光伏发电系统设计与施工概要.docx

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光伏发电系统设计与施工概要

课程设计

课程名称太阳能光伏发电系统的设计与施工

班级10级光伏发电

（1）班

专业光伏发电技术及应用

学号：

1003030116

姓名：

李约

指导教师：

查国君

提交日期：

2012年11月21日

课程设计成绩：

目录

摘要..............................................................................................................................................................1

第一章绪论..............................................................................................................................................2

1.1新余市地理情况及基本气象.........................................................................................................2

1.2光伏并网系统简介及组成.............................................................................................................2

1.3并网光伏系统工作原理介绍.........................................................................................................4

1.4设计原则........................................................................................................................................4

第二章并网光伏系统的设计...................................................................................................................6

2.1太阳能光伏组件选型...................................................................................................................6

2.2并网光伏系统效率计算................................................................................................................7

2.3倾角设计.......................................................................................................................................7

2.4方位角设计...................................................................................................................................8

2.5太阳能光伏阵列的布置................................................................................................................9

第三章光伏并网系统的工程设计与施工.............................................................................................10

3.1原料供应.....................................................................................................................................10

3.2工程施工方案..............................................................................................................................10

3.3土建设计.....................................................................................................................................10

3.3.15MWp光伏电站围墙设计..............................................................................................10

3.3.2方阵支架基础设计...........................................................................................................11

3.3.3支架材料选型...................................................................................................................12

3.3.4支架规格及设计参数.......................................................................................................13

3.3.5计算太阳电池方阵间距和光伏电站占地.......................................................................14

3.3.6太阳电池组件组件排布方式为：

...................................................................................15

3.4支架强度计算............................................................................................................................15

3.5系统接入电网设计......................................................................................................................18

3.5.1重要单元的选择................................................................................................................18

3.5.2监控装置............................................................................................................................19

3.5.3环境监测............................................................................................................................20

3.6电站防雷和接地设计................................................................................................................20

附录：

........................................................................................................................................................22

心得体会....................................................................................................................................................23

参考文献：

................................................................................................................................................24

摘要

太阳能是一种重要的、可再生的清洁能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、人类能够自由利用的能源。

太阳每秒钟到达地面的能量高达50万千瓦，假如把地球表面0．1％的太阳能转换为电能，转变率5％，每年发电量可达5．6×1012kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。

从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。

近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一⋯。

现有能源主要有火电、水电和核电三种。

火电需要燃烧石油、煤等化石燃料。

一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。

据专家估计，石油可供开采的年限只有40年。

另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。

水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。

另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受到季节等因素的影响。

核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是非常可怕的。

前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。

相对于上述三种能源，太阳能这一新型能源既“取之不竭”又“安全环保”。

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。

而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。

所以太阳能发电被誉为是最理想的能源。

本文拟在新余建设5兆瓦大型并网光伏电站。

出于项目经济性及技术可靠性方面的考虑，采用将太阳能电池方阵固定在地面，系统没有储能装置，太阳电池将日光转换成直流电，通过逆变器变换成400V交流电，通过升压变压器与110kV高压输电线路相连，再通过输电线路将电力输送到变电站。

关键词：

太阳能并网发电站太阳能电池方阵太阳能电池组件支架

第一章绪论

1.1新余市地理情况及基本气象

新余位于江西中部，地处南昌、长沙两座省会城市之间；位于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。

1.2光伏并网系统简介及组成

并网光伏供电系统有着与独立光伏系统不同的特点，在有太阳光照射时，光伏供电系统向电网发电，而在阴雨天或夜晚光伏供电系统不能满足负载需要时又从电网买电。

这样就不存在因倾角的选择不当而造成夏季发电量浪费、冬季对负载供电不足的问题。

在并网光伏系统中唯一需要关心的问题就是如何选择最佳的倾角使太阳电池组件全年的发电量最大。

通常该倾角值为当地的纬度值。

对于上述并网光伏系统的任何一种形式，最佳倾角的选择都是需要根据实际情况进行考虑，需要考虑太阳电池组件安装地点的限制。

对于纯并网光伏系统，系统中没有使用蓄电池，太阳电池组件产生的电能直接并入电网，系统的直接给电网提供电力。

系统采用的并网逆变器是单向逆变器。

因此系统不存在太阳电池组件和蓄电池容量的设计问题。

光伏系统的规模取决于投资大小。

电池组件和蓄电池容量的设计问题。

光伏系统的规模取决于投资大小。

目前很多的并网系统采用具有UPS功能的并网光伏系统，这种系统使用了蓄电池，所以在停电的时候，可以利用蓄电池给负载供电，还可以减少停电造成的对电网的冲击。

系统蓄电池的容量可以选择比较少，因为蓄电池只是在电网故障的时候供电，考虑到实际电网的供电可靠性，蓄电池的自给天数可以选择1-2天；该系统通常使用双向逆变器处于并行工作模式：

●将市电和太阳能电源并行工作。

对于本地负载，如果太阳电池组件产

生的电足够负载使用，太阳电池组件在给负载供电的同时将多余的电能返馈给电网；

●如果太阳电池组件产生的电能不够用，则将自动启用市电给本地负载

供电，市电还可以自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态，延长蓄电池的使用寿命；

●如果市电发生故障，即市电停电或者是市电供电品质不合格，电压超

出负载可接受的范围，系统就会自动从市电断开，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器给负载供电。

一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到允许的正常状态以内，系统就会断开蓄电池，转成并网模式工作。

光伏伏系统由以下三部分组成：

太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。

光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。

其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。

尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。

图4-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。

其中包含了光伏系统中的几个主要部件：

●光伏组件方阵：

由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求

串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。

●蓄电池：

将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、

或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。

目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通☆☆常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

●

控制器：

它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。

随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

●

逆变器：

在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

1.3并网光伏系统工作原理介绍

太阳能并网发电系统是利用太阳能电池方阵，在白天有光照时产生的直流电通过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网，产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。

在阴雨天或晚上，太阳能电池组件没有产生电能不能满足负载需求时则由电网供电。

这种系统直接将电能输入电网，免除了蓄电池储能装置，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电能从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。

图1.1并网发电原理图1.4设计原则

（1）安全可靠性

为保障系统可靠运行，系统设有完整的在线监控系统；系采用了多项自我保护、电网保护、负载保护等安全措施；选用性能优良、可靠性高的成熟技术产品；整体设计采用冗余技术，来保证系统的安全可靠性。

（2）先进实用性

选用的设备（包括并网逆变器、交直流配电设备、在线监控设备、离网逆变器、蓄电池等）均为国际上先进实用的技术和产品。

建成后的系统具有最为先进的最大功率点跟踪技（MPPT）、系统管理技术、系统在线监控技术，让系统的使用和维护变得更加简单。

（3）扩充性和灵活性

系统的设计全部采用了模块化设计，系统的扩容将变得简单而灵活，增加一定数量的太阳能光伏电源很容易融入整个网络，而不需对其它设备做任何的改动，也不会影响其它设备的正常使用。

这也相对减少了扩容资金投入。

（4）示范性

从项目的设计、施工、培训和售后服务都要进行周密计划，并规范化实施，取得过程管理与实施结果的全面成功，为以后同类工程的实施起示范作用。

图1.2并网系统效果图

第二章并网光伏系统的设计

2.1太阳能光伏组件选型

（1）单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较

单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高，商业化电池的转换效率在15%左右，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，但是成本较高，每瓦售价约36-40元。

多晶硅太阳能光伏组件生产效率高，转换效率略低于单晶硅，商业化电池的转换效率在13%-15%，在寿命期内有一定的效率衰减，但成本较低，每瓦售价约34-36元。

两种组件使用寿命均能达到25年，其功率衰减均小于15％。

图2.1多晶硅太阳能电池组件

①组件设计特点

1.寿命长：

抗老化EVA胶膜（乙烯-醋酸乙烯共聚物），高通光率低铁太阳能专用钢化玻璃，透光率和机械强度高；

2.简便：

标配多功能接线盒，三路二极管连接盒，抗风、防雷、防水和防腐；

3.质保证：

光学、机械、电理等模块测试及后期调整完善，产品ISO9001认证；

4.效率高：

晶体硅太阳电池组件，单体光电转换效率≥15%；5.框坚固：

阳极化优质铝合金密封边框。

②组件电性能参数

表2.1太阳能电池组件电性能参数

2.2并网光伏系统效率计算

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。

（1）光伏阵列效率η1：

光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。

光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：

组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。

（2逆变器转换效率η2：

逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率95%计算。

（3）交流并网效率η3：

从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取变压器效率95%计算。

（4）系统总效率为：

η总＝η1×η2×η3＝85%×95%×95%=77%

2.3倾角设计

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。

对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。

特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。

方阵从垂直放置到10°～20°的倾斜放置都有实际的例子。

对于方位角不为0°度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。

以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

本次系统设计所在地为新余，依据本次设计参考相关文献中的资料，选定太阳能电池组件支架倾角为30°。

新余市纬度A=28°，所以方阵的倾角为B=A+12=40°。

本方案假设设计太阳能光伏阵列安装倾角为40°时，全年接受到的太阳能辐射能量最大。

考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，因此本项目设计采用固定的光伏方阵。

2.4方位角设计

方位角计算：

通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为20:

00，该地区的的经度为东经114°29′～150°24′，所以方位角Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）×15+（经度-116）=（20-12）×15+（150-116）=154°

2.5太阳电池组件串并联方案

250kW光伏并网逆变器的直流工作电压范围为：

400Vdc～880Vdc。

太阳电池组件串联的组件数量Ns=880/37.38≈24（块），这里考虑温度变化系数，取太阳电池组件18块串联，单列串联功率P=18×230Wp=4140Wp；单台250kW光伏并网逆变器需要配置太阳电池组件并联的数量Np=250000÷4140≈60或61列。

若Np取60列，则实际功率为248.400kWp，这样1MWp光伏阵列单元设计为240

列支路并联，共计4320块太阳电池组件，实际功率达到993.600kWp。

；若Np取61列，则实际功率为252.540kWp，这样1MWp光伏阵列单元设计为244列支路并联，共计4392块太阳电池组件，实际功率达到1010.160kWp。

为了使整个电站实际功率达到5MWp，设计采用3组993.600kWp+2组1010.160kWp的组合方式，即该光伏电站总共需要230Wp的晶体硅太阳电池组件21744块，18块串联，1208列支路并联的阵列，实际功率达到5.00112MWp。

2.5太阳能光伏阵列的布置

（1）光伏电池组件阵列间距设计

为了避免阵列之间遮阴,光伏电池组件阵列间距应不小于D:

D=0.707H/tan〔arcsin（0.648cosΦ-0.399sinΦ〕

式中Φ为当地地理纬度（在北半球为正，南半球为负，H为阵列前排

最高点与后排组件最低位置的高度差）。

假设新余并网光伏系统阵列的最高点与最低点的高度差为为

根据上式计算，求得：

D=5025㎜。

取光伏电池组件前后排阵列间距5.5米。

（2）太阳能光伏组件阵列单列排列面布置见下图：

第三章光伏并网系统的工程设计与施工

3.1原料供应

工程施工主要原材料为钢材，因为钢铁是新余三大支柱产业之一。

建设辅料为管材、型材、焊丝、油漆，水泥，沙土等，燃料是压缩空气、水、电、氧气、二氧化碳、柴油等。

新余是工业城市大部分原料均可以在本地生产商购得，