5kW光伏离网发电系统设计方案.docx
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5kW光伏离网发电系统设计方案
5kWp光伏离网发电
系统设计方案
二零一六年元月
一、太阳能离网发电系统简介及建设内容参数
1.1太阳能离网发电系统简介
独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。
它的主要特点就是集中供电，如在一个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能，当然这是在该村庄地理位置较偏远，无法直接利用电力公司电能的情况下，所能用到的方法。
用这种方式供电便于统一管理和维护。
而户用系统是采用分散供电的方式提供电能，如果要在该村庄安装户用光伏系统，这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小，控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是完全一致的。
太阳能光伏建筑一体化（BuildingIntegratedPhotovoltaic——BIPV）是应用太阳能发电的一种新形式，简单的讲就是将太阳能发电系统和建筑的围护结构外表面如建筑幕墙、屋顶等有机的结合成一个整体结构，不但具有围护结构的功能，同时又能产生电能供本建筑及周围用电负载使用。
还可通过建筑物输电线路离网发电，向电网提供电能。
太阳能光伏方阵与建筑的结合由于不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，
因而备受关注。
1.2建设位置参数
1、项目名称：
；
2、项目地点：
湖北省武汉市；
3、经度：
114°30’，纬度：
30°60’；
4、平均海拔高度：
23.3m；
1.3项目用户负载参数
用户平均日用电量如下表所列清单：
家用电器功率表
序号
电器名称
功率
电器数量
平均使用时间
/h/day
耗电量/Wh/day
备注
Min/W
Max/W
日电量
MinWh
日电量
MaxWh
1
灯
具
日光灯
40
60
4
2
320
480
2
节能灯
5
50
4
2
40
400
3
LED灯
5
20
4
4
80
320
4
1.5匹空调
1200
1400
2
2
4800
5600
5
水空调
1000
1200
1
2
2000
2400
6
小型洗衣机
100
200
1
1
100
200
7
电
视
机
液晶
25
100
2
4
200
800
8
纯平
11
100
1
4
44
400
9
模拟接线盒
10
15
2
4
80
120
10
卫星接收器
15
20
1
4
60
80
11
笔记本电脑
20
50
1
4
80
200
12
风扇
5
20
2
4
40
160
13
电
热
器
电热水壶
800
1500
1
0.5
400
750
14
吹风机
600
1000
1
0.3
180
300
15
电热毯
60
100
2
6
720
1200
16
电饭煲
500
900
1
1
500
900
17
微波炉
750
1100
1
0.3
225
300
18
冰箱交流
100
150
1
24
2400
3600
电器总功率：
8210
18420
同时使用率为0.6：
4926
11052
二、相关规范和标准
光伏离网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准：
GB/T18479-2001《地面用光伏（PV）发电系统导则》
GB/T20046-2006《光伏（PV）系统电网接口特性》
GB2297-89《太阳光伏能源系统术语》
GB/T18210-2000《晶体硅光伏方阵I－V特性的现场测量》
GB/T20514-2006《光伏系统功率调节器效率测量程序》
GB/T20513-2006《光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则》
GBT18911-2002IEC61646：
1999《地面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型》
GBT20047.12006《光伏（PV）组件安全鉴定+第一部分结构要求》
GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》
GB4064-1984《电气设备安全设计导则》
GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
DL5027-1993《电力设备典型消防规程》
EN50178《用于电力安装的电气设备》
《中华人民共和国消防法》
《电力监管条例》（国务院令〔2005〕第432号）
《中华人民共和国电力法》
《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》的通知
关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见（财建[2009]128号）
三、系统组成与原理
3.1光伏太阳能离网发电系统组成
光伏太阳能离网发电系统组成主要包括：
太阳能电池板（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户（即照明负载）等组成。
其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
（1）太阳能电池板：
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。
其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；
（2）太阳能控制器：
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；
（3）蓄电池：
一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
（4）离网逆变器：
在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC、110VDC、220VDC。
为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。
在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。
3.2光伏太阳能离网发电系统主要组成
主要组成如下：
（1）光伏电池组件及其支架；
（2）太阳能控制器；
（3）蓄电池（组）；
（4）离网逆变器；
（5）系统的通讯监控装置；
（6）系统的防雷及接地装置；
（7）土建、配电房等基础设施；
（8）系统的连接电缆及防护材料。
3.3离网系统原理示意图
下图为离网系统原理示意图：
离网系统示意图
四、离网发电系统方案设计过程
4.1方案简介
本太阳能离网发电系统因考虑全年平均用电量，将系统设计成全年发电量均衡，以此设计组件阵列倾角等参数。
本太阳能离网发电系统将采用分布式离网的设计方案，该5kWp的离网发电系统，通过控制器将电能储存到蓄电池，再连接到离网逆变器，并通过逆变器将直流电转化成交流电供应交流负载使用。
另外，系统可选择`配置1套监控装置，可采用RS232/RS485或Ethernet（以太网）的通讯方式，实时监测离网发电系统的运行参数和工作状态。
4.2使用具体要求信息
（1）要求连续使用阴雨天数：
2天；
（2）负载类型：
220Vac负载；
（3）日用电量：
根据用户电器设备功耗表统计，假设用户电器全额总功率为8210W，日均用电量为18420Wh，按照60%的同时使用率计算，得出电器总功率为4926W，日均用电量为11052Wh。
日均负荷平均耗电量时，增加5%的预期负荷留量，所以日均耗电总量为：
11052Wh×1.05≈11.6kWh。
4.3蓄电池设计选型
蓄电池容量计算是根据系统日用电量、自给天数、逆变器效率以及蓄电池放电深度决定。
蓄电池的容量选择是家用太阳能光伏系统的关键问题之一，是本系统中维护成本最高的，所以合理选择蓄电池容量是非常重要的。
平均放电率计算公式一：
加权平均负载工作时间=Σ（负载功率×工作时间）/Σ负载功率
=11052Wh/4926W=2.24h
平均放电率（小时）=（自给天数×负载工作时间）/最大放电深度
=（2×2.24h）/0.8=5.6h
蓄电池容量计算公式一：
CAP=（DL）/（DOD×ηout×V）=（2×11.6kWh）/（0.85×0.9×220V）≈137.85Ah
——CAP：
电池容量，Ah；
D：
存电可用天数；
L：
最大平均日用电量，kWh；
DOD：
蓄电池放电深度；
ηout：
从许能系统到负载见的总效率；
V：
系统电压，V；
计算中，逆变器日均效率取0.92，蓄电池充电控制器效率取0.96。
所以，ηout=逆变器日均效率×蓄电池充电控制器效率=0.92×0.96=0.9。
蓄电池容量计算公式二：
蓄电池容量=（日均耗电量×自给天数）/（蓄电池放电深度×逆变器效率×系统电压）=（11.6kWh×2）/（0.85×0.85×220V）≈146Ah
——蓄电池放电深度：
取0.85；
逆变器效率：
取0.85；
系统电压：
220V；
自给天数:
2天；
蓄电池容量计算公式三：
CAP=（QL×D）/（V×η1×η2×η3×η4）
=（11.6kWh×2）/（220V×0.85×0.85×0.98×0.92）≈162Ah
——QL：
日均耗电量，Ah；
D：
连续阴雨天数，2天；
V：
系统电压，V；
η1：
蓄电池放电深度，0.85；
η2：
逆变效率，0.85；
η3：
输出线损，0.98；
η4：
蓄电池放电效率，0.92；
蓄电池容量计算公式四：
蓄电池容量C=（P×t×D）/（V×K×η2）
=（11.6kWh×2）/（220V×0.7×0.85）≈177Ah
——C：
蓄电池组的容量，Ah；
P：
负载的功率，W；
t：
负载每天的用电小时数，h；
D：
连续阴雨天数（一般为2～3天），取值2天。
V：
蓄电池组的额定电压，V；
K：
蓄电池的放电系数，考虑蓄电池效率、放电深度、环境温度、影响因
素而定，一般取值为0.4～0.7。
该值的大小也应该根据系统成本和用户的
具体情况综合考虑；
η2：
逆变器的效率，取值0.85；
蓄电池容量计算公式五：
蓄电池容量Bc=（A×QL×NL×To）/（Cc×V）
=（1.4×11.6kWh×2×1）/（220V×0.85）≈174Ah
——A：
为安全系数，根据情况在1.2-1.4之间选取，取1.4；
QL：
为负载的日平均耗电量，kWh；
V：
系统电压，V；
NL：
为该地区最长连续阴雨天数，取2天；
To：
为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下
取1.2；
Cc：
蓄电池放电深度，取0.85；
本系统中可以选用天津蓝天公司的铅酸电池或深圳欧赛公司的锂电池。
根据以上计算数据选用天津蓝天公司的铅酸蓄电池可以选用6-CNJ-200型号的12V/200Ah，采用该蓄电池18个串联，合计216V/200Ah。
具体参数如下：
【蓝天太阳能蓄电池】12V系列规格型号表
12V200AH胶体蓄电池参数曲线表如下:
4.4组件设计选型
（1）倾角及方位角设计计算
光伏组件水平倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。
1）对于一年四季发电量要求基本均衡的情况，可以按以下方式选择组件倾角：
纬度0~25°倾角等于纬度
纬度26~40°倾角等于纬度加5~10°
纬度41~55°倾角等于纬度加10~15°
纬度>55°倾角等于纬度加15~20°
2）在我国大部分地区通常可以采用所在纬度加7°的组件水平倾角。
对于要求冬季发电量较多情况，可采用所在纬度加11°的组件水平倾角。
对于要求夏季发电量较多情况，可采用所在纬度减11°的组件水平倾角。
本离网发电系统位于北纬30°，考虑采用一年四季均衡发电模式，故组件倾角暂设为30°。
（2）阵列间距设计计算
光伏方阵前后两排间距或与前方遮挡物之间的间距设计：
光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距如果不合理设计，则会影响光伏系统的发电量，尤其在冬季。
光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。
计算公式为：
D=0.707H/tan〔arcsin（0.648cosΦ—0.399sinΦ）〕
——D：
前后间距；
Φ：
光伏系统所处纬度（北半球为正，南半球为负）；
H：
为后排光伏组件底边至前排遮挡物上边的垂直高度；
假设项目所出地理位置约为Φ=30°，则
D=0.707H/tan〔arcsin（0.648cos30°—0.399sinΦ30°）〕
=0.707H/tan〔arcsin（0.648×0.866—0.399×0.5）〕
=0.707H/tan〔arcsin（0.561—0.2）=0.707H/tan〔arcsin0.361〕
=0.707H/tan21.2°=0.707H/0.388=1.8H
（3）组件容量
本次离网光伏发电系统为5KW，可直接按5KW组件容量设计。
（4）组件选型及参数
组件暂考虑选用东莞市星火太阳能科技股份有限公司的单晶硅250W太阳能电池组件，型号为：
SFM250W，具体参数资料如下：
1）电性能参数：
2）组件参数：
太阳能电池片：
单晶硅156×156mm
电池片数量：
60（6×10）
外形尺寸：
1642×992×50 mm
重量：
19.8Kgs
玻璃：
3.2mm （0.13inches） 超白布纹钢化玻璃
边框：
所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强
接线盒：
IP65 rated
输出电缆：
4.0平方毫米（0.16 inches2）,长度：
0.9米（35.4英寸）
连接器：
国际通用MC4
（5）组件串并联设计
总组件数=光伏组件阵列容量/每个组件的最大容量
=5kW/250W=20
串联数=系统电压/组件电压
=220V/30.23V≈7.3
并联数=日均负载/（库伦效率×组件日输出×衰减因子）
=（11.6kWh/220V）/[0.9×（250W×4.2h/30.23V）×0.9]
≈52.73Ah/28.1Ah≈1.9
串并联根据系统电压电流计算，以及参考使用离网逆变器型号。
目前暂考虑
5kWp组件为20块250Wp的组件10串2并连接，系统开路电压为：
362V；短路电流为：
18.2A；工作电压为：
302V，工作电流为：
16.5A；
但由于组件实际工作温度的升高（60℃）将导致实际最大功率点工作电压的下降，下降系数为-0.43%/℃（-23.6V）；同时，辐照度在较低情况下（200W/m2以下），工作电压也随之下降，通常将为：
92%左右（-12.56V）；另外，加上线路及电器连接之间的电压降（-0.7V），实际工作电压会较接近蓄电池所需的充电电压，约为270~280V，充电电流为16.5A左右（小于恒压充电方式限流值：
2.5I10），为蓄电池较理想的恒压充电方式。
（6）校核计算
1）蓄电池与组件方阵设计的校核
蓄电池日放电深度＝日均负载/蓄电池组总容量
=（11.6kWh/220V）/200Ah≈0.26＜0.85（DOD）
因此蓄电池不会过放电；
2）组件方阵对蓄电池组的最大充电率
最大充电率＝蓄电池组总容量/组件阵列的峰值电流=（并联蓄电池数×蓄电池容量）/（并联组件数×组件峰值电流）
=200Ah/（8.27A×2）≈12.12h＞5.6h（蓄电池最大充电电流为：
60A）
因此光伏组件方阵对蓄电池的充电不会损坏蓄电池；
4.5离网逆变器设计选型
对于家用太阳能光伏电源系统，必须要有交流电力输出，需要在系统中加入交流逆变器，逆变器主功能是将直流电转化为50Hz交流电。
离网逆变器的输出波形畸变、频率误差等应满足相应技术要求。
此外，必须具有短路、过压、欠压保护等功能。
逆变器容量计算公式一：
逆变器容量=安全系数×（感性负载电流启动倍数×感性负载最大功率+电阻性负载功率）
=1.2×（2×1400W+3526W）≈7.6kW
——安全系数：
1.2~1.5取1.2；
节能灯、洗衣机为感性负载，启动电流2~5倍，这里取2；
逆变器容量计算公式二：
逆变器容量=负载总功率/0.8=4926W/0.8=6158W
本系统选用南京冠亚电源设备有限公司的单相216VDC系列GN-7.5KFS型离网逆变器，具体技术参数如下：
4.6控制器设计选型
控制器作为光伏发电系统的重要组成部分，对蓄电池的充、放电进行合理的管理，直接影响蓄电池的使用寿命，也将影响整个系统的稳定性。
控制器还需要具备以下功能：
高压断开和恢复、低压警告和恢复、低压断开和恢复、防短路保护、防反充保护、温度补偿以及定时开关功能。
控制器电流计算公式一：
电流=组件容量/系统电压=5kW/216V≈23.1A
控制器选定公式一：
蓄电池的输入电流=组件短路电流/保守率=18.2A/0.85=21.4A
本系统控制器可以南京冠亚电源设备有限公司的216VDC系列GS-50F，具体参数如下表：
因控制器具有2路光伏阵列输入接线端，因此可以省略汇流箱汇流接线，当然，如果处于更高级别的安全考虑，建议加装直流防雷汇流箱。
4.7交直流断路器
本系统直流侧如果不用汇流箱，则选用直流断路器代替，选用正泰公司的NB1Z-63C50型号交直流断路器；本系统交流侧选用同种型号单相交流断路器，
具体参数如下；
（1）瞬时脱扣器的形式：
（2）额定短路能力：
（3）机械电气寿命
（4）过电流保护特性：
（5）接铜导线：
（6）每极功耗：
4.8电缆设计选型
5kWp组件为20块250Wp的组件为10串2并连接，系统开路电压为：
362V；短路电流为：
18.2A；工作电压为：
302V，工作电流为：
16.5A；
（1）直流端：
1）光伏阵列每个并联组串回路与控制器之间：
采用2.5mm²铜导线，承受电流范围：
10A~15A；
2）控制器与蓄电池之间：
采用10mm²铜导线，承受电流范围：
50A~65A；
3）控制器与逆变器之间：
采用10mm²铜导线，承受电流范围：
50A~65A；
（2）交流端
1）一体逆变器与交流断路器之间：
采用10mm²铜导线，承受电流范围：
50A~65A；
2）一体逆变器与交流负载之间：
采用10mm²铜导线，承受电流范围：
50A~65A；
4.9方阵支架
因本离网发电系统为屋顶平铺设置，太阳能组件阵列支架采用屋顶导轨支架，支架倾角设为30度。
4.10配电室设计
由于离网发电系统有蓄电池及太阳能充放电控制器及交直流配电系统，建一座3~5平米的低压配电室就可以了，如果条件允许的话可以将离网发电系统逆变器单独放在一小隔间。
4.11接地及防雷
为了保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行，要对这套系统采取防雷措施。
主要有以下几个方面：
（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择附近土层较厚、潮湿的地点，挖一个2米深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用35mm²铜芯电缆，接地电阻应小于4Ω。
（2）在配电室附近建一避雷针，高10~15米，并单独做一地线，方法同上。
（3）接闪器可以采用12mm圆钢，如果采用避雷带，则使用圆钢或者扁钢，圆钢直径≥48mm，扁钢厚度不应该小于等于4mm。
（4）引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面不应该小于4mm²。
（5）太阳电池方阵电缆进入配电室的电压为DC220V，采用PVC管地埋，加防雷器保护。
此外电池板方阵的支架应保证良好的接地。
（6）离网逆变器交流输出线采用防雷箱一级保护（离网逆变器内有交流输出防雷器）。
（7）接地装置：
人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢；水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。
圆钢的直径不应该小于10mm，扁钢截面不应小于100mm²，角钢厚度不宜小于4mm，钢管厚度不小于3-5mm。
人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。
4.12数据采集检测系统
数据采集检测系统可以实现多个层次的监控：
光伏发电监控，远程控制、远程诊断、数据上传。
本地光伏发电监控系统实时监控光伏发电量、输出功率、逆变器功率。
监控环境温度、风速、光照强度等参数。
监控逆变器、温度传感器、功率质量测量仪等设备状态及设备报警。
提供丰富的VGA、LED显示功能、网络远程监控和自定义报表等高级功能。
支持工业标准RS485接口和MODBUS协议及设备自定义协议。
支持多种逆变器、智能电表、温度、光照、风速等设备。
本地光伏监控系统通过TCP/IP实时上传监控详细数据到在线监控平台。
用户通过浏览器实时了解远程运行情况，掌握电站设备详细运行参数，报警信息等。
五、设备配置清单及详细参数
序号
名称
供应商
规格
单位
数量
备注
1
太阳电池组件
东莞星火
250W单晶
块
20
2
光伏控制器
南京冠亚
GS-50F
台
1
3
离网逆变器
南京冠亚
GN-7.5KFS
台
1
4
蓄电池
天津蓝天
6-CNJ-200
只
18
12V/200Ah铅酸电池
5
交直流流断路器
正泰电器
NB1Z-63C50
只
2
交直流各一只
6
电线电缆
苏州宝兴
2.5mm²
米
100
苏州宝兴
10mm²
米
20
7
光伏支架
江阴聚鑫
米
8
数据采集系统
套
1
9
避雷器及接地设备
套
1
避雷针高10~15米
六、系统建设及施工
项目的施工包括：
配电室及太阳电池支架的基础制作、配电室，太阳电池支架制作安装、太阳能电池方阵的安装、电气设备的安装调试、离网系统的运行调试。
6.1施工顺序
基础及配电室土建施工——太阳电池支架制作安装——太阳电池方阵安装调试——电气仪表设备安装调试——离网运行调试——试运行——竣工验收。
6.2施工准备
（1）技术准备
技术准备是决定施工质量的关键因素，它主要进行以下几方面的工作：
1）先对实地进行勘测和调查，获得当地有关数据并对资料进行分析汇总，做出切合实际的工程设计。
2）准备好施工中所需规范，作业指导书，施工图册有关资料及施工所需各种记录表格。
3）组织施工队熟悉图纸和规范，做好图纸初审记录。
4）技术人员对图纸进行会审，并将会审中问题做好记录。
5）会同建设单位和设计部门对图纸进行技术交底，将发现的问题提交设计部门和建设方，并由设计部门和建设方做出解决方案（书面）并做好记录。
6）确定和编制切实可行的施工方案和技术措施，编制施工进度表
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