附录二），并通过竣工验收，投入使用效果优良。

图3—2为上海世博会彩色光伏版并网发电系统。

3.3环境效益与经济效益分析

3.3.1环境效益

太阳能是完全清洁、可再生的能源，太阳能发电不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中没有温室气体和污染物排放。

本太阳能电站系统一年可发电17958000Wh，与火电比较，一年可节约7.5吨标准煤，减排CO219.58吨，减排SO2、NOX、烟尘等2.54吨，环境效益显著。

计算依据：

（1）、我国目前发电仍以火电为主，火电供电煤耗以0.41千克标煤/kWh计。

（2）、深圳市每增加1Kw的供电负荷，需要社会总投入1万元。

（3）、1吨标准煤，相当于减少污染物排放量为：

CO2

SO2

NOX

烟尘

煤渣

2.66吨

0.0061吨

0.00898吨

0.00248吨

0.328吨

3.3.2经济效益

本太阳能电站系统一年可发电17958KWh，按0.8元/度的现行市电价格计算，太阳能发电一年节省电费支出金额：

17958KWh×

0.8元/度=14366.4元。

太阳能电站使用寿命达30年，整个寿命周期内，可节省电费430992元。

太阳能光伏应用是国家“十一五”规划重点要求发展的产业之一，安装使用太阳能光伏系统响应了国家乃至世界发展新能源和节能减排工作，符合了社会发展的潮流与趋势，从而大大的提高了安装使用者的形象。

结论

在社会、科技高速发展的二十一世纪，能源危机成了人类社会稳定和发展的绊脚石，同时也推动了科学技术的发展。

在科技落后的昨天，人们只能依赖那些不可再生且破坏自然环境的化石能源。

随着科学技术的发展，人们发现并利用了取之不尽用之不竭的绿色能源——太阳能。

在众多专家学者不断的探索和研究下，太阳能行业向成长迈开了步子，虽然还存在诸如转换效率低，成本价格偏高导致光伏市场推广困难等问题，但随着当今科技水平的不断提高，解决这些问题的途径已慢慢的显现出来，好无疑问，合理的设计和安装太阳能光伏系统就是途径之一。

从合理的设计和安装太阳能光伏系统，实地现场调查，因地制宜，合理布置；

到以现场调查和用户需求为前提，科学设计，合理选材，不铺张浪费；

到最后因地制宜的安装调试系统，使系统和材料效率最大化运行，合理的设计和安装太阳能光伏系统，使光伏系统与环境和建筑物相结合，不仅美观大方、安全可靠，而且能合理的运用每一份材料，不铺张浪费，减少不必要的开支，从而降低了太阳能光伏系统的价格。

进一步促进太阳能光伏行业的发展，让太阳能行业能够得到大众的认可，走进广大的人民群众的生活。

致谢

感谢我身在远方的父母！

你们给我生活上的关怀和精神上的鼓励是我学习的动力。

另外，我还要感谢我的同学给予我的关心和无私的帮助。

谢谢你们陪我走过这样的一段青葱岁月，在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。

谢谢你们一路给我的支持和帮助。

在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。

为此，我向母校表达由衷的敬意和谢意。

最后，衷心地感谢各位老师能在百忙之中参加我的论文评阅和答辩！

参考文献

［1］太阳能光伏发电系统设计施工与维护李钟实编著——北京：

人民邮电出版社，2010.1

［2］太阳能光伏发电实用技术王长贵，王斯成主编.—2版.—北京：

化学工业出版社，2009.9

［3］太阳能光伏发电系统的设计与施工（日）太阳能光伏发电协会编；

刘树民，宏伟译.—北京：

科学出版社，2006

附录

附录1我国主要30个城市平均日照及最佳安装角度

的

城市

纬度

最佳倾角

平均日照小时

北京

39.80

纬度＋4

5

杭州

30.23

纬度＋3

3.43

天津

39.10

纬度＋5

4.65

南昌

28.67

纬度＋2

3.80

哈尔滨

45.68

4.39

福州

26.08

3.45

沈阳

41.77

纬度＋1

4.60

济南

36.68

纬度＋6

4.44

长春

43.90

4.75

郑州

34.72

纬度＋7

4.04

呼和浩特

40.78

5.57

武汉

30.63

太原

37.78

4.83

广州

23.13

纬度－7

3.52

乌鲁木齐

43.78

纬度＋12

长沙

28.20

3.21

西宁

36.75

5.45

香港

22.00

5.32

兰州

36.05

纬度＋8

4.40

海口

20.03

纬度－12

3.84

西安

34.30

纬度＋14

3.59

南宁

22.82

3.53

上海

31.17

成都

30.67

2.88

南京

32.00

3.94

贵阳

26.58

2.86

合肥

31.85

纬度＋9

3.69

昆明

25.02

纬度－8

4.25

拉萨

29.70

6.70

银川

38.48

附录2

保定市电谷锦江国际酒店大厅内的太阳能玻璃幕墙

深圳市梅山苑小区太阳能光伏项目