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导语:上期专题主要介绍了太阳能光伏系统的原理和分类,本期专题将详细解读太阳能光伏系统的设计。太阳光伏系统的设计主要分为软件设计和硬件设计。软件设计包括负载的功率、用电量的统计和计算,太阳能电池方阵面辐射量的计算,组件、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计等。硬件设计包括负载类型的确定和限制,太阳能电池组件和蓄电池的选型,电池方阵支架的设计等。
一、光伏系统软件设计
1.目的
光伏系统软件设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的数量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系,在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。光伏系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型,支架设计,逆变器的选择,电缆的选择,控制测量系统的设计,防雷设计和配电系统设计等。在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。
针对不同类型的光伏系统,软件设计的内容也不一样。独立系统,并网系统和混合系统的设计方法和考虑重点都会有所不同。并网系统是目前发展最为迅速的太阳能光伏应用方式。随着光伏建筑一体化的飞速发展,各种各样的光伏并网发电技术都得到了广泛的应用。光伏并网发电包括如下几种形式:纯并网光伏系统;具有UPS功能的并网光伏系统;并网光伏混合系统。本专题仅以并网系统为例介绍其设计方法。
2.并网光伏系统软件设计
在进行光伏系统的设计之前,需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据: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。

我国太阳能辐射分布图

2.1 确定最佳倾角
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,尤其对于是现在发展迅速的光伏建筑一体化(BIPV)工程,组件倾角的选择还要考虑建筑的美观度,需要根据实际需要对倾角进行小范围的调整,而且这种调整不会导致太阳辐射吸收的大幅降低。

2.2 确定蓄电池的容量
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。
除了上述系统外,还有并网光伏混合系统。它不仅使用太阳能光伏发电,还使用其他能源形式,比如风力发电机、柴油机等。这样可以进一步的提高负载保障率。系统是否使用蓄电池,要据实际情况而定。太阳电池组件的容量同样取决于客户的投资规模。

二.光伏系统的硬件设计

光伏系统设计中除了蓄电池容量和太阳电池组件大小设计之外,还要考虑如何选择合适的系统设备,如何选择合乎系统需要的太阳电池组件、蓄电池、逆变器(带有交流负载的系统)、控制器、电缆、汇线盒、组件支架、柴油机/汽油机(光伏油机混合系统)、风力发电机(风光互补系统),对于大型太阳能光伏供电站,还包括输配电工程部件如变压器、避雷器、负荷开关、空气断路器、交直流配电柜,以及系统的基础建设、控制机房的建设和输配电建设等问题。上述各种设备的选取需要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、客户的要求等因素。

1组件选型
目前商业化较为成功的光伏组件根据材料和工艺的不同分为几大类,市场应用率相对较高的有如下两大类:晶体硅(单晶,多晶);薄膜电池(非晶硅,CIS,CdTe,HIT等)。

单晶组件

非晶组件

多晶组件

1.1组件选型的要点
1.颜色与质感;2.强度与抗变形的能力;3.寿命与稳定性;4.发电效率;5.尺寸和形状;6.组件价格;7.环境友好度。

1.2组件相关标准
光伏电池组件的设计、制造、安装、试验和性能符合以下国家标准、国际标准标准中有不一致时按较高标准执行:
• GB/T9535-1998 地面用晶体硅光伏组件――设计鉴定和定型
• GB/T2296-2001 光伏电池型号命名方法
• GB/T6495.1-1996 光伏器件光伏电流--—电压特性的测量
• GB/T6495.2-1996 光伏器件标准光伏电池的要求
• GB/T6495.3-1996 光伏器件地面用光伏器件的测量原理以及标准光谱辐照度数据
• GB/T6495.4-1996 晶体硅光伏器件的I-V实测特性的温度和辐照度修正方法
• GB/T6495.5-1996 光伏器件用开路电压法确定光伏(PV)器件的等效电池温度(ECT)
• GB/T6495.8-2002 光伏器件第8部分:光伏器件光谱响应的测量
• GB/T18912-2002 光伏组件盐雾腐蚀试验
• IEC61215 晶体硅光伏组件设计鉴定和定型Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules-Design qualification and type approval.
• IEC61730.1 光伏组件的安全性构造要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 1: Requirements for construction.
• IEC61730.2 光伏组件的安全性测试要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 2: Requirements for testing.
• IEC61829 晶体硅光伏(PV)方阵IV特性的现场测量Crystalline silicon photovoltaic (PV) array -On – site measurement of I-V characteristics

2支架选择

水泥地基

直接埋地

地扦固定

水泥墩

简单地埋

3逆变器选择
集中式:对于大型并网光伏系统,采用大型的集中式三相逆变器,其主要优点是:安装简单,维护方便;效率较高;初始成本比较低;输出电能质量较高。其主要缺点是:一旦故障,造成大面积的光伏系统停用。

主从结构:集中式结构的一种,大型的光伏系统有时候采用2~3个集中型逆变器,总功率 被几个逆变器均分,在辐射低的时候,一个逆变器工作,这样效率较高,当辐射升高,超过一个逆变器的工作上限,其他的逆变器开始工作。为了保证逆变器的工作量均等,主—从逆变器经常轮换。

集中式系统图

主从结构图

分布式:将有同样朝向,倾角和无阴影的组件串成一串,由一串或者几串构成一个子阵列,安装一台较小的逆变器。通常是单相逆变器。其主要优点是:减少了组件的相互串并联的线缆长度,尤其是直流主电缆的长度,可降低成本;逆变器可以安装在光伏组件的旁边,有利于合理布线;在有些情况下可以省略汇线盒,降低成本;可以对光伏系统进行分片的维修。

带逆变器组件:一个组件对应一个逆变器。实际上是组件和逆变器作为一个整体单元,也称为AC modules。其优缺点是:逆变器针对单个组件达到性能的最优化;逆变器可以很快的扩容;目前在BIPV上得到了应用;成本较高,无法大规模应用; 效率相对较低。

分布式结构图

4监控系统的功能
4.1数据采集
(1)可同时采集不同厂家的光伏逆变器数据,包括目前市面上主流的逆变器厂家,如:SMA、Danfoss、Sanyo、Fronius、合肥阳光等。
(2)每10秒钟采集一次光伏逆变器的数据,包括直流端功率、电流、电压;交流端功率、电流、电压;每10秒钟收集一次辐照仪、风速传感器、环境温度传感器、组件温度传感器的数据。
4.2数据处理
分别计算每个系统实时发电功率、日发电量、日减排二氧化碳量、累计发电量、累计减排二氧化碳量;全部系统总的实时发电功率、日发电量、日减排二氧化碳量、累计发电量、累计减排二氧化碳量。
4.3远程监视
监视器可以通过Internet远距离表示逆变器的运行状态。当逆变器发生故障无通讯时,监视器可以识别,并传输至网络,用户可以通过Internet远程操作,访问监视器。

5电缆的选取
系统中电缆的选择主要考虑如下因素:电缆的绝缘性能;电缆的耐热阻燃性能;电缆的防潮,防光;电缆的敷设方式;电缆芯的类型(铜芯,铝芯);电缆的大小规格。

光伏系统中不同的部件之间的连接,因为环境和要求的不同,选择的电缆也不相同。以下分别列出不同连接部分的技术要求:
(1)组件与组件之间的连接,必须进行UL测试,耐热90℃,防酸,防化学物质,防潮,防曝晒。
(2)方阵内部和方阵之间的连接,可以露天或者埋在地下,要求防潮、防曝晒。建议穿管安装,导管必须耐热90℃。
(3)蓄电池和逆变器之间的接线,可以使用通过UL测试的多股软线,或者使用通过UL测试的电焊机电缆。
(4)室内接线(环境干燥),可以使用较短的直流连线。

电缆大小规格设计,必须遵循以下原则:
(1)蓄电池到室内设备的短距离直流连接,选取电缆的额定电流为计算电缆连续电流的1.25倍。
(2)交流负载的连接,选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。
(3)逆变器的连接,选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。
(4)方阵内部和方阵之间的连接,选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。
(5)考虑温度对电缆的性能的影响。
(6)考虑电压降不要超过2%。
(7)适当的电缆尺径选取基于两个因素,电流强度与电路电压损失。完整的计算公式为:
线 损  =  电流  ×  电路总线长  ×  线缆电压因子
式中线缆电压因子可由电缆制造商处获得。

6接地和防雷设计
(1)防直击雷设计:太阳能光伏阵列的金属支架及其它金属构件均应与屋面避雷带或防雷引下线可靠连接。
防感应雷设计:为防止感应雷给系统设备造成损坏,一般情况下在以下地方安装防雷保护装置;
直流汇线盒:为保护逆变器不受直流系统引入的感应雷破坏,在直流汇线盒内安装直流防雷器,采用性能良好的防雷保护模块串接断路器再并入主电路的正负极。
交流配电柜:为保护逆变器不受市电引入感应雷破坏,在交流配电柜内安装防雷器,采用交流防雷器串接断路器再并入三相交流输出线上,同时防雷器接地端与PE线连接。

(2)接地系统:交流系统建议采用TN-S系统;交流部分均设有专用保护接地线;所有电气设备正常不带电金属外壳均应可靠接地;光伏太阳能电站接地系统与建筑内其它接地系统共用同一接地体,联合接地体接地电阻应不大于0.5欧姆。
三、国内外光伏电站

德国奔驰公司的50kWpBIPV系统

日本户用BIPV光伏系统

青岛火车站BIPV光伏系统(外视)

北京南站BIPV光伏系统

美国大型荒漠电站

徐州20MWp光伏电站

注:本专题内容引用源包括中山大学太阳能系统研究所孙韵琳博士所著光伏系统设计相关资料,在此表示衷心的感谢!

 
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