《光伏發(fā)電系統(tǒng)集成》課件-項(xiàng)目三：家用光伏電站設(shè)計(jì)

2017年“一流應(yīng)用技術(shù)大學(xué)”建設(shè)項(xiàng)目國(guó)際化專業(yè)教學(xué)資源天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)2017年“一流應(yīng)用技術(shù)大學(xué)”建設(shè)項(xiàng)目成果匯報(bào)人：代用名日期：2018年11月項(xiàng)目三：家用光伏電站設(shè)計(jì)目錄任務(wù)提出任務(wù)解析光伏陣列離網(wǎng)逆變器1234支架系統(tǒng)576任務(wù)實(shí)施應(yīng)用案例

1任務(wù)提出

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)是指主要供給無(wú)電或缺電的家庭、小單位等所使用的小型離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于其具有靈活多樣、功率小、安裝方便的特點(diǎn)，既不占用額外土地，又有顯著的減排生態(tài)效益。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套家用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，地點(diǎn)為山西省太原市郊區(qū)。如圖1-1所示，該用戶離公共電網(wǎng)較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在居民屋頂上，能夠?qū)崿F(xiàn)白天發(fā)電儲(chǔ)能，供用戶自用。圖1-1屋頂光伏電站效果圖2任務(wù)解析

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、控制器、蓄電池、逆變器和交流負(fù)載等構(gòu)成。對(duì)于家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)用電設(shè)備，計(jì)算光伏陣列容量、蓄電池容量和配套電氣設(shè)備的選型。設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行細(xì)致的了解?？蛻粲?jì)劃裝機(jī)規(guī)模、投資額度、資金來(lái)源，安裝現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境、安裝面積、有否遮擋物以及對(duì)負(fù)載功率、供電方式、使用要求等情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)也是必須考慮的要素。圖1-2家用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3光伏陣列光伏陣列的定義熱斑效應(yīng)和光伏陣列中的二極管光伏陣列電路

工程上使用的光伏組件是太陽(yáng)能電池使用的基本單元，其輸出電壓和電流有限，有時(shí)需要把太陽(yáng)能光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)以得到更高的電壓和更大的電流。性能相一致的太陽(yáng)能光伏組件串聯(lián)時(shí)，電壓增加，電流不變：性能相一致的太陽(yáng)能光伏組件并聯(lián)時(shí)，電流增加，電壓不變。在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)需要將若干個(gè)光伏組件串聯(lián)、并聯(lián)連接而排列成陣列，這種陣列稱為太陽(yáng)能電池方陣（或光伏陣列），如圖1-4所示。

圖1—4太陽(yáng)能光伏陣列示意圖1.太陽(yáng)能電池組件的熱斑效應(yīng)

當(dāng)太陽(yáng)能電池組件或某一部分被鳥(niǎo)類、樹(shù)葉、陰影覆蓋的時(shí)候，被覆蓋部分不僅不能發(fā)電，還會(huì)被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)能電池組件的能量，引起局部發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能電池會(huì)造成破壞，嚴(yán)重的可能會(huì)使焊點(diǎn)熔化封裝材料破壞，甚至?xí)拐麄€(gè)組件失效。

圖1-5電池組件的熱斑效應(yīng)防2.旁路二極管和反充（防逆流）二極管圖1-6旁路二極管接法示意圖

旁路二極管也不是任何場(chǎng)合都需要的，當(dāng)組件單獨(dú)使用或并聯(lián)使用時(shí)，是不需要接二極管的。對(duì)于組件串聯(lián)數(shù)量不多且工作環(huán)境較好的場(chǎng)合，也可以考慮不用旁路二極管。1）旁路二極管

當(dāng)有較多的太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)組成電池方陣或電池方陣的一個(gè)支路時(shí)，需要在每塊電池板的正負(fù)極輸出端反向并聯(lián)1個(gè)（或2～3個(gè)）二極管，這個(gè)并聯(lián)在組件兩端的二極管就叫旁路二極管。旁路二極管一般都直接安裝在組件接線盒內(nèi)，根據(jù)組件功率大小和電池片串的多少，安裝1~3個(gè)二極管，如圖1-6所示。防反充二極管的作用之一是防止太陽(yáng)能電池組件或方陣不發(fā)電時(shí)，蓄電池的電流反過(guò)來(lái)向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會(huì)使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞；作用之二是在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送。2）防反充（防逆流）二極管

光伏陣列的基本電路由太陽(yáng)能電池組件串、旁路二極管、防反充二極管和帶避雷器的直流接線箱等構(gòu)成，常見(jiàn)電路形式有并聯(lián)方陣電路、串聯(lián)方陣電路和串、并聯(lián)混合方陣電路，如圖1-7所示。（a）并聯(lián)方陣（b）串聯(lián)方陣（c）串并聯(lián)混合方陣圖1-7光伏陣列基本電路示意圖4離網(wǎng)逆變器基本工作原理逆變器基本電路逆變器主要技術(shù)參數(shù)

在電力電子上，把直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱為逆變，它是整流的逆過(guò)程。把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為逆變?cè)O(shè)備或逆變器。逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。另外，相對(duì)于蓄電池直接提供的12V、24V或48V低壓直流電，220V輸出的交流電也可以提供更大的供電半徑。圖1-8光伏逆變器逆變器按輸出電壓波形的不同，可分為方波逆變器、階梯波逆變器和正弦波逆變器，方波和階梯波逆變器一般都用在小功率場(chǎng)合。

逆變器按輸出交流電壓的相數(shù)可分為單相逆變器、三相逆變器和正弦波逆變器。單相逆變器主要用于中小型的UPS系統(tǒng)，三相逆變器主要應(yīng)用于大中型的UPS系統(tǒng)，同時(shí)在大中型UPS中，為了消除方波電壓的諧波分量，則采用正弦波逆變器。逆變器按輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無(wú)源逆變器。將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變器；將逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載稱為無(wú)源逆變器。

以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明逆變器最基本的工作原理。單相橋式逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1-9（a）所示，是橋式電路的四個(gè)臂，由電力電子器件(功率半導(dǎo)體器件)及輔助電路組成。Ud

為輸入直流電壓，R為逆變器的輸出負(fù)載。工作原理如圖1-9（b）所示，設(shè)在0~T/2

期間VT1,

VT3導(dǎo)通，VT2,VT4斷開(kāi)；在T/2~T期間VT1,VT3斷開(kāi)，VT2,VT4導(dǎo)通。如此周期性重復(fù)上述過(guò)程，則在負(fù)載R上得到一交流方波電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)了將直流電壓URO變換成交流電壓。UR為方波，幅值為Ud

，頻率為f

=1/T,方波改變Ud和T的大小，就可以改變輸出交流電壓的大小和頻率。（a）原理電路；(b)工作波形圖1-9逆變電路原理及波形圖

逆變器的核心是通過(guò)逆變電路完成逆變的功能。逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下，將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路主要由濾波器、逆變橋、單相變壓器、繼電器組成，如圖1-11所示。圖1-11逆變電路組成

逆變器的基本電路可分為推挽式、半橋式和全橋式三種，雖然電路結(jié)構(gòu)不同，但工作原理類似。電路中都使用具有開(kāi)關(guān)特性的半導(dǎo)體功率器件，由控制電路周期性地對(duì)功率器件發(fā)出開(kāi)關(guān)脈沖控制信號(hào)，控制各個(gè)功率器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)過(guò)變壓器耦合升壓或降壓、整形濾波輸出符合要求的交流電。

一個(gè)周期內(nèi)，電力晶體管VT1和VT2的基極信號(hào)各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。輸出電壓uo

是周期為T3矩形波，其幅值為Ud/2

。當(dāng)負(fù)載為電阻R時(shí)，電流io=uo/R與uo一樣，也是180°寬的方波。輸出電壓、電流波形如圖1-14（c）所示。

如圖1-14所示，半橋式逆變電路由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)反向并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)互相串聯(lián)的足夠大的電容C1

和C2且滿足。圖1-14半橋式逆變電路原理圖1.半橋式逆變電路2.全橋式逆變電路

如圖1-16所示，單相全橋式逆變電路由直流電源Ud

，輸出變壓器T，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和二極管組成。VT1

和VT4構(gòu)成一對(duì)橋臂，VT2和VT3構(gòu)成一對(duì)橋臂。VT1,VT4與VT2,VT3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T2和T3

無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反之亦然，VT1和VT4

和VT3

各交替導(dǎo)通180°。二極管VD1

~VD4

是為感性負(fù)載續(xù)流的。如果在電路中不接入二極管，則在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間，會(huì)因電感的作用使其兩端呈現(xiàn)極高的電壓尖峰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿開(kāi)關(guān)管。圖1-16單相全橋式逆變電路1.額定輸出電壓

光伏逆變器在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，應(yīng)能輸出額定的電壓值，一般在額定輸出電為單相220V和三相380V時(shí)，電壓波動(dòng)偏差有如下規(guī)定。（1）在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，一般要求電壓波動(dòng)偏差不超過(guò)額定值的±5％；（2）在負(fù)載突變時(shí)，電壓偏差不超過(guò)額定值的±10%；（3）在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度不應(yīng)超過(guò)8%；（4）輸出的電壓波形（正弦波）失真度一般要求不超過(guò)5％；

2.負(fù)載功率因數(shù)負(fù)載功率因數(shù)大小表示了逆變器帶感性負(fù)載的能力，在正弦波條件下負(fù)載功率因數(shù)為0.7~0.9。3.額定輸出電流和額定輸出容量額定輸出電流是表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流，單位為A；額定輸出容量是指當(dāng)輸出功率因數(shù)為1（即純電阻性負(fù)載）時(shí)，逆變器額定輸出電壓和額定輸出電流的乘積，單位是kV·A或kW。額定輸出效率是指在規(guī)定的工作條件下，輸出功率與輸入功率之比，通常應(yīng)在70％以上。逆變器的效率會(huì)隨著負(fù)載的大小而改變，當(dāng)負(fù)載率低于20％和高于80％時(shí)，效率要低一些。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逆變器的輸出功率在大于等于額定功率的75％時(shí)，效率應(yīng)大于等于80％。

4.額定輸出效率5.過(guò)載能力過(guò)載能力是要求逆變器在特定的輸出功率條件下能持續(xù)工作一定的時(shí)間，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下。（1）輸入電壓與輸出功率為額定值時(shí)，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作4h以上；（2）輸入電壓與輸出功率為額定值的125%時(shí)，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作1min以上；（3）輸入電壓與輸出功率為額定值的150%時(shí)，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作10s以上。6.額定直流輸入電壓額定直流輸入電壓是指光伏發(fā)電系統(tǒng)中輸入逆變器的直流電壓，小功率逆變器輸入電壓一般為12V和24V，中、大功率逆變器電壓有24V，48V，110V，220V和500V等。7.額定直流輸入電流額定直流輸入電流是指太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為逆變器提供的額定直流工作電流。8.直流電壓輸入范圍

光伏逆變器直流輸入電壓允許在額定直流輸入電壓的90%~120%范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電壓的變化。逆變器中的開(kāi)關(guān)電路極容易產(chǎn)生電磁干擾，在鐵芯變壓器上因振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。因而在設(shè)計(jì)和制造中都必須控制電磁干擾和噪聲指標(biāo)，使之滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求。其噪聲要求是：當(dāng)輸入電壓為額定值時(shí)，在設(shè)備高度的1/2、正面距離為3m處用聲級(jí)計(jì)分別測(cè)量50％定負(fù)載和滿載時(shí)的噪聲應(yīng)小于等于65dB。9.電磁干擾和噪聲5支架系統(tǒng)支架分類安裝角度設(shè)計(jì)支架的安裝方式

光伏支架可以分為固定式、傾角可調(diào)式和自動(dòng)跟蹤式。自動(dòng)跟蹤支架可以分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。其中單軸跟蹤又可以細(xì)分為平單軸、斜單軸和方位角單軸跟蹤三種。

（1）桁架式固定支架桁架式固定支架為前后立柱形式，支架的主要零部件有前立柱、后立柱、橫梁、斜支撐、導(dǎo)軌和后支撐等，如圖1-18所示。這些部件一般采用C形鋼來(lái)制作。在某些場(chǎng)合，也有使用鋁合金材料來(lái)制作導(dǎo)軌。圖1-18桁架式固定支架桁架式固定支架受力形式明確、加工制作簡(jiǎn)單，適用于地形較為平坦的地區(qū)。1.固定式支架固定式支架安裝完成后傾角和方位角不能調(diào)整。固定式支架的結(jié)構(gòu)多樣，較為常用的有桁架式、單排立柱、單立柱三種。（2）單排立柱固定支架單排立柱支架只有一排基礎(chǔ)，節(jié)省土建工程量、對(duì)地表的擾動(dòng)相對(duì)桁架式支架要小，因此在國(guó)外應(yīng)用較多。這種支架的主要零部件有立柱、斜支撐、橫梁和導(dǎo)軌等，如圖1-19所示。其中，立柱可以采用C形鋼、H形鋼或方鋼管等材料，斜支撐、橫梁和導(dǎo)軌可以采用C形鋼等材料。由于只有單排基礎(chǔ)，因此這種支架對(duì)地形的適應(yīng)能力比桁架式固定支架強(qiáng)。

圖1-19單排立柱固定支架（3）單立柱固定支架單立柱支架就是支架只有一個(gè)立柱。由于只有一個(gè)立柱，單套支架上可以布置的光伏組件數(shù)量通常較少。這種支架的主要零部件有立柱、縱梁、橫梁和導(dǎo)軌等，如圖1-20所示。其中立柱可采用預(yù)制水泥管樁，管樁頂部留有預(yù)埋件；縱梁和橫梁由于懸挑較多，一般采用方鋼管；導(dǎo)軌采用C形鋼或鋁合金。這種支架主要用于地下水位較高的沿海灘涂地區(qū)，支架立柱采用打樁機(jī)打人，施工速度較快。圖1-20單立柱固定支架2.傾角可調(diào)式支架

固定式支架的傾角是不可調(diào)節(jié)的，而傾角可調(diào)式支架的傾角則可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。為了使傾角可以調(diào)節(jié)，支架一般圍繞某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到某個(gè)預(yù)定的角度時(shí)，用螺栓等零件固定起來(lái)，如圖1-21所示。傾角可調(diào)支架一般按季度調(diào)節(jié)，傾角一般設(shè)為三擋，最大傾角按冬季（11月至次年1月）接收到的總輻射量最大來(lái)確定，中間傾角按春季（2月至4月）和秋季（8月至10月）接收到的總輻射量最大來(lái)確定，最小傾角則按夏季（5月至7月）接收到的總輻射量最大來(lái)確定。傾角可調(diào)式支架一般為單排立柱結(jié)構(gòu)，為了便于傾角調(diào)整，單個(gè)支架可安裝的光伏組件數(shù)量不能太多，通常安裝的組件數(shù)量正好構(gòu)成一個(gè)組串。圖1-21傾角可調(diào)節(jié)支架

（1）單軸跟蹤支架單軸跟蹤又分為平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架和方位角單軸跟蹤支架。平單軸跟蹤支架是指支架圍繞一根水平方向的軸跟蹤太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，這個(gè)水平的軸可以是南北方向也可以是東西方向。軸向?yàn)槟媳狈较驎r(shí)的發(fā)電量較高，因此平單軸跟蹤支架的軸一般為南北方向。這種支架的最大特點(diǎn)是采用連桿將若干排支架連接起來(lái)，用單個(gè)電動(dòng)推桿推動(dòng)若干排支架同步旋轉(zhuǎn)，如圖1-22所示。圖1-22平單軸跟蹤支架3.跟蹤式支架

跟蹤式支架分為單軸跟蹤支架和雙軸跟蹤支架。

斜單軸跟蹤支架是指一種圍繞一根南北向傾斜的軸旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽(yáng)的支架，如圖1-23所示。在中高緯度地區(qū)，與平單軸跟蹤系統(tǒng)相比，斜單軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量有較大幅度的提高。當(dāng)然，由于旋轉(zhuǎn)軸呈傾斜狀態(tài)，斜單軸跟蹤支架的造價(jià)也高于平單軸支架。斜單軸跟蹤支架一般采用三點(diǎn)式支撐結(jié)構(gòu)，具體的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制方法也有很多種。

圖1-23斜單軸跟蹤支架

方位角單軸跟蹤支架可以看成是將一個(gè)固定式支架安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的基座上構(gòu)成的，如圖1-24所示。這種支架在跟蹤時(shí)，方陣面與水平面的夾角保持不變，變化的是方陣面的方位角。

圖1-24方位角單軸跟蹤支架（2）雙軸跟蹤支架雙軸跟蹤支架可以看成是一個(gè)傾角可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的支架安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的基座上，如圖1-25所示。所謂雙軸，就是指支架可以沿2個(gè)獨(dú)立的軸旋轉(zhuǎn)，一般一個(gè)軸可以使支架的方位角自由旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)軸可以使支架的傾角自由旋轉(zhuǎn)。這樣，雙軸跟蹤支架始終可以保持與太陽(yáng)光線垂直，是所有跟蹤支架中發(fā)電量最高的。

圖1-25雙軸跟蹤支架太陽(yáng)能電池組件的方位角與傾斜角選定是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最重要的因素之一。1)太陽(yáng)電池組件（方陣）的方位角太陽(yáng)電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽(yáng)電池單位容量的發(fā)電量最大。如果受太陽(yáng)電池設(shè)置場(chǎng)所如屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時(shí)，則應(yīng)考慮與它們的方位角一到，以求充分利用現(xiàn)有的地形和有效面積，并盡量避開(kāi)周圍建、構(gòu)筑物或樹(shù)木等產(chǎn)生的陰影。只要在正南±20°之內(nèi)，都不會(huì)對(duì)發(fā)電量有太大影響，條件允許的話，應(yīng)盡可能偏西南20°之內(nèi)，使太陽(yáng)能發(fā)電量的峰值出現(xiàn)在中午稍過(guò)后某時(shí)，這樣有利冬季多發(fā)電。有些太陽(yáng)能光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)正南方向太陽(yáng)電池鋪設(shè)面積不夠大時(shí)，也可將太陽(yáng)電池鋪設(shè)在正東、正西方向。

2)太陽(yáng)電池組件（方陣）的傾斜角傾斜角是地平面（水平面）與太陽(yáng)電池組件之間的夾角。傾斜角為0°時(shí)表示太陽(yáng)電池組件為水平設(shè)置，傾斜角為90°時(shí)表示太陽(yáng)能電池組件為垂直設(shè)置。太陽(yáng)電池傾斜角的選擇最理想的傾斜角是使太陽(yáng)電池年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小時(shí)的傾斜角。一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鰹楫?dāng)?shù)靥?yáng)電池組件安裝的傾斜角。當(dāng)然如果能夠采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行太陽(yáng)能傾斜角的優(yōu)化計(jì)算，使兩者能夠兼顧就更好了，這對(duì)于高緯度地區(qū)尤為重要。

如果沒(méi)有條件對(duì)傾斜角進(jìn)行計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽(yáng)能電池的傾斜角：緯度為0°~25°時(shí)，傾斜角等于緯度；緯度為26°~40°時(shí)，傾斜角等于緯度加上5°~10°；緯度為41°~55°時(shí)，傾斜角等于緯度加上10°~15°；緯度為55°以上時(shí)，傾斜角等于緯度加上15°~20°。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮照顧冬天，按冬天時(shí)能得到最大發(fā)電量的傾斜角確定，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥冉嵌却笠恍?。而?duì)于主要為光伏水泵、制冷空調(diào)等夏季負(fù)載供電的光伏系統(tǒng)，則應(yīng)考慮為夏季負(fù)載提供最大發(fā)電量，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌刃∫恍?.屋頂類支架的安裝

屋頂類支架的安裝要根據(jù)不同的屋頂結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于斜面屋頂可設(shè)計(jì)與屋頂斜面平行的支架，支架的高度離屋頂面10cm左右，以利于太陽(yáng)能電池組件的通風(fēng)散熱，也可以根據(jù)最佳傾斜角角度設(shè)計(jì)成前低后高的支架，以滿足電池組件的太陽(yáng)能最大接收量。平面屋頂一般要設(shè)計(jì)成三角形支架，支架傾斜面角度為太陽(yáng)電池的最佳接收傾斜角，三種支架設(shè)計(jì)示意如圖1-26所示。圖1-26屋頂支架設(shè)計(jì)示意圖2.地面方陣支架的安裝地面用光伏方陣支架安裝方式可采用固定式、可調(diào)式和自動(dòng)跟蹤式等。地面安裝的方陣支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度，滿足光伏方陣靜載荷(如積雪重量)和動(dòng)載荷(如臺(tái)風(fēng))的要求，保證方陣安裝安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角鋼和槽鋼制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基礎(chǔ)，方陣組件排列有橫向排列和縱向排列兩種方式。橫向排列一般每列放置3～5塊電池組件，縱向排列每列放置2～4塊電池組件。支架具體尺寸要根據(jù)所選用的電池組件規(guī)格尺寸和排列方式確定。圖1-30為光伏陣列地面固定安裝實(shí)例。圖1-30光伏陣列地面固定安裝實(shí)例2.地面方陣支架的安裝地面用光伏方陣支架安裝方式可采用固定式、可調(diào)式和自動(dòng)跟蹤式等。地面安裝的方陣支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度，滿足光伏方陣靜載荷(如積雪重量)和動(dòng)載荷(如臺(tái)風(fēng))的要求，保證方陣安裝安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角鋼和槽鋼制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基礎(chǔ)，方陣組件排列有橫向排列和縱向排列兩種方式。橫向排列一般每列放置3～5塊電池組件，縱向排列每列放置2～4塊電池組件。支架具體尺寸要根據(jù)所選用的電池組件規(guī)格尺寸和排列方式確定。圖1-30為光伏陣列地面固定安裝實(shí)例。圖1-30光伏陣列地面固定安裝實(shí)例6任務(wù)實(shí)施系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)與基本原則蓄電池的選型與計(jì)算控制器的選型逆變器的選型支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源及氣象地理?xiàng)l件，綜合考慮各種因素和技術(shù)條件。在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下，盡量減少太陽(yáng)電池和蓄電池的容量，以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。設(shè)計(jì)思路如圖1-32所示。圖1-32家用光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的配置、選型之前，要充分了解用電負(fù)載的特性。確定負(fù)載是單相電還是三相電，是直流電還是交流電，負(fù)載總功率、用電同時(shí)率、工作時(shí)間，負(fù)載是感性還是阻性。根據(jù)負(fù)載特性可將負(fù)載分為以下幾類，見(jiàn)圖1-33。圖1-33負(fù)載特性分類

1.用電需求分析

當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)要為多路不同的負(fù)載供電時(shí)，就需要先把各路負(fù)載的日耗電量計(jì)算并合計(jì)出總耗電量，然后以當(dāng)?shù)胤逯等照諏?shí)數(shù)為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)總耗電量時(shí)要對(duì)臨時(shí)負(fù)荷的接入及預(yù)期負(fù)荷的增長(zhǎng)有預(yù)測(cè)，留出5%~10%的余量。表1-2為本項(xiàng)目中的家用電器耗電統(tǒng)計(jì)，負(fù)載中包括了感性負(fù)載和阻性負(fù)載。表1-2家用電器耗電情況統(tǒng)計(jì)電器名稱功率(W)工作時(shí)長(zhǎng)(h)數(shù)量用電量（W·h)冰箱15051臺(tái)750電視15031臺(tái)450空調(diào)120032臺(tái)2000節(jié)能燈1525盞150熱水器150011臺(tái)1000電飯煲65011臺(tái)650電腦30041臺(tái)1200合計(jì)

6200

設(shè)計(jì)之前，不論對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，還是光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，最基本的工作之一就是從以下三個(gè)方面了解光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要用到的相關(guān)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目地點(diǎn)是山西省太原市。太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，于華北地區(qū)黃河流域中部，地理位置處于東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′。太原市屬溫帶季風(fēng)性氣候，年平均降雨量456毫米，年平均氣溫9.5℃，一月份最冷，平均氣溫6.8℃；7月份最熱，平均氣溫23.5℃。全年日照時(shí)數(shù)2808小時(shí)，屬于太陽(yáng)能資源較豐富區(qū)域。

2.當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件

圖1-34住宅屋頂類型項(xiàng)目中用戶將光伏電站建在屋頂上，屋頂為平面屋頂。

目前陣列安裝位置有在地面上和屋項(xiàng)上兩種，由于一般發(fā)電量不大，屋頂?shù)拿娣e可滿足用戶的要求，同時(shí)滿足節(jié)約集約用地的需求，屋頂式安裝的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。住宅用的屋項(xiàng)有山墻形、四坡到頂?shù)榷喾N，如圖1-34所示。

3.陣列安裝位置的設(shè)計(jì)對(duì)于家庭電站，采用一種以峰值日照實(shí)數(shù)為依據(jù)的多路負(fù)載計(jì)算方法。在離網(wǎng)（獨(dú)立）光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求而定。負(fù)載電壓要求越高，系統(tǒng)電壓也應(yīng)盡量高。當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有12V直流負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)電壓最好選擇24V、48V或以上，這樣可以使系統(tǒng)直流電路部分的電流變小。系統(tǒng)電壓越高，系統(tǒng)電流就越小，從而可以使系統(tǒng)及線路損耗變小。項(xiàng)目中用戶的用電負(fù)載沒(méi)有12V直流負(fù)載，根據(jù)以上原則，較高的系統(tǒng)電壓可以使直流電路的電流較小，減少損耗，因此設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電壓為48V。

（1）系統(tǒng)電壓確定①根據(jù)總耗電量，利用公式計(jì)算出太陽(yáng)能電池組件（方陣）需要提供的發(fā)電。這里系統(tǒng)的效率系數(shù)包括：系統(tǒng)效率系數(shù)包括：蓄電池的充電效率，一般取0.9；交流逆變器的轉(zhuǎn)換效率，一般取0.85；太陽(yáng)電池組件功率衰降、線路損耗、塵埃遮擋等的綜合系數(shù)，一般取0.9。這些系數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。②根據(jù)太陽(yáng)電池組件(方陣)的發(fā)電電流，用下列公式計(jì)算其總功率：

電池方陣總功率P=方陣發(fā)電電流×系統(tǒng)直流電壓×系數(shù)1.43（2）電池方陣功率計(jì)算:負(fù)載日耗電量（w●h)系統(tǒng)直流電壓×峰值日照時(shí)數(shù)（h)×系統(tǒng)效率

方陣發(fā)電電流（A)=系數(shù)1.43是太陽(yáng)電池組件峰值工作電壓與系統(tǒng)工作電壓的比值。例如，為12v系統(tǒng)工作電壓充電的太陽(yáng)電池組件的峰值電壓為17～17.5v，為24v系統(tǒng)工作電壓充電的峰值電壓為24V×1.43=34.2V（項(xiàng)目一中介紹過(guò)蓄電池和充電電壓的關(guān)系）。太陽(yáng)電池組件功率=組件峰值電流×組件峰值電壓，因此為方便計(jì)算用系統(tǒng)工作電壓乘以1.43就是該組件或整個(gè)方陣的峰值電壓近似值。

根據(jù)表1-3統(tǒng)計(jì)的日耗電量，考慮增加5%的預(yù)期負(fù)載余量，并確定使用系統(tǒng)工作電壓為48V的逆變器，查詢太原市峰值日照實(shí)數(shù)按照4.83小時(shí)計(jì)算，代入公式計(jì)算如下：方陣發(fā)電電流I：

I=（6200Wh×1.05）/（48V×4.83h×0.9×0.85×0.9）=40.78A計(jì)算太陽(yáng)能電池方陣的總功率P：P=40.78A×48V×1.43=2779.14W參數(shù)峰值功率300W峰值電壓36V開(kāi)路電壓43.2V峰值電流8.33A短路電流9.17A最大系統(tǒng)電壓1000VDC(IEC)/600VDC(UL)表1-4多晶硅電池組件參數(shù)（3）組件選型與陣列確定在本項(xiàng)目中地點(diǎn)在太原市需要兼顧轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)成本等因素?？紤]到多晶硅電池相對(duì)于晶體硅電池具有成本低，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，而非晶電池成本低，但是效率較低，同等發(fā)電功率方陣則需占用較大面積，本項(xiàng)目中家用光伏電站需要占用屋頂面積，因此選擇多晶硅電池組件，其參數(shù)如表1-4所示。

系統(tǒng)工作電壓確定為48V，系統(tǒng)的組件串聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)工作電壓×1.43/組件的峰值電壓。因此選擇2塊組件串聯(lián)，得到每串組件電壓為72V，功率為600W。系統(tǒng)的組件并聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)總功率/每串組件功率，代入計(jì)算得到2779.14W/600W=4.63，所以并聯(lián)數(shù)目應(yīng)該選擇5個(gè)并聯(lián)數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)總功率=并聯(lián)數(shù)目×串聯(lián)數(shù)目×單塊電池組件功率，計(jì)算得到5×2×300W=3000W。系統(tǒng)配置為300W多晶硅組件10塊，光伏方陣容量為3kW。1.蓄電池容量設(shè)計(jì)

蓄電池容量的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽(yáng)光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。在蓄電池容量設(shè)計(jì)時(shí)需要引入一個(gè)不可缺少的參數(shù)--自給天數(shù)，在設(shè)計(jì)中常取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為3～5天；對(duì)于負(fù)載對(duì)電源要求很嚴(yán)格的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中常取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為7、14天。