光伏系统设计与施工课程设计.docx
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光伏系统设计与施工课程设计
新能源科学与工程学院
光伏系统设计与施工课程设计
（光伏发电系统支架设计及差额净现值法分析可行性方案）
学院：
新能源科学与工程学院
专业班级：
12级新能源科学与工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
实施时间：
2015.10.26—2015.10.30
项目课程成绩：
一、课程设计目的：
课程设计是《光伏系统设计与施工》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出设计和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；
2.树立既考虑技术上的先进性又考虑经济上的合理性正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3.用简洁的文字或清晰的图表来表达自己设计思想的能力；
4.综合运用了以前所学的各门课程的知识（高数、CAD制图、机械制图、计算机等等）使相关学科的知识有机地联系起来；
5.运用太阳能光伏发电系统设计与施工中的知识解决工程中的实际问题。
二、课程设计日程安排：
指导教师
内容
时间
地点
李玲
讲解任务、设计原理及要求
2015-10-26
多媒体教室
查国君
学生选定实验室电池组件对其长度及质量进行测量，讲解参观学习实验室屋顶及学习地面电站支架，对关键部位的连接进行深入观测。
2015-10-27
主A210、图书馆
廖佐升
针对新余地区的光伏并网电站，对给定的电池组件进行荷载计算，包括风压荷载计算，温度影响，对固定式支架和两档可调式支架进行差额净现值分析法进行性价比分析
2015-10-28
主A210、图书馆
李玲、查国君、廖佐升、吴欢文
出具图纸（用CAD制图），打印报告，请指导教师批阅并给出评语
2015-10-29
主A210
李玲、查国君、廖佐升、吴欢文
提交设计书、答辩报告书、交叉答辩
2015-10-30
主A210
三、课程设计任务：
1、光伏发电系统支架设计书
2、光伏发电系统支架设计图纸：
支架整体及侧面的CAD制图
3、课程设计答辩
四、课程设计成绩
本课程设计成绩的评定为百分制，其中支架设计书（含固定式支架和两档可调式支架进行差额净现值分析法进行性价比分析）/满分40、支架CAD制图的设计图纸满分30、课程设计答辩30分。
课程设计的总成绩=光伏发电系统支架设计书+光伏发电系统支架设计图纸：
支架整体及侧面的CAD制图+课程设计答辩成绩。
光伏发电系统支架设计书
摘要
随着世界各国太阳能发电的兴起，安装光伏系统已经成为光伏发电当中的一个重要组成部分，安装光伏系统是对太阳电池在各种环境当中如何进行稳定的发电、固定、最佳倾角的一个综合任务。
关键词光伏系统组件支架安装
引言
太阳能光伏组件支架是固定太阳能电池板的重要部件，在获得太阳能电池板最大发电效率的前提下，保证支架的安全可靠性是安装光伏组件人员需要考虑和研究的。
根据不同形式的太阳能光伏发电的需要，支架系统一般分为单立柱太阳能支架、双立柱太阳能支架、矩阵太阳能支架、屋顶太阳能支架、墙体太阳能支架、追踪系统系列支架等若干规格型号，同时按照不同的安装方式又分为地面安装系统、屋顶安装系统和建筑节能一体化支架安装系统。
本课题主要是对地面安装系统支架的设计，在设计中将会对系统的选址、支架的夹角、支架的抗压强度、以及光伏组件支架系统的连接方式，材质，选型，做一个全面的分析阐述。
1.1差额净现值法分析可行性方案
根据新余市的气象条件，分析新余市的地理位置为北纬27°33’～28°05’，东经114°29’～115°24’。
属亚热带湿润性气候,具有四季分明、气候温和、日照充足、雨量充沛、无霜期长、严冬较短的特征,年平均气温15.3℃,历史极端最高气温39.1℃,极端最低气温-17.7℃；年降水量961~1048毫米,日最大降雨量214.2毫米；年日照时数1700小时,太阳辐射和日照时数较为匮乏,但可利用。
新余市22°~32°Hτ（n,β）值（单位MJ/m2）
倾角
月
22°
23°
24°
25°
26°
27°
28°
29°
30°
31°
32°
1
277.06
278.14
279.18
280.19
281.16
282.08
282.97
283.82
284.63
285.40
286.13
2
193.31
193.78
194.22
194.64
195.03
195.40
195.74
196.06
196.35
196.62
196.86
3
296.78
297.04
297.26
297.45
297.61
297.73
297.82
297.87
297.89
297.87
297.82
4
378.99
378.79
378.55
378.25
377.91
377.53
377.10
376.63
376.11
375.54
374.94
5
447.18
446.42
445.59
444.72
443.78
442.80
441.75
440.66
439.51
438.30
437.05
6
437.37
436.35
435.28
434.16
432.98
431.75
430.46
429.13
427.74
426.30
424.80
7
603.66
602.06
600.37
598.58
596.70
594.72
592.65
590.49
588.23
585.89
583.45
8
531.80
531.07
530.26
529.37
528.40
527.34
526.21
524.99
523.69
522.32
520.86
9
486.94
487.10
487.19
487.21
487.16
487.03
486.83
486.55
486.20
485.78
485.28
10
396.70
397.59
398.42
399.19
399.89
400.53
401.10
401.61
402.06
402.44
402.75
11
301.23
302.51
303.73
304.91
306.03
307.01
308.12
309.08
310.00
310.86
311.67
12
260.31
261.67
262.98
264.25
265.48
266.66
267.80
268.89
269.93
270.93
271.88
总量
4611.32
4612.51
4613.05
4612.92
4612.13
4610.67
4608.56
4605.78
4602.34
4598.24
4593.48
根据地理位置及新余市的气候条件，可调式的最佳倾角为22度和32度。
再对可调式支架与固定式支架进行差额净现值发分析可行性。
南昌市1999-2008年太阳总辐射量统计
设固定式为A1方案，使用最佳倾角22度，设可调式为A2方案，使用两档可调，22度和32度倾角，下面是新余市一年中不同角度的太阳辐照量比较。
表1新余市一年太阳辐照量
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
总量
可调22
277.06
193.31
296.78
378.99
447.18
437.37
603.66
531.8
486.94
396.7
301.23
260.31
4611.33
可调32
286.13
196.86
297.82
374.94
437.05
424.8
583.45
520.86
485.28
402.75
311.67
271.88
4593.49
调节后
286.13
196.86
297.82
378.99
447.18
437.37
603.66
531.8
486.94
402.75
311.67
271.88
4653.05
表2A1，A2方案所设计成本分析
在一年中按实际月份的最大辐照量设置最合适的倾角来调节，可得到发电量及收益情况。
24度固定式
两档可调式
项目
价格/元
数量
金额/元
价格/元
数量
金额/元
组件
7
2880W
20160
7
2880W
20160
支架
0.6
2880W
1728
0.8
2880W
2304
控制器
400
5台
2000
400
5台
2000
逆变器
580
1台
580
580
1台
580
基础建设
0.6
2880W
1728
0.6
2880W
1728
导线其他
若干
200
若干
200
安装人工费
300
1次
300
300
1次
300
维护费用
300
2次
600
总金额
26696
27872
表3系统的选型及收益
辐照度（MJ/m2）
面积（m2）
电池块数
发电效率
年发电量（度）
单价（元/度）
22度角
4611.33
1.28
16
18%
4723.76
0.9
32度角
4593.49
1.28
16
18%
4749.41
0.9
年收益（元）
成本（元）
折现率
使用寿（年）
固定24度
4251.38
26696
8%
20
两档可调
4274.47
27872
8%
20
方案选取运营期按20年计算，折现率按8%
ΔNPV（A2-A1）=（4274.47-4251.38）（P/A,8%,20）-（27872-26696）
算得ΔNPV（A2-A1）=-929.635元
由于ΔNPV<0，则A2方案应舍弃，保留A1方案。
1.2光伏系统的选址及底座
针对新余市的地理位置，经过对土质的勘察,新余市土地1到2米的地表土层为疏松土质,因此在安装光伏组件的时候,应该对土地进行深挖,使用混凝土底座,一是对组件的一个固定,二是对光伏组件的一个配重,确保组件的稳定牢固。
混凝土底座，由长915mm高150mm，宽200mm的长方体水泥墩组成，混凝土支柱有中心为笼式的钢筋加固，钢筋为热轧钢直径12mm，如下图1，支柱高100mm，由支柱上架起光伏系统支架，确保系统的牢固。
图1水泥底座设计
2.1.支架材料的选用
2.1.1选用组件的参数
表4光伏组件的选型参数
电池类型
多晶硅
最大功率（Wp）
180W±3%
工作电流（Amppt）
4.96A
工作电压（Vmppt）
36.4V
开路电压（Voc）
44.6V
短路电流（Isc）
5.28A
单个电池重量（kg）
15.6kg
尺寸（mm×mm）
1580×808×40
2.1.2支架结构
系统的支架和结构设计，是为了电池组件有更好的朝向和让系统有更好的倾角，并且能够抵御自然界是对其影响，因此，结构必须牢固。
本次设计采用的是三角形和矩形相结合的结构。
太阳能电池板铺设在结构的斜面上，作为一个整体，所采用的钢为C型钢，三角钢，扁钢。
在系统的斜面固上固定太阳能电池板的材质则为不锈钢的铝合金。
各种钢筋之间采用焊接或螺丝固定。
图2支架的构成
该支架设计采用混凝土作为底座的支撑，选用5根竖直支架作为主要支架来
支撑，另外有3根底座支架及4根横向支架，再加上有3根横梁和拉杆来固定电池组件，支架上有电池组件4块纵向放置，使得该组件成为一个完整的整体。
2.1.3钢材的选用
钢材作为支架中最重要的组成部分，它的选择直接影响系统的使用寿命，而正确的选择钢材，不仅使得系统整体美观，还会节约成本、配重合理，增加使用年限。
以下是选取的表格。
表5支架钢材选型
支架组成部分
钢材的选择
使用数量
重量（kg）
钢材的规格
价格/元
底座支架
扁钢
3
3
Q235B型热浸镀锌
2500/t
横向支架
扁钢
4
4.5
Q235B型热浸镀锌
2500/t
固定梁
三角钢
3
2.5
Q35B型热浸镀锌55-80μm
2500/t
竖直支架
三角钢
5
3.5
Q235B型热浸镀锌
2500/t
横梁
铝合金
3
2
Al6005-T5外表阳极氧化
34/kg
拉杆
三角钢
3
2.5
Q235B型热浸镀锌
2500/kg
螺丝
低碳合金钢
若干
3.5
M14×40
0.5/个
3.1光伏支架强度的计算
3.1.1.固定组件的负荷G
组件质量Gm=15.6kg×3=46.8kg=468N（g取10N/kg）
各钢架的质量：
3×3＋4×4.5+3×2.5+5×3.5+3×2+3×2.5=65.5kg=655N
其他结构材料:
螺母，螺栓等G=3.5kg=35N
固定组件负荷：
G=468+655+35=1158N
3.1.2.风压负荷（W）
W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J
式中
Cw—为风力系数通过查阅资料可知
顺风时Cw=1.06，逆风时Cw=1.43；
Ρ—为空气密度=1.274N·s2/m4；
V—为风速取新余最大40m/s；
S—面积=1.586×0.808×3=3.85m2；
α—为高度补正系数=（h/h0）1/5,
h—为阵列的地面以上高度这里取值为2.5m，
h0——为基准地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；
I—为用途系数=本光伏发电系统为通常光伏发电系统所以系数取1；
J—为环境系数=本光伏发电系统没有障碍物的平坦地，系数取1.15。
当风从阵列前方吹来（顺风）的时候风压负荷W为
W=1/2×1.06×1.274×402×3.85×0.758×1×1.15=3625.5N
当风从阵列后方吹来（逆风）的时候风压负荷W1为
W1=1/2×1.43×1.274×402×3.85×0.758×1×1.15=4890N
该风压对太阳能电池方阵作为上吹荷重起作用。
3.1．3总负荷
顺风时候总荷重G+W=1158+3625.5=4783.5N
逆风时候总荷重G-W1=1158-4890=-3732N
设计中采用的是悬空的支架设计，可减少支架所受的风力压力。
支架的悬空设计有利于气流的流通，在遭遇大风天气时，不会对光伏系统造成损伤，很好的对系统进行保护。
3.2各部件的安装连接
底座支架与竖直支架和固定梁之间的连接，底座支架与竖直支架采用的是焊接的方法，之间连接的是用三角钢（如左图），竖直支架与固定梁之间则是采用螺丝连接，在支架上有相应的螺丝孔，安装方便简洁。
图3底座支架与竖直支架和固定梁之间的连接
图4横梁与拉杆之间的连接
横梁与拉杆之间使用螺丝连接，因为拉杆采用的是三角钢，适合打孔使用螺丝，螺丝采用的型号是M14×40，使用配套垫片，横梁采用的是铝合金材质的导轨。
固定梁与拉杆之间的连接同样采用的是M14×40型号的螺丝，注意安装螺丝时要选用同种型号的垫片，螺丝要拧紧，防止松动。
电池组件与横梁之间的连接，组件边框上有打好的配套螺丝孔，安装时直接将螺丝与横梁和组件边框相连接，同样要使用同种型号的垫片。
设计评述及体会
本次设计使用了大量CAD绘图、图片、表格，来展现产品的各个特点，使得观察者能够很清晰的明白设计者的用途，这是这次设计的一个特点，也是一个优点。
对于CAD绘图来说是一个很好的表现形式，但是对于一个CAD初学者来说，系统的绘制光伏系统的三维图形，确实有点吃力，但经过这几天的边学边画，已经能够掌握一般的绘制方法，在这次设计中也是一个难得的收获。
设计中采用了很多其他的文献资料，这会使设计更加的有深度，更加的科学性，对于一个设计来说是很必要的，但对设计者来说这就要求有很好的收集资料的能力，学习他人的优点，善于总结。
通过这次的课程设计,对于我们来说是一个很好的锻炼,它锻炼了我的思考能力和耐心.做这个课程设计除了需要一定知识的积累，还需要极大的耐心。
用所学知识设计生活中的东西，加深了对光伏系统设计的了解。
参考文献
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科学
出版社．2006．
[2]祁建洲.混凝土平屋面光伏组件支架的连接设计.2012.5
[3]许建军.格尔木200MWp并网光伏电站组件支架基础的选择.科技报.2013.2
[4]商长征.新疆天华阳光农一师光伏电站项目光伏支架基础选型的探讨.科技向导.2013年第5期
[5]李玲,廖卫兵,张发云等.新余市LED光伏照明系统最佳倾角的优化设计新余高专学报.第15卷第6期2010年12月
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