10KW家庭太阳能光伏发电系统毕业设计.docx

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10KW家庭太阳能光伏发电系统毕业设计

10KW家庭太阳能光伏发电系统毕业设计

毕业设计

题目:

10KW太阳能家庭并网发电系统设计

班级:

09光伏班

专业:

光伏发电及应用技术学号:

00

姓名:

xx

指导老师:

xxx

日期:

2011年10月3日

摘要:

光伏组件结构设计原则是首先用类似普通光伏组件的边框（形状较简单，但又能与外加边框相配合的结构）进行热压封装，然后在组件边框之外再附加边框，这种附加边框结构，应该具有以下功能:

1.外加边框与已封装的组件边框能相互配合和可靠连接。

2.保证各组件连接处若有雨水渗漏，都能顺畅地沿组件附加边框下淌，不会渗漏到组件下面。

3.能方便可靠地固定于建筑屋面。

4.便于电缆连接和走线。

5.组件边框可靠接地。

6.组件背面能通风。

7.组件结构具有左侧、中间、右侧三种形式，便于相互组合、任意扩展。

8.组件上下两块，采用搭接方式，便于组件表面雨水下淌，搭接处有粘带胶接，防止雨水在上下交接处下渗。

关键词:

太阳能、并网发电，逆变器、转换效率、效益、政策

1绪论

1.1背景

随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机，同时，大量使用化石能源对生态环境造成严重的破坏。

能源、环境与发展己成为当今世界殛待解决的问题。

因此全球都在积极开发利用可再生能源。

在今后的20-30年里，全球的能源结构将发生根本性的变化。

专家预测，在下50年里，可再生能源在整个能源构成中会占到50%。

自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。

由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。

在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着年均30%以上的高速增长。

其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，

近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。

并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。

我国太阳能资源丰富，全年日照时数大于2000h，太阳能总辐射量高于

25016MJ/（ma）的地区约占全国总面积的三分之二以上。

但相对于蓬勃发展的世界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段。

光伏组件产量和安装容量仅为世界1%左右，配套设备的产业化进程也严重滞后于其他国家。

国际上方兴未艾的光伏并网集成建筑在国内还几乎是空白。

因此，对并网型光伏系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重中之重。

光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类:

一种为系统中含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统;另一种为系统中不设置蓄电池组的不可调度式光伏并网发电系统。

并网型光伏发电系统的核心为并网型逆变器。

并网型逆变器是影响和决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。

并网型逆变器按控制方式可分为以下四种:

电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制。

以电流源为输入的逆变器，直流侧串联电感对输入进行滤波，得到稳定的直流输入。

但是由于电感的存在使系统的动态性能变差，因此目前大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。

1.2国内外研究现状

并网逆变器与市电并联运行时，其输出控制对象可为输出电压或者电流。

市电系统可视为容量无穷大的交流电压源，若并网逆变器输出采用电压控制，则就相当于两个电压源并联运行，这样就有输出电压不易精确控制、可能出现环流等不足。

若采用电流控制，则只需要控制并网逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。

由于控制方法相对简单，因此使用比较广泛。

综上所述，并网逆变器一般都采用电压源输出、输出电流控制的方式。

目前，并网型光伏发电系统用逆变器大体具有以下五个方面的特点:

l、并网型逆变器的输出为正弦波。

一般情况下为了得到正弦波输出往往使用“伪正弦”或脉宽调制方法。

这些方法可以满足大多数负载的要求，而为了满足某些对谐波有特殊要求的负载，其一般是通过电感或工频变压器等方法来提高输出波形的质量，这不可避免地带来低效率和较差的动态特性，而且系统笨重、造价高。

目前，国外的并网标准中明确规定并网逆变器的输出波形的总谐波因数小于5%，各次谐波含量小于3%，并且具有较好的动态特性;

2、并网型逆变器应具有高的转换效率，尤其是空载和轻载的损耗。

以ADVANCEDENERGYInc.的MM-5000为例，该产品在额定输出时效率为90%，在一半额定输出时为92%，最大的逆变器效率为93%，在空载时逆变器的损耗要求小于20W:

3、并网型逆变器应具有高可靠性;

4、并网型逆变器的功率因数近似为1;

5、并网型逆变器应具有输入过压、输入欠压、输入过流、输出过流、电网电压跌落、电网电压过压、电网频率故障、输入反接、冷却风扇故障、孤岛效应各种保护功能。

1.2.1国外的研究现状

国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA,Fronius,Sputnik,SunPower和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%的份额。

除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都己经产品化。

以SMA和西门子为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的发展情况。

SMA光伏并网逆变器目前具有三大系列产品:

支路逆变器、集中逆变器和多支路逆变器，其中以SWR和SB两个系列应用最为广泛。

该产品具有如下特点:

高效率、高功率因数、低THD;基于微处理器的自动功率点调节，即:

基于软件实现的最大功率跟踪:

根据电网情况调制工作状态，工作状态自动切换;通过LED显示主要工作状态;故障自诊断;测量数据和工作状态通过总线传输至PC机:

多台逆变器可以任意组合构建系统，使系统设计更加简便、扩展更加方便。

多支路逆变器是SMA最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构，多个不同支路共用同一个逆变环节，中

间设置有内部直流母线，可以使系统的灵活性大为提高;输出端无工频变压器隔离，采用最新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。

与SMA相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统扩展等均没有SMA的强。

西门子SITOPSolar主要分为隔离和非隔离两种支路逆变器，两级能量变换，最大功率跟踪和逆变部分集成在一个机箱内;功率因数高;基本单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究数据本地集中显示;实时发电电能显示;RS232串口连接PC或者调制器:

能够外接辐射计和组件温度传感器。

除SMA和西门子外，美国的Xantrex的SunTieXR系列并网逆变器也是根据光伏市场需要推出的产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中功率的逆变器并联构成系统，而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节。

综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。

1.2.2国内的研究现状

由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起步阶段，技术水平相对国外还有一定差距。

就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器而言，合肥工业大学能源研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位和大学在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。

除此之外，北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司也在推出了适合并网光伏系统用的逆变器。

北京索英电气技术有限公司的三相光伏并网逆变器，采用日本的智能功率模块IPM作为主回路功率器件，运用该公司先进的并网控制技术，具有结构简单、效率高、性能优良、电磁干扰小和安全可靠等优点。

全新的的全数字化DSP控制，简化控制回路，提高了系统控制性能。

多项先进的并网发电控制技术，保证向电网优质送电，还能够追踪太阳能电池板的最大功率点，检测电网的状态，并实现对电网供电质量的调节。

合肥阳光的正弦波并网充放电装置虽不是专门为并网光伏设计，但是也可应用在并网光伏系统中。

从这两种成熟的市场产品可以看出，国内对并

网光伏逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板。

并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用，目前所建并网型光伏系统都为示范工程。

并网型光伏发电系统的核心并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得，导致并网型光伏系统的造价升高、依赖性强，从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。

因此掌握并网型光伏系统的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至关重要的作用。

1.3发展趋势

随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。

首先，元器件正向着低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。

低导通损耗将有助于并网型逆变器系统提高效率、减少发热;快速化将减小开关应力;智能化将有助于提高系统可靠性;封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持高机械强度。

其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分;提高开关频率，减小滤波器体积;善输出波形，提高THD;速响应电网瞬态变化。

最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积;提高系统的动态响应性能。

因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。

2.太阳能并网发电系统简介

太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。

太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。

与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点:

（1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。

（2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达,,,一,,,，从而使发电成本大为降低。

省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。

（3）光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，

并且还使建筑物科技含量提高、增加“卖点”。

（4）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

（5）可起调峰作用。

联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。

3.并网发电系统的原理及组成

太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。

它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。

如下图所示:

白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。

图2,1.并网发电原理图

（1）太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5伏的电压，远低于实际使用所需电压。

为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。

太阳能电池组件

包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。

如一个组件上，太阳能电池的数量是36片，这意味着一个太阳能组件大约能产生17伏的电压。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。

当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

（2）充电控制器

在太阳能发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

高级的控制器可以同时记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。

控制器主要功能如下:

1）过充保护避免蓄电池因充电电压过高而造成损坏。

2）过放保护避免蓄电池因放电到过低的电压而损坏。

3）防反接功能避免蓄电池及太阳能电池板因正负极接反而不能使用甚

至酿成事故。

4）防雷击功能避免因雷击而损坏整个系统。

5）温度补偿主要针对温差大的地方，保证蓄电池处于最佳的充电效

果。

6）定时功能控制负载的工作时间，避免能源浪费。

7）过流保护当负载过大或短路时，自动切断负载，保证系统的安全运。

8）过热保护当系统工作温度过高时，自动停止给负载供电，故障排除

后，自动恢复正常工作。

9）自动识别电压对于不同的系统工作电压，自动识别，无须另外设置。

（2）蓄电池

蓄电池作用是将太阳能电池方阵发出直流电贮存起来,供负载使用。

在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态。

白天太阳能电池方阵给蓄电池充电,同时方阵还给负载用电,晚上负载用电全部由蓄电池供给。

因此,要求蓄电池的自放电要小,而且充电效率要高,同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

蓄电池的种类及特点

类镍镉电池镍氢电池免维护铅酸电池

别胶体普通酸液项目

锂电池

充放电无记忆效可以重复没有明显的耐深放电,亏若干次亏电特性应,使用500次以上记忆效应,电状态下恢而失去容量,

时间长,充放电,但随充随用，复能为极好,易使电池报

重复充电是记忆效应可以重复不会因若干废.使用寿命

可达1200明显,使用500次以上次亏电而失一般为2~3

次以上。

2一定时间充电。

1.2去容量.寿命年.

小时的急后,需完全小时的急速长,可达10

速充电放电后,才充电。

年.

可充电。

容量同等容量单体电压为单体电压为单体电压有单体电压有

的锂电池1.2V.容量1.2V,容量2V,6V,12V,2V,6V,12V,

重量比镍在是同体积的容量容量

电池要轻200mAh~镍镉电池的5.5Ah~180Ah5AH~200Ah,2

50%,单体14000mAh1.5~2倍,2V可达V可达

电压为3000AH3000Ah

3.6V

适用范移动通信、报警系统、仪器仪表、日太阳能系统、UPS、通信设备围用品等。

（2V）电动车、发电、数据

工程等

（2）直流/交流逆变器

将直流电变换成交流电的设备。

由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。

逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

4设计依据

该系统的设计依据有:

GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求

GB/T20046-2006光伏（PV）系统电网接口特性（IEC61727:

2004,MOD）

GB/Z19964-2005光伏发电站接入电力系统技术规定

GB/T2423.1-2001电工电子产品基本环境试验规程试验A:

低温试验方法

GB/T2423.2-2001电工电子产品基本环境试验规程试验B:

高温试验方法

GB/T2423.9-2001电工电子产品基本环境试验规程试验C:

设备用恒定湿

热试验方法

GB4208外壳防护等级（IP代码）（equIEC60529:

1998）

GB3859.2-1993半导体变流器应用导则

公用电网谐波GB/T14549-1993电能质量

GB/T15543-1995电能质量三相电压允许不平衡度

GB/T21086-2007建筑幕墙

GB50057-94建筑物防雷设计规范

JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范

JGJT139-2001玻璃幕墙工程质量检验标准

当地气象资料。

光伏系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔;该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。

建设方提供的相关资料及要求等。

5.10KW太阳能并网发电系统设计

5.1设计总则

（1）太阳能并网发电系统在原有的线路基础上增加，采取尽量不改造原有回路的原则。

因此，将光伏系统的并网点选择在并网点的低压配电柜上。

（2）考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，在并网逆变器直流输入加装直流配电接线箱。

（3）并网逆变器采用三相四线制的输出方式。

（4）由于本项目有极强的公众影响力，因此我们在设计整个发电系统的时候，充分考虑了建筑视觉美观性，在不影响房屋整体设计效果的情况下设计安装光伏发电系统。

（5）为了增加并网光伏电站的输出能量，我们在设计时尽可能地将更多

的太阳能电池板（组件）普照在阳光下，并且避免太阳电池板之间的相互遮光，以及房屋屋顶边缘、周围可能的建筑物以及其它障碍物遮挡阳光。

（6）减少电缆长度，可以减小线路上的电压降损失，提高系统的输出能量;减小电缆尺寸，可以降低成本，同时减轻屋顶负荷并增加灵活性。

所以我们在设计时考虑从太阳电池到接线箱、接线箱到直流/交流电力转换器器以及直流/交流电力转换器到并网交流配电柜的电力电缆保持在最短距离。

5.2电池组件及方阵支架的设计

5.2.1电池组件

选用型号为120（34）P1447x663，主要参数为:

输出峰值功率120Wp、峰值电压17V、峰值电流7.05、开路电压22V、短路电流7.5A。

太阳能电池由18块串联成1路，共5路，需要120Wp规格组件90块方阵总功率为:

120x18x5=10800Wp。

太阳能电池方阵的主要技术参数为:

（1）工作电压306V，开路电压396V;

（2）工作电流35A，短路电流37.5A;

（3）转换效率大于14%;

（4）工作温度-40?

90?

。

太阳能电池方阵的主要特点:

（1）采用高效率晶体硅太阳电池片，转换效率高:

?

14%;

（2）使用寿命长:

?

25年，衰减小;

（3）采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，抗机械强度高;

（4）采用高透光率钢化玻璃封装，透光率和机械强度高;

（5）采用密封防水的多功能接线盒。

5.2.2方阵支架及光电场设计

屋顶基础

在建筑建设时考虑光伏系统的安装，预留埋设好地脚螺栓等固定元件，光伏系统的安装将更为方便快捷，同时注意设计与施工时注意处理来避免屋顶的漏水等问题。

支架采用混凝土基础、角钢支架（见基础图），支架倾角30度。

对于组件基础，安装支架的混凝土基础:

1）基础混凝土的混合比例为1:

2:

4（水泥、胶石、水），采用42号水泥或更细，胶石每块尺寸为20mm或更小;混凝土的强度等级不宜低于C20。

2）基础尺寸建议为200mm宽×200mm高。

长度见基础图。

3）基础的上表面要在同一水平面上，平整光滑。

4）支架四个支撑腿所用的基础应保持在同一水平上。

5）基础上的预埋螺杆应该要求正确地位于基础中央，同样要注意保持螺杆垂直，不要倾斜。

）基础上的预埋螺杆应该高出混凝土基础表面50mm。

确保已经将基6

础螺杆的凸出螺纹上的混凝土擦干净。

7）注意每付组件支架两个基础之间的朝向和尺寸。

建议安装一付支架（不安装太阳组件），将四条支架安装到适当的位置，为基础建造作标记。

支架的设计

支架设计，在抗风压及抗腐蚀方面，采取以下措施:

1）所有支架采用国标型钢，多点结合:

增加钢支架与屋面结构的连接点，将受力点均匀分布在承重结构，按抗12级台风进行力学设计计算，各连接点选用特制型钢和不锈钢螺栓连接。

2）所有支架都采用热镀锌，局部外裸部分喷涂氟碳涂料来有效防腐。

3）太阳能电池支架采用混凝土标桩、槽钢底框、角钢支架，支架倾角30度。

5.3并网逆变器

并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。

逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态、异常报警等各项电气参数。

同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。

具有可靠性高、具有多种并网保护功能（比如孤岛效应等）、多种运行模式、对电网无谐波污染等特点。

根据以上要求选用德国进口LineBack?

10KW并网逆变器。

本逆变器的特征如下:

（1）无变压器，实现了小型轻量化。

（2）功能模块化，可根据需要制定出合理的安装模块。

（3）有自立运行功能。

停电时自动进行自立运行，向负荷供电。

（4）自立运行或者并网运行时有相同容量的功率。

（5）由显示单元，可显示输出功率、累计电量、运行状态及异常等内容。

（6）带有通信功能，使用GS标准计量软件，可由PC机计量其电流、电压等值。

（7）可全自动运行。

（8）主要技术参数为:

额定容量:

10KVA;

直流额定电压:

300V，直流额定电流:

37A;

直流电压输入范围:

160V―480V;

交流输出功率因数0.99，频率50Hz，三相AC220V;

输出电流失真度:

THD,5,，各次THD,3,;

逆变器效率,90%。

6.配电室设计

用于太阳能光伏系统的配电室部分，主要放置直流防雷配电柜、逆变器、交流配电柜等。

配电室设置在厂房低压配电房内。

配电室应满足以下要求:

21）面积不小于6m。

2）电气设备与墙壁之间设不小于0.3m间隔距离用于通风散热。

3）配电室内应强制通风或控温。

4）配电室地面承重应大于1.5吨/平米。

7.并网发电系统的防雷

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。

太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面:

1）地线是避雷、防雷的关键。

防止雷电感应:

控制机房内的全部金属物包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。

防止雷电波侵入:

在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。

要在每条回路的出线和零线上装设。

架空引入室内

的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆。

接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。

接地系统的要求:

所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。

光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据，建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。

电气设备的接地电阻R?

4欧姆，满足屏蔽接地和工