太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)（二）

導(dǎo)語(yǔ)：
上期專題主要介紹了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的原理和分類，本期專題將詳細(xì)解讀太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。太陽(yáng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括負(fù)載的功率、用電量的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，組件、蓄電池用量的計(jì)算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。硬件設(shè)計(jì)包括負(fù)載類型的確定和限制，太陽(yáng)能電池組件和蓄電池的選型，電池方陣支架的設(shè)計(jì)等。

一、光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1.目的
        光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要目的就是要計(jì)算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽(yáng)電池組件和蓄電池的數(shù)量。同時(shí)要注意協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本兩者之間的關(guān)系，在滿足系統(tǒng)工作的最大可靠性基礎(chǔ)上盡量地減少系統(tǒng)成本。光伏系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要目的是根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的硬件設(shè)備包括太陽(yáng)電池組件的選型，支架設(shè)計(jì)，逆變器的選擇，電纜的選擇，控制測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防雷設(shè)計(jì)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮系統(tǒng)的軟件和硬件兩個(gè)方面。
針對(duì)不同類型的光伏系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容也不一樣。獨(dú)立系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和考慮重點(diǎn)都會(huì)有所不同。并網(wǎng)系統(tǒng)是目前發(fā)展最為迅速的太陽(yáng)能光伏應(yīng)用方式。隨著光伏建筑一體化的飛速發(fā)展，各種各樣的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。光伏并網(wǎng)發(fā)電包括如下幾種形式：純并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；具有UPS功能的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)光伏混合系統(tǒng)。本專題僅以并網(wǎng)系統(tǒng)為例介紹其設(shè)計(jì)方法。

2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
        在進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，需要了解并獲取一些進(jìn)行計(jì)算和選擇必需的基本數(shù)據(jù)：光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔；該地區(qū)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。

2.1 確定最佳傾角
        并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)有著與獨(dú)立光伏系統(tǒng)不同的特點(diǎn)，在有太陽(yáng)光照射時(shí)，光伏供電系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)電，而在陰雨天或夜晚光伏供電系統(tǒng)不能滿足負(fù)載需要時(shí)又從電網(wǎng)買電。這樣就不存在因傾角的選擇不當(dāng)而造成夏季發(fā)電量浪費(fèi)、冬季對(duì)負(fù)載供電不足的問題。在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中唯一需要關(guān)心的問題就是如何選擇最佳的傾角使太陽(yáng)電池組件全年的發(fā)電量最大。通常該傾角值為當(dāng)?shù)氐木暥戎怠?br/>對(duì)于上述并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的任何一種形式，最佳傾角的選擇都是需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，需要考慮太陽(yáng)電池組件安裝地點(diǎn)的限制，尤其對(duì)于是現(xiàn)在發(fā)展迅速的光伏建筑一體化（BIPV）工程，組件傾角的選擇還要考慮建筑的美觀度，需要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)傾角進(jìn)行小范圍的調(diào)整，而且這種調(diào)整不會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)輻射吸收的大幅降低。

2.2 確定蓄電池的容量
        目前很多的并網(wǎng)系統(tǒng)采用具有UPS功能的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用了蓄電池，所以在停電的時(shí)候，可以利用蓄電池給負(fù)載供電，還可以減少停電造成的對(duì)電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)蓄電池的容量可以選擇比較少，因?yàn)樾铍姵刂皇窃陔娋W(wǎng)故障的時(shí)候供電，考慮到實(shí)際電網(wǎng)的供電可靠性，蓄電池的自給天數(shù)可以選擇1-2天，該系統(tǒng)通常使用雙向逆變器處于并行工作模式。
除了上述系統(tǒng)外，還有并網(wǎng)光伏混合系統(tǒng)。它不僅使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，還使用其他能源形式，比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)等。這樣可以進(jìn)一步的提高負(fù)載保障率。系統(tǒng)是否使用蓄電池，要據(jù)實(shí)際情況而定。太陽(yáng)電池組件的容量同樣取決于客戶的投資規(guī)模。


二．光伏系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了蓄電池容量和太陽(yáng)電池組件大小設(shè)計(jì)之外，還要考慮如何選擇合適的系統(tǒng)設(shè)備，即如何選擇合乎系統(tǒng)需要的太陽(yáng)電池組件、蓄電池、逆變器（帶有交流負(fù)載的系統(tǒng)）、控制器、電纜、匯線盒、組件支架、柴油機(jī)/汽油機(jī)（光伏油機(jī)混合系統(tǒng)）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)），對(duì)于大型太陽(yáng)能光伏供電站，還包括輸配電工程部件如變壓器、避雷器、負(fù)荷開關(guān)、空氣斷路器、交直流配電柜，以及系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)、控制機(jī)房的建設(shè)和輸配電建設(shè)等問題。上述各種設(shè)備的選取需要綜合考慮系統(tǒng)所在地的實(shí)際情況、系統(tǒng)的規(guī)模、客戶的要求等因素。

1組件選型
       目前商業(yè)化較為成功的光伏組件根據(jù)材料和工藝的不同分為幾大類，市場(chǎng)應(yīng)用率相對(duì)較高的有如下兩大類：晶體硅（單晶，多晶）；薄膜電池（非晶硅，CIS，CdTe，HIT等）。

1.1組件選型的要點(diǎn)
        1.顏色與質(zhì)感；2.強(qiáng)度與抗變形的能力；3.壽命與穩(wěn)定性；4.發(fā)電效率；5.尺寸和形狀；6.組件價(jià)格；7.環(huán)境友好度。

1.2組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
        光伏電池組件的設(shè)計(jì)、制造、安裝、試驗(yàn)和性能符合以下國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中有不一致時(shí)按較高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：
? GB/T9535-1998 地面用晶體硅光伏組件――設(shè)計(jì)鑒定和定型
? GB/T2296-2001 光伏電池型號(hào)命名方法
? GB/T6495.1-1996 光伏器件光伏電流--—電壓特性的測(cè)量
? GB/T6495.2-1996 光伏器件標(biāo)準(zhǔn)光伏電池的要求
? GB/T6495.3-1996 光伏器件地面用光伏器件的測(cè)量原理以及標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度數(shù)據(jù)
? GB/T6495.4-1996 晶體硅光伏器件的I－V實(shí)測(cè)特性的溫度和輻照度修正方法
? GB/T6495.5-1996 光伏器件用開路電壓法確定光伏（PV）器件的等效電池溫度（ECT）
? GB/T6495.8-2002 光伏器件第8部分：光伏器件光譜響應(yīng)的測(cè)量
? GB/T18912-2002 光伏組件鹽霧腐蝕試驗(yàn)
? IEC61215 晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules-Design qualification and type approval.
? IEC61730.1 光伏組件的安全性構(gòu)造要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 1: Requirements for construction.
? IEC61730.2 光伏組件的安全性測(cè)試要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 2: Requirements for testing.
? IEC61829 晶體硅光伏（PV）方陣IV特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量Crystalline silicon photovoltaic (PV) array -On – site measurement of I-V characteristics


2支架選擇


4監(jiān)控系統(tǒng)的功能
4.1數(shù)據(jù)采集
（1）可同時(shí)采集不同廠家的光伏逆變器數(shù)據(jù)，包括目前市面上主流的逆變器廠家，如：SMA、Danfoss、Sanyo、Fronius、合肥陽(yáng)光等。
（2）每10秒鐘采集一次光伏逆變器的數(shù)據(jù)，包括直流端功率、電流、電壓；交流端功率、電流、電壓；每10秒鐘收集一次輻照儀、風(fēng)速傳感器、環(huán)境溫度傳感器、組件溫度傳感器的數(shù)據(jù)。
4.2數(shù)據(jù)處理
分別計(jì)算每個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)電功率、日發(fā)電量、日減排二氧化碳量、累計(jì)發(fā)電量、累計(jì)減排二氧化碳量；全部系統(tǒng)總的實(shí)時(shí)發(fā)電功率、日發(fā)電量、日減排二氧化碳量、累計(jì)發(fā)電量、累計(jì)減排二氧化碳量。
4.3遠(yuǎn)程監(jiān)視
監(jiān)視器可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)距離表示逆變器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)逆變器發(fā)生故障無(wú)通訊時(shí)，監(jiān)視器可以識(shí)別，并傳輸至網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程操作，訪問監(jiān)視器。

5電纜的選取
        系統(tǒng)中電纜的選擇主要考慮如下因素：電纜的絕緣性能；電纜的耐熱阻燃性能；電纜的防潮，防光；電纜的敷設(shè)方式；電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）；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?yàn)榄h(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(jìn)行UL測(cè)試，耐熱90℃，防酸，防化學(xué)物質(zhì)，防潮，防曝曬。
（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）蓄電池和逆變器之間的接線，可以使用通過(guò)UL測(cè)試的多股軟線，或者使用通過(guò)UL測(cè)試的電焊機(jī)電纜。
（4）室內(nèi)接線（環(huán)境干燥），可以使用較短的直流連線。

        電纜大小規(guī)格設(shè)計(jì)，必須遵循以下原則：
（1）蓄電池到室內(nèi)設(shè)備的短距離直流連接，選取電纜的額定電流為計(jì)算電纜連續(xù)電流的1.25倍。
（2）交流負(fù)載的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。
（3）逆變器的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。
（4）方陣內(nèi)部和方陣之間的連接，選取的電纜額定電流為計(jì)算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍。
（5）考慮溫度對(duì)電纜的性能的影響。
（6）考慮電壓降不要超過(guò)2％。
（7）適當(dāng)?shù)碾娎|尺徑選取基于兩個(gè)因素，電流強(qiáng)度與電路電壓損失。完整的計(jì)算公式為：
線 損  =  電流  ×  電路總線長(zhǎng)  ×  線纜電壓因子
式中線纜電壓因子可由電纜制造商處獲得。

6接地和防雷設(shè)計(jì)
        （1）防直擊雷設(shè)計(jì)：太陽(yáng)能光伏陣列的金屬支架及其它金屬構(gòu)件均應(yīng)與屋面避雷帶或防雷引下線可靠連接。
防感應(yīng)雷設(shè)計(jì)：為防止感應(yīng)雷給系統(tǒng)設(shè)備造成損壞，一般情況下在以下地方安裝防雷保護(hù)裝置；
直流匯線盒：為保護(hù)逆變器不受直流系統(tǒng)引入的感應(yīng)雷破壞，在直流匯線盒內(nèi)安裝直流防雷器，采用性能良好的防雷保護(hù)模塊串接斷路器再并入主電路的正負(fù)極。
交流配電柜：為保護(hù)逆變器不受市電引入感應(yīng)雷破壞，在交流配電柜內(nèi)安裝防雷器，采用交流防雷器串接斷路器再并入三相交流輸出線上，同時(shí)防雷器接地端與PE線連接。

        （2）接地系統(tǒng)：交流系統(tǒng)建議采用TN-S系統(tǒng)；交流部分均設(shè)有專用保護(hù)接地線；所有電氣設(shè)備正常不帶電金屬外殼均應(yīng)可靠接地；光伏太陽(yáng)能電站接地系統(tǒng)與建筑內(nèi)其它接地系統(tǒng)共用同一接地體，聯(lián)合接地體接地電阻應(yīng)不大于0.5歐姆。