太阳能光伏发电系统设计思路.docx

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太阳能光伏发电系统设计思路

太阳能光伏发电设计思路

摘要：

简要介绍太阳能光伏发电系统设计思路和组成光伏系统器件选型方法，分析和研究太阳能光伏发电的热点和核心技术。

前言：

当今世界，能源是促进经济发达与社会进步的原动力。

目前所使用之主要能源为化石能源，然而其蕴藏量有限，且在开发过程造成空气污染、环境破坏，积极开发低污染及低危险性的新能源乃为迫切需要。

太阳能发电是指太阳能光伏发电，光伏发电是利用半导光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种发电技术。

太阳光能是一种非常理想的干净、安全且随处可得的清洁能源，因此各国均不断地研发各种相关技术，藉以提高系统发电效率并降低发电成本，推广普及使用太阳能。

第一部分太阳能电池发电系统原理

太阳能电池发电系统（又称光伏发电系统），从大类上分为独立（离网）和并网光伏发电系统两大类。

目前应用比较广泛的光伏发电系统，主要是在偏远地区可以作为独立的电源使用，也可以与风力发电机或柴油机等组成混合发电系统，在城市太阳能光伏建筑集成并网发电得到了快速发展，光伏发电与建筑一体化是太阳能光伏与建筑的完美结合，属于分布式发电的一种。

它能够减少电网用电，大大减轻公共电网的压力，就近向电网输送电力。

1.1独立的电源使用（光伏离网发电系统）

太阳能光伏组件组成太阳电池方阵，在阳光充足情况下，一方面给负载供电（直流负载，若交流负载需要逆变器），另一方面给蓄电池组充电，晚上依靠蓄电池组放电供负载使用（如下图示意）。

图1-1直流负载光伏发电示意图

在方阵工作时，阻塞二极管防止向电池方阵反充电，止逆二极管两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0.60.8V；肖特基或锗管0.3V左右。

（一般选择压降小的）

光伏发电系统的规模依用户要求而异，按负载增加配置。

1.1.1简单的直流供电系统

图1-2简单直流的光伏水泵系统

1.1.2带蓄电池的直流（交流）供电系统

图1-3直流负载的太阳能光伏系统

如果有交流负载，还需要1逆变器将直流电变为负载需要的交流电。

1.1.3市电互补光伏发电系统

当然我们可以选用双向逆变器，在独立的光伏发电系统中以太阳能发电为主，以普通220V交流市电为补充电能。

图1-4交流及交、直流混合光伏发电系统

以上方案仅供参考。

1.2并网光伏发电系统

所谓并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后，直接接入公共电网。

考虑到太阳能光伏发电的固有特点，节约投资，省略蓄电池组并减少充、放电转换带来的损耗，当今世界太阳能发电有80﹪是并网发电，限于编者能力、资料来源和篇幅有限，主要介绍太阳能光伏并网发电系统集成（其他知识请查阅相关资料）。

1.3光伏发电与建筑一体化

1.3.1光伏发电屋顶结构和光伏玻璃幕墙结构

把分装好的光伏组件，根据用户现场不同的供电负荷的需要，设计、配置安装太阳能光伏发电系统。

在城市将太阳能光伏发电与建筑装饰结合起来，安装在建筑物屋顶或光伏幕墙，是光伏发电系统与建筑装饰美化联用一体化解决方案的典范。

第二部分太阳能光伏发电系统的容量设计

主要介绍太阳能光伏发电系统的整体配置与设计，即各种电力电子设备、部件的配置选型和相关附属设施的设计。

2.1光伏发电系统的设计方案

光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则。

做到既能保证光伏系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的太阳能电池组件功率，协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益。

2.1.1与设计相关的因素和技术条件

1）系统用电负载的特性

由于用途不同，耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各不相同。

有的用电设备有固定的耗电规律，这些因素相当复杂，原则上需要对每个发电系统单独进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数来进行估量。

2）当地太阳能辐射资源及气象地理条件

太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱，光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，因此在设计太阳能光伏发电系统时，应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照数、连续阴雨天数及最低气温、冰雹等。

2.1.2太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角

最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小，一般取当地纬度或当地纬度加几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。

当然如果能够采用计算机辅助设计软件优化设计。

根据当地纬度初略确定太阳能电池的倾斜角：

纬度为0°～25°时，倾斜角等于纬度；

纬度为26°～40°时，倾斜角等于纬度加上5°～10°；

纬度为41°～55°时，倾斜角等于纬度加上10°～15°；

纬度为55°以上时，倾斜角等于纬度加上15°～20°；

2.1.3太阳能电池组件及方阵的设计方法

太阳能电池组件的设计原则是要满足平均天气条件（太阳辐射量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。

1）根据各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率，根据计算结果选配或定制相应功率的电池组件，进而得到电池组件的外形尺寸和安装尺寸；另一种方法是选定尺寸符合要求的电池组件，根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数据，结合各种数据进行设计计算，在计算中确定电池组件的串、并联数及总功率。

2）基本计算方法：

电池组件的并联数＝负载日平均用电量（Ah）/组件日平均发电量（Ah）

其中，

组件日平均发电量＝组件峰值工作电流（A）×峰值日照时数（h）

电池组件的串联数＝系统工作电压（V）×系数1.43／组件峰值工作电压（V）

电池组件（方阵）总功率（W）＝组建并联数×组件串联数×选定组件峰值输出功率（W）

A设计时要考虑造成组件功率衰降的各种因素按10％的损耗，交流逆变器转换效率的损失也按10％计算。

B蓄电池充电损耗5％～10％

3）实用计算公式：

电池组件的并联数＝负载日平均用电量（Ah）／组件日平均发电量（Ah）×逆变器效率系数

电池组件的串联数＝系统工作电压（V）×系数1.43／组件峰值工作电压（V）

电池组件（方阵）总功率（W）＝组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）

2.1.4蓄电池和蓄电池组的设计方法

蓄电池的任务是在太阳能辐射不足时，保证系统负载的正常用电。

蓄电池的设计主要包括蓄电池容量和串、并联组合设计。

1）蓄电池容量＝负债日平均用电量（Ah）×连续阴雨天数／最大放电深度

平均放电率（h）＝连续阴雨天数×负载工作时间／最大放电深度

负载工作时间＝∑负载功率×负载工作时间／∑负载功率

2）实用蓄电池容量计算公式：

蓄电池容量＝负载日平均用电量（Ah）×连续阴雨天数×放电率修正系数／最大放电深度×低温修正系数

蓄电池串联数＝系统工作电压／蓄电池标称电压

蓄电池并联数＝蓄电池总容量／蓄电池标称容量

2.1.5其他简易计算公式和设计方法

太阳能电池组件功率＝〔用电器功率（W）×用电时间（h）／当地峰值日照时数（h）〕×损耗系数

蓄电池容量（Ah）＝〔用电器功率（W）×用电时间（h）／系统电压（V）〕×连续阴雨天数（h）×系统安全系数

2.1.6并网光伏（光伏建筑一体化）发电系统容量的设计与计算

1）光伏方阵发电量的计算

年发电量（KWh）＝当地年总辐射能（KWh／m2）×光伏方阵面积（m2）×电池组件转换效率×修整系数

即：

P＝H×Aק×K

A-光伏建筑一体化发电光伏组件占用的屋顶、受光外墙立面有效面积；

§-组件转换效率，单晶硅18﹪，多晶硅组件16﹪；

修正系数K＝K1×K2×K3×K4×K5

其中K1为太阳能电池长期运行性能衰降修正系数，一般取0.8；K2为灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正，取0.82；K3为线路损耗修正，取0.95；K4为逆变器效率，一般取0.85，也可根据逆变器厂商提供技术参数确定；K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数，具体参数查表。

2）根据负载耗电量计算光伏方阵的面积

光伏组件（方阵）面积＝年耗电总量／当年总辐射能×电池组件转换效率×修正系数

A＝P／Hק×K

2.1.7太阳能辐射能量的换算

1、）太阳能辐射能量不同单位之间的换算

1卡（cal）＝4.1868焦（J）＝1。

16278毫瓦时（mWh）

1千瓦时（KWh）＝3.6兆焦（MJ）

1千瓦时／米平方（KWh/m2）=3.6兆焦/米平方（MJ/m2）=0.36千焦/厘米平方（KJ/cm2）

100毫瓦时/厘米平方（mWh/cm2）=85.98卡/厘米平方（cal/cm2）

1兆焦/米平方（MJ/m2）=23.889卡/厘米平方（cal/cm2）=27.8毫瓦时/厘米平方（mWh/cm2）

2、）太阳能辐射能量与峰值日照时数之间的换算

辐射能量换算成峰值日照系数：

a.当辐射量的单位为卡/厘米平方时，则：

年峰值日照小时数=辐射量×0.0116（换算系数）例如：

某地年水平面辐射量139千卡/厘米2（kcal/m2）,电池组件倾斜面上的辐射量152.5千卡/厘米2（kcal/cm2）,则年峰值日照小时数为：

152500卡/厘米2（cal/cm2）×0.0116=1769h,峰值日照时数=1769÷365=4.85h.

b.当辐射量的单位为兆焦/米平方（MJ/m2）时，则：

年峰值日照小时数=辐射量÷3.6（换算系数）例如：

某地年水平辐射量为5497.27兆焦/米2（MJ/m2）,电池组件倾斜面上的辐射量为副348。

82兆焦/米2（MJ/m2）,则年峰值日照小时数为：

6348。

82（MJ/m2）÷3.6=1763.56h,峰值日照时数=1763。

56÷365=4.83h.

c.当辐射量的单位为千瓦时/米2（KWh/m2）时，则：

峰值日照小时数=辐射量÷365例如：

北京年水平面辐射量为1547.31千瓦时/米2（KWh/m2）,电池组件倾斜面上的辐射量为1828.55千瓦时/米2（KWh/m2）,则峰值日照小时数为：

1828.55（KWh/m2）÷365=5.01h

d.当辐射量的单位为千焦/厘米2（KJ/cm2）时，则：

年峰值日照小时数=辐射量÷0.36（换算系数）例如：

拉萨年水平面辐射量为777.49千焦/厘米2（KJ/cm2），电池组件倾斜面上的辐射量为881.51千焦/厘米2（KJ/cm2），则年峰值日照小时数为：

881.51（KJ/cm2）÷0.36=2448.64h，峰值日照时数=2448.64h÷365=6.71h

第三部分太阳能光伏发电系统的整体配置与相关设计

详细叙述太阳能光伏发电系统设计的原则、步骤和内容，以及光伏发电系统设计应考虑的整体配置和选型设计要求和设计规范，主要包括光伏组件、光伏控制器、交流逆变器、组件支架及固定方式确定与基础设计、直流汇流箱、所用电缆、交流配电系统、监控和测量系统等。

太阳能发电系统的配置构成：

2.2设计步骤

决定光伏发电系统配置和连接方式，每一组光伏电池组件的电流和电压太阳电池进行适当的串、并联，组成相应电压等级的光伏发电系统；由于太阳的方位角和高度角每日每时都在作周期性的变化。

一个完善的太阳电池发电系统需要考虑很多因素，进行各种设计，如电气性能设计、热力设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等等，最主要的是根据使用要求，决定太阳电池方阵和蓄电池规模，以满足正常工作的需求；光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳电池组件，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。

2.2.1决定方阵发电量的因素

1．光照条件：

。

2．太阳电池方阵的光电转换效率：

由于转换效率受到电池本身的温度和太阳光强、蓄电池电压浮动等因素的影响，因而方阵的输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。

2.2.2太阳电池发电系统的设计步骤

1）列出基本数据

所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等。

当地的地理位置：

包括地名、经度、纬度、海拔等。

当地的气象资料：

主要有逐月平均太阳总辐射量，直接辐射及散射量，年平均气温及极端气温，最长连续阴雨天数、最大风速及冰雹等特殊气候情况。

这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。

只要根据算出的太阳电池方阵的电压及功率，参照生产厂家提供的太阳电池组件的性能参数，选取合适的型号即可，根据安装面积和规格尺寸排列组合安装光伏组件阵列。

ElectricalspecificationsofSST230-60PPolycrystallinesolarmodule

Type

SST230-60P

Electricaltypicaldata

Pmpp[Wp]

230

Voc[V]

36.7

Isc[A]

8.54

Vmpp[V]

29.4

Impp[A]

7.83

Practicalmoduleefficiency

15.75%

Maximumsystemvoitag[V]

1000

Voltagetemperaturecoefficients

-0.36%/K

Currenttemperaturecoefficients

+0.03%/K

Powertemperaturecoefficients

-0.53%/K

Seriesfuserating[A]

15

Cells

6×10piecespolycrystallinesolarcellsseriesstrings（156mm×156mm）

Junctionbox

with6bypassdiodes

Cable

length900mm,1×4mm2

Frontglass

Whitetoughenedsafetyglass,3.2mm

Cellencapsulation

EVA（Ethylene-Vinyl-Acetate）

Back

compositefilm

Frame

Anodisedaluminiumprofile

Dimensions

1640×990×50mm（L×W×H）

Maximumsurfaceloadcapacity

testedupto2,400PaaccordingtoIEC61215

Hail

maximumdiameterof25mmwithimpactspeedof23m·s-1

Temperaturerange

–40°Cto+85°C

2）根据客户要求和系统规模合理设计配电系统；