家用分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計

家用分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計摘要：太陽能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。目前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目，方便接入就近接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的用戶供電。從發(fā)電入網(wǎng)角度出發(fā)，根據(jù)家庭用電情況可以給出系統(tǒng)施工要求、設(shè)計方法以及光伏組件、逆變器的選擇等。關(guān)鍵詞：太陽能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)前言太陽能是一種重要的，可再生的清潔能源，是取之不盡用之不竭、無污染、人類能夠自由利用的能源。太陽每秒鐘到達地面的能量高達50萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)變率5%,每年發(fā)電量可達5.6X1012kWh,相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。從長遠來看，太陽能的利用前景最好，潛力最大。近30年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)和市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展,成為快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。本文簡單地闡述了家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法和施工要求,僅供參考。太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀太陽能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)（簡稱PV技術(shù)）。太陽能光伏發(fā)電不僅可以部分代替化石燃料發(fā)電，而且可以減少CO2和有害氣體的排放，防止地球環(huán)境惡化,因此發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護之間矛盾的最佳途徑之一。目前發(fā)達國家如美國、德國、日本的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域從航天、國防、轉(zhuǎn)向了民用,如德國的“百萬屋頂計劃”使許多家庭不僅利用太陽能光伏發(fā)電解決了自家供電,而且這些家庭還辦成了一所所私人的“小型電站”,能夠源源不斷地為公用電網(wǎng)提供電能。近幾年,我國光伏行業(yè)發(fā)展也非常迅速。國家對光伏發(fā)電較為重視,國家和地方政府相繼出臺了一些列的補貼政策以促進光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國家發(fā)改委實施“送電到鄉(xiāng)”、“光明工程”等惠農(nóng)項目,地方政府也陸續(xù)啟動了光伏照明項目工程。與此同時,偏遠地區(qū)消費者逐漸認可光伏產(chǎn)品,越來越多的居民開始使用家用太陽能電源產(chǎn)品。光伏應(yīng)用市場發(fā)展較為迅速。但目前我國的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和國外相比還有很大差距,主要表現(xiàn)為技術(shù)水平較低、電池效率低、成本高。因此我國還必須不斷改進技術(shù),使我國的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)更上新臺階。分布式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件半導(dǎo)體材料的“光伏”效應(yīng),將太陽光的輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。它的規(guī)?？纱罂尚?在發(fā)電過程中不會排放污染物質(zhì),具有安裝方便,沒有噪音,整個壽命期間幾乎無需維護等優(yōu)點。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為兩大類,一類是太陽能光伏發(fā)電獨立系統(tǒng),另一類是太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng),本文只講述后者。太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括太陽能光伏組件、光伏匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)型逆變器和交流配電柜等,家用并網(wǎng)型分布式光伏系統(tǒng)由于規(guī)模不大,匯流箱和交直流配電柜都用不到,整體框架如圖1所示。

圖1太陽能光伏發(fā)電井網(wǎng)系統(tǒng)本文涉及的家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為小型分布式光伏系統(tǒng)，因此在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮實際情況，一般應(yīng)遵循經(jīng)濟適用原則，可靠性高、牢固耐用、容易維護、充分考慮地理和氣候環(huán)境的影響。安裝地點選擇家庭分布式光伏系統(tǒng)的選址一般可選擇在自家屋頂或空地上，需要考慮的條件就是可使用面積、房屋結(jié)構(gòu)和承重要求、地面基礎(chǔ)情況和氣象水文條件等。若選擇安裝在自家屋頂上，屋面承重能力必須大于20kg/m2。房屋房梁如果是木質(zhì)結(jié)構(gòu)的話就不要考慮了，光伏系統(tǒng)使用年限長達25年，木質(zhì)房梁易腐壞，建議不要進行安裝。若在人字結(jié)構(gòu)屋頂建設(shè)太陽能光伏電站，不能像地面電站那樣設(shè)計最佳傾角，并且考慮前后遮擋間距。為了便于光伏組件和屋頂結(jié)合，一般都在屋面上直接平鋪支架，北半球鋪朝南面，南半球鋪朝北面，這樣方可最大效率利用光能。支架與屋頂采用夾具連接，電池組件再安裝于支架上。這種方式不僅美觀，而且可以實現(xiàn)屋頂面積利用最大化，見圖2。在平頂結(jié)構(gòu)屋頂建設(shè)太陽能光伏電站，需要架設(shè)光伏支架和設(shè)計最佳傾角和組件前后間距，見圖3。若選擇安裝在自家空地上，可以采用錨樁和混凝土條基做支架基礎(chǔ)，見圖4和圖具體選哪種則需要從地質(zhì)情況和成本綜合考慮了。另外，支架基礎(chǔ)強度的設(shè)計還要以當(dāng)?shù)貧庀髼l件做依據(jù)。圖冷錨帶甚礎(chǔ)圖5水泥條基礎(chǔ)需要注意一點，考慮到組件的熱脹冷縮效應(yīng)，安裝時上下左右組件之間的間隔要達到3cm左右為佳。家用分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計光伏組件目前使用較多的兩種太陽能電池板是單晶硅和多晶硅太陽電池組件。目前主流的組件是250Wp多晶硅太陽電池組件我國太陽能資源分布情況如下一類地區(qū)年日照3200?3300小時，輻射量7500?9250MJ/m2。青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地。二類地區(qū)年日照3000?3200小時，輻射量5850?7500MJ/m2。河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。此區(qū)為我國太陽能資源較豐富區(qū)。三類地區(qū)年日照2200?3000小時，輻射量5000?5850MJ/m2。山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇中北部和安徽北部等地。四類地區(qū)年日照1400?2200小時，輻射量4150?5000MJ/m2。長江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區(qū)。五類地區(qū)全年日照時數(shù)約1000?1400小時，輻射量3350?4190MJ/m2。四川、貴州兩省。此區(qū)是我國太陽能資源最少的地區(qū)。結(jié)合現(xiàn)在的光伏發(fā)電技術(shù)，1kWp的多晶硅太陽能電池組件五類區(qū)域年發(fā)電量大致如下：地區(qū)LkWp發(fā)電量(kW-h)一類地區(qū)1666—2055二夷地區(qū)1300—1666三類地區(qū)1111-1300四類地區(qū)922-1111五類地區(qū)744—922用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的安裝地點和自己年用電量情況來合理選擇裝機規(guī)模。光伏組件陣列安裝朝向和角度如果安裝地點是平面，則要計算光伏支架的傾角，北半球朝南，南半球相反?？紤]到跟蹤系統(tǒng)雖然能提高系統(tǒng)效率，但需要維護，而且會增加故障率，再結(jié)合費用、實用性等因素，家庭分布式光伏系統(tǒng)采用固定的光伏方陣較好。從氣象站得到的資料，均為水平面上的太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進行發(fā)電量的計算。對于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關(guān)，較簡便的輻射量計算經(jīng)驗公式為：RB=SX[sin(a+B)/sina]+D式中：RB——傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量S——水平面上太陽直接輻射量D——散射輻射量a——中午時分的太陽高度角B——光伏陣列傾角根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑奶柲茌椛鋽?shù)據(jù)，按上述公式可以計算出不同傾斜面的太陽輻射量，確定太陽能光伏陣列安裝傾角。現(xiàn)在用得很多的是利用RETScreen軟件來分析不同傾角是斜面上的輻照度，再根據(jù)組件的相關(guān)參數(shù)計算出不同傾角的年發(fā)電量，最后取年發(fā)電量最大所對應(yīng)的傾角。太陽電池方陣間距計算計算當(dāng)太陽能電池組件子陣前后安裝時的最小間距D。一般確定原則：冬至當(dāng)天早9:00至下午3:00太陽能電池組件方陣不應(yīng)被遮擋。并網(wǎng)逆變器的選擇選型并網(wǎng)逆變器主要分高頻變壓器型、低頻變壓器型和無變壓器型三大類。根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)以及業(yè)主的具體要求，主要從安全性和效率兩個層面來考慮變壓器類型。家用分布式光伏系統(tǒng)是小系統(tǒng)，不需要很高的技術(shù)指標(biāo)，逆變器不帶隔離變壓器時，能源轉(zhuǎn)換效率更高,再結(jié)合成本等因素，選擇無變壓器型較為合理。容量匹配設(shè)計并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中要求電池陣列與所接逆變器的功率容量相匹配，一般的設(shè)計思路是：組件標(biāo)稱功率X組件串聯(lián)數(shù)X組件并聯(lián)數(shù)=電池陣列功率在容量設(shè)計中，并網(wǎng)逆變器的最大輸入功率應(yīng)近似等于電池陣列功率，已實現(xiàn)逆變器資源的最大化利用。MPP電壓范圍與電池組電壓匹配根據(jù)太陽能電池的輸出特性，電池組件存在功率最大輸出點，并網(wǎng)逆變器具有在特點輸入電壓范圍內(nèi)自動追蹤最大功率點的功能，因此電池陣列的輸出電壓應(yīng)處于逆變器MPP電壓范圍以內(nèi)。電池組件電壓X組件串聯(lián)數(shù)=電池陣列電壓一般的設(shè)計思路是電池陣列的標(biāo)稱電壓近似等于并網(wǎng)逆變器MPP電壓的中間值，這樣可以達到MPPT的最佳效果。最大輸入電流與電池組電流匹配電池組陣列的最大輸出電流應(yīng)小于逆變器最大輸入電流。為了減少組件到逆變器過程中的直流損耗，以及防止電流過大對逆變器造成過熱或電氣損壞，逆變器最大輸入電流值與電池陣列的電流值的差值應(yīng)盡量大一些。電池組件短路電流X組件并聯(lián)數(shù)=電池陣列最大輸出電流轉(zhuǎn)換效率并網(wǎng)逆變器的效率標(biāo)示一般分最大效率和歐洲效率，通過加權(quán)系數(shù)修正的歐洲效率更為科學(xué)。逆變器在其它條件滿足的情況下，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)越高越好。接入方案電氣接線圖本方案主要適用于自發(fā)自用/余量上網(wǎng)（接入用戶電網(wǎng)）的家用光伏電站系統(tǒng)，見圖。首先需要在家庭戶內(nèi)配電箱內(nèi)安裝一臺微型式斷路器和一臺具有雙向計量功能的智能電能表。通過該空氣開關(guān)控制接入電網(wǎng)，增加一個明顯的開斷點，滿足自動斷開、閉鎖功能，低電壓失電要求，符合電網(wǎng)安全運行要求；雙向計量功能的智能電能表精度不低于2.0級，作為計量關(guān)口。其次，需要在并網(wǎng)交流配電箱內(nèi)安裝一臺精度不低于2.0級的計量多功能表，作為校核電能表，電能表電流電壓回路接線接入低壓側(cè)盡量回路。iM.ZHhU'iKiP.一IF?抻?ill口瓶他卻圖6電氣主接線圖光伏電纜的選型光伏系統(tǒng)中電纜的選擇主要考慮如下因素：1）電纜的絕緣性能；2）電纜的耐熱阻燃性能；3）電纜的防潮，防光；4）電纜的敷設(shè)方式；5）電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）；6）電纜的大小規(guī)格。光伏系統(tǒng)中不同的部件之間的連接，因為環(huán)境和要求的不同，選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術(shù)要求：1）組件與組件之間的連接：必須進行測試，耐熱90℃，防酸，防化學(xué)物質(zhì)，防潮，防曝曬。電纜使用在戶外，直接暴露在陽光下，光伏系統(tǒng)的直流部分應(yīng)選用耐氧化、耐高溫、耐紫外線的電纜。2）方陣內(nèi)部和方陣之間的連接：可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝曬。建議穿管安裝，導(dǎo)管必須耐熱90℃。3）方陣和逆變器之間的接線：必須進行測試，耐熱90℃，防酸，防化學(xué)物質(zhì)，防潮，防曝曬。電纜使用在戶外，直接暴露在陽光下，光伏系統(tǒng)的直流部分應(yīng)選用耐氧化、耐高溫、耐紫外線的電纜。電纜大小規(guī)格設(shè)計，必須遵循以下原則：1）交流負載的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。變器的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。方陣內(nèi)部和方陣之間的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍。2）考慮溫度對電纜的性能的影響。3）考慮電壓降不要超過2％。4）適當(dāng)?shù)碾娎|尺徑選取基于兩個因素，電流強度與電路電壓損失。防雷設(shè)計為了保證本工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導(dǎo)致系統(tǒng)器件的損壞等情況發(fā)生，系統(tǒng)的防雷接地裝置必不可少。太陽能光伏電站為三級防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面：1、盡量避免避雷針的投影落到光伏組件上2、地線是避雷、防雷的關(guān)鍵。防止雷電感應(yīng)：包括設(shè)備、機架、金屬管道、電纜的金屬外皮都要可靠接地，每件金屬物品都要單獨接到接地干線，不允許串聯(lián)后再接到接地干線上。維護檢修設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用與維護的好壞直接影響著系統(tǒng)的使用壽命，影響著系統(tǒng)的運行成本和發(fā)電效率。一般情況下，無需對太陽能電池組件進行表面清潔處理，但對暴露在外的接線接點要進行定期檢查，維護。遇有大風(fēng)、暴雨、冰雹、大雪等情況，應(yīng)采取措