太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計第1頁/共34頁太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計第2頁/共34頁太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計分為軟件設計和硬件設計。且軟件設計先于硬件設計。軟件設計包括：負載的功率和用電量的統(tǒng)計和計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池組件、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設計，太陽能電池方陣安裝傾角的確定，系統(tǒng)運行情況的預測以及系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。

硬件設計包括：負載類型的確定和限制，太陽能電池組件和蓄電池的選型，太陽能電池方陣支架的設計，逆變器的選型和設計，以及控制、測量系統(tǒng)的選型和設計。對于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，還要有方陣場的設計、防雷接地的設計、配電系統(tǒng)的設計以及輔助或備用電源的選型和設計。軟件設計由于牽涉到復雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設計計算，一般是由計算機來完成的；在要求不太高的情況下，也可以采用估算的方法。第3頁/共34頁太陽能電站選址第4頁/共34頁太陽輻射太陽能電站選址太陽能光伏發(fā)電的全部能量來自太陽，因而太陽能電池方陣面上所獲得的輻射量決定它的發(fā)電量。太陽能電池方陣面上所獲的的輻射量多少與很多因素有關：當?shù)鼐暥龋０胃叨?，大氣透明度，一年當中四季的變化，一天當中時間的變化，到達地面的太陽輻射直、散分量的比例，地表面的反射系數(shù)，太陽能電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化，以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。第5頁/共34頁太陽能資源第6頁/共34頁類型

地區(qū)

年日照時數(shù)

1

西藏西部

新疆東南部

青海西部

甘肅西部

3200-3300

2

西藏東南部

新疆南部

青海東部

寧夏南部

3000-3200

甘肅中部

內(nèi)蒙古

山西北部

河北西北部3

新疆北部

甘肅東南部

山西南部

陜西北部

河北東南部

山東

河南

吉林

遼寧

2200-3000

云南

廣東南部

福建南部江蘇北部

安徽北部4

湖南

廣西

江西

浙江

湖北

福建北部

廣東北部

陜西南部

1400-2200

江蘇南部

安徽南部

黑龍江5

四川

貴州

1000-1400

第7頁/共34頁工程地質(zhì)需要地震稀少，具有較好的構造穩(wěn)定性巖土工程條件地基承載力，水、土腐蝕性太陽能電站選址第8頁/共34頁太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第9頁/共34頁光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算根據(jù)光伏電站內(nèi)太陽能資源狀況，目前光伏系統(tǒng)的選型主要根據(jù)制造水平、運行的可靠性，技術的成熟度和價格，并結合光伏電場的局部情況進行初步布置，計算其在標準狀況的理論發(fā)電量，最后確定技術方案。第10頁/共34頁光伏電池組件選型光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算2006年單晶硅、多晶硅和薄膜這三種電池所占的份額分別為：43.40%、46.50%和10.10%。第11頁/共34頁光伏并網(wǎng)逆變器選型光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算光伏并網(wǎng)逆變器可以分為大功率集中型逆變器和小型組串式逆變器兩種。小型組串式逆變器又可細分為有隔離變壓器和無隔離變壓器兩種，其中有隔離變壓器的效率略低。集中型逆變器的效率要高于小型組串式逆變器，且單位千瓦造價與小型組串式逆變器相比有明顯的優(yōu)勢。但小型組串式逆變器也有其優(yōu)點：當逆變器發(fā)生故障時，對于小型組串逆變器，只會影響所有連接到該逆變器的容量很少的電池組件的發(fā)電量，其余組件不受影響；而對于集中型逆變器，則有成百上千千瓦的電池組件的發(fā)電量都會受到影響第12頁/共34頁光伏方陣運行方式光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算光伏方陣的運行方式有簡單的固定式、傾角季度調(diào)節(jié)式和自動跟蹤式三種類型。自動跟蹤式又可分為“單軸跟蹤”、“雙軸跟蹤”兩種類型.固定式：光伏方陣固定安裝在支架上，一般朝正南方向放置，且有一定的傾角。傾角可根據(jù)當?shù)剌椛浜偷乩砦恢眠M行優(yōu)化選擇。第13頁/共34頁第14頁/共34頁光伏方陣運行方式光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算要求太陽能方陣在最佳傾角時，冬天和夏天輻射量的差異盡可能小，而全年總輻射量盡可能大，二者應當兼顧。這對于高緯度地區(qū)尤為重要。第15頁/共34頁城市緯度/最佳傾角城市緯度/最佳傾角哈爾濱45.68杭州30.23長春43.90南昌28.67沈陽41.77福州26.08北京39.80濟南36.68天津39.10鄭州34.72呼和浩特40.78武漢30.63太原37.78長沙28.20烏魯木齊43.78廣州23.13西寧36.75?？?0.03蘭州36.05南寧22.82銀川38.48成都30.67西安34.30貴陽26.58上海31.17昆明25.02南京32.00拉薩29.70合肥31.85我國部分主要城市的斜面最佳輻射傾角第16頁/共34頁傾角季度調(diào)節(jié)式：與固定式類似。不同之處，其方陣傾角設計成約15°～65°之間可以手動調(diào)節(jié)，一般設計成每10°一個檔位。在夏季，正午太陽高度角較大，方陣傾角可適當減?。欢诙緯r，正午太陽高角度較低，可通過提高傾角從而使得太陽光入射到方陣面上的入射角盡可能小。光伏方陣運行方式光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第17頁/共34頁單軸跟蹤式：它通過圍繞位于光伏方陣面上的一個軸旋轉(zhuǎn)來跟蹤太陽。該軸可以有任一方向，但通常取東西橫向，南北橫向，或平行于地軸的方向。最常見的是軸取為南北橫向，且有一定的傾角。光伏方陣運行方式光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第18頁/共34頁雙軸跟蹤器：它有兩個可以旋轉(zhuǎn)的軸，通過旋轉(zhuǎn)這兩個軸可使得方陣面始終和太陽光垂直，從而最大可能捕獲太陽能。光伏方陣運行方式光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第19頁/共34頁截止到2007年底，全球大型光伏電站中約有27%采用了自動跟蹤式，其余采用固定式。傾角季度調(diào)節(jié)式在大型光伏電站使用較少。傾角季度調(diào)節(jié)式與傾角設為最優(yōu)的固定式相比，年總發(fā)電量提高5%左右，考慮其造價的增加以及人力成本的增加，該運行方式并不經(jīng)濟。不同跟蹤方式在當?shù)貤l件下對發(fā)電量（與固定式相比）的影響不同。根據(jù)有關研究表明，單軸跟蹤比固定式發(fā)電量一般可提高15～25%，雙軸跟蹤比固定式發(fā)電量提高20～35%。目前，單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式的技術已經(jīng)較為成熟，但是價格較貴，一般來說，發(fā)電量的提高比例低于成本的增加比例，性價比較差；而國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)單軸跟蹤、雙軸跟蹤支架的廠家雖然目前報價較低，但由于缺乏大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和運行經(jīng)驗，存在一定商業(yè)和技術風險。目前國內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用固定式。光伏系統(tǒng)的選型太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第20頁/共34頁光伏系統(tǒng)的布置太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算前后排間距設計光伏陣列通常成排安裝，一般要求在冬至影子最長時，兩排光伏陣列之間的距離要保證上午9點到下午3點之間前排不對后排造成遮擋。在水平面垂直豎立的高為L的木桿的南北方向影子的長度為Ls，Ls/L的數(shù)值稱為影子的倍率。影子的倍率主要與緯度有關，一般來說緯度越高，影子的倍率越大。第21頁/共34頁D=Ls/L·H第22頁/共34頁太陽能電池板最低點距地面距離H’的選取主要考慮以下因素：●高于當?shù)刈畲蠓e雪深度●當?shù)氐暮樗弧穹乐箘游锲茐摹穹乐鼓嗪蜕碁R上太陽能電池板●H’增高會增加光伏陣列的土建成本綜合考慮以上因素，并結合國內(nèi)外的經(jīng)驗，H’取為0.5米光伏系統(tǒng)的布置太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第23頁/共34頁光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算光伏系統(tǒng)總效率計算1).光伏陣列效率η1:光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過程中的損失包括：●組件匹配損失:對于精心設計、精心施工的系統(tǒng)，約有4%的損失；●太陽輻射損失:包括組件表面塵埃遮擋及不可利用的低、弱太陽輻射損失，取值3%；●最大功率點跟蹤(MPPT)精度，取值2%；●直流線路損失:按有關標準規(guī)定，應小于3%.得：η1=96%×97%×98%×97%=88.5%2).逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2；●逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，對于大型并網(wǎng)逆變器，可取η2=97%.3).交流并網(wǎng)效率η3：●從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)點的傳輸效率,其中最主要的是變壓器的效率.可取η3=99%.第24頁/共34頁4).溫度對發(fā)電量的影響光伏電池組件只有在標準測試條件下，即：電池溫度25℃、垂直入射日照強度1000W/m2、太陽光譜等同于大氣質(zhì)量1.5的情況下，功率才能達到標定值。太陽電池隨著溫度的升高，功率會有所下降。光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算光伏系統(tǒng)總效率計算利用RETScreen軟件可估算環(huán)境溫度對發(fā)電量的影響。計算結果顯示，由環(huán)境溫度造成的發(fā)電量損失為ζ綜上，光伏系統(tǒng)總效率：η1*η2*η3*（1-ζ

）第25頁/共34頁光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算發(fā)電量計算利用RETScreen軟件計算發(fā)電量，基礎數(shù)據(jù)如下：1）代表年各月平均日輻射值數(shù)據(jù)2）多年月平均溫度3）光伏系統(tǒng)各部分效率4）安裝方式（固定式、跟蹤式）按電池組件效率在25年累計折減15%（每年衰減的百分比相同）計算，25年內(nèi)平均每年發(fā)電量。第26頁/共34頁蓄電池設計太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算蓄電池的設計思想是保證在太陽光連續(xù)低于平均值的情況下負載仍能正常工作。為了避免蓄電池的損壞，蓄電池的連續(xù)放電過程只能允許持續(xù)一定時間，直到蓄電池的荷電狀態(tài)到達指定的危險值。為了量化評估這種太陽光照連續(xù)低于平均值的情況，在進行蓄電池設計時，引入了自給天數(shù)這個概念，即系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下負載仍能正常工作的天數(shù)。一般來講，自給天數(shù)的確定與兩個因素有關：負載對電源的要求程度；光伏系統(tǒng)安裝地點的氣象條件，即最大連續(xù)陰雨天數(shù)。通常可以將光伏系統(tǒng)安裝地點的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設計中使用的自給天數(shù)，但是還要綜合考慮負載對電源的要求。第27頁/共34頁蓄電池設計太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算對于負載對電源要求不嚴格的的光伏應用，設計中通常取自給天數(shù)為3～5天。對于負載要求很嚴格的光伏應用系統(tǒng)，設計中通常取自給天數(shù)為7～14天。還要考慮光伏系統(tǒng)的安裝地點，如果在很遠的地區(qū)，必須設計較大的蓄電池容量，因為維護人員到達現(xiàn)場需要花費很長時間。光伏系統(tǒng)中使用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘電池荷鉛酸蓄電池，但是在較大系統(tǒng)中考慮技術成熟性和成本等因素，通常使用鉛酸蓄電池。第28頁/共34頁蓄電池設計太陽能光伏系統(tǒng)的選型、布置和發(fā)電量估算第一步，將每天負載需要的用電