太陽能光伏系統（二）

導語：
上期專題主要介紹了太陽能光伏系統的原理和分類，本期專題將詳細解讀太陽能光伏系統的設計。太陽光伏系統的設計主要分為軟件設計和硬件設計。軟件設計包括負載的功率、用電量的統計和計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，組件、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優化設計等。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，電池方陣支架的設計等。

一、光伏系統軟件設計
1.目的
        光伏系統軟件設計的主要目的就是要計算出系統在全年內能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的數量。同時要注意協調系統工作的最大可靠性和系統成本兩者之間的關系，在滿足系統工作的最大可靠性基礎上盡量地減少系統成本。光伏系統硬件設計的主要目的是根據實際情況選擇合適的硬件設備包括太陽電池組件的選型，支架設計，逆變器的選擇，電纜的選擇，控制測量系統的設計，防雷設計和配電系統設計等。在進行系統設計的時候需要綜合考慮系統的軟件和硬件兩個方面。
針對不同類型的光伏系統，軟件設計的內容也不一樣。獨立系統，并網系統和混合系統的設計方法和考慮重點都會有所不同。并網系統是目前發展最為迅速的太陽能光伏應用方式。隨著光伏建筑一體化的飛速發展，各種各樣的光伏并網發電技術都得到了廣泛的應用。光伏并網發電包括如下幾種形式：純并網光伏系統；具有UPS功能的并網光伏系統；并網光伏混合系統。本專題僅以并網系統為例介紹其設計方法。

2.并網光伏系統軟件設計
        在進行光伏系統的設計之前，需要了解并獲取一些進行計算和選擇必需的基本數據：光伏系統現場的地理位置，包括地點、緯度、經度和海拔；該地區的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長連續陰雨天數，最大風速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等。

2.1 確定最佳傾角
        并網光伏供電系統有著與獨立光伏系統不同的特點，在有太陽光照射時，光伏供電系統向電網發電，而在陰雨天或夜晚光伏供電系統不能滿足負載需要時又從電網買電。這樣就不存在因傾角的選擇不當而造成夏季發電量浪費、冬季對負載供電不足的問題。在并網光伏系統中唯一需要關心的問題就是如何選擇最佳的傾角使太陽電池組件全年的發電量最大。通常該傾角值為當地的緯度值。
對于上述并網光伏系統的任何一種形式，最佳傾角的選擇都是需要根據實際情況進行考慮，需要考慮太陽電池組件安裝地點的限制，尤其對于是現在發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，需要根據實際需要對傾角進行小范圍的調整，而且這種調整不會導致太陽輻射吸收的大幅降低。

2.2 確定蓄電池的容量
        目前很多的并網系統采用具有UPS功能的并網光伏系統，這種系統使用了蓄電池，所以在停電的時候，可以利用蓄電池給負載供電，還可以減少停電造成的對電網的沖擊。系統蓄電池的容量可以選擇比較少，因為蓄電池只是在電網故障的時候供電，考慮到實際電網的供電可靠性，蓄電池的自給天數可以選擇1-2天，該系統通常使用雙向逆變器處于并行工作模式。
除了上述系統外，還有并網光伏混合系統。它不僅使用太陽能光伏發電，還使用其他能源形式，比如風力發電機、柴油機等。這樣可以進一步的提高負載保障率。系統是否使用蓄電池，要據實際情況而定。太陽電池組件的容量同樣取決于客戶的投資規模。


二．光伏系統的硬件設計

        光伏系統設計中除了蓄電池容量和太陽電池組件大小設計之外，還要考慮如何選擇合適的系統設備，即如何選擇合乎系統需要的太陽電池組件、蓄電池、逆變器（帶有交流負載的系統）、控制器、電纜、匯線盒、組件支架、柴油機/汽油機（光伏油機混合系統）、風力發電機（風光互補系統），對于大型太陽能光伏供電站，還包括輸配電工程部件如變壓器、避雷器、負荷開關、空氣斷路器、交直流配電柜，以及系統的基礎建設、控制機房的建設和輸配電建設等問題。上述各種設備的選取需要綜合考慮系統所在地的實際情況、系統的規模、客戶的要求等因素。

1組件選型
       目前商業化較為成功的光伏組件根據材料和工藝的不同分為幾大類，市場應用率相對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
        1.顏色與質感；2.強度與抗變形的能力；3.壽命與穩定性；4.發電效率；5.尺寸和形狀；6.組件價格；7.環境友好度。

1.2組件相關標準
        光伏電池組件的設計、制造、安裝、試驗和性能符合以下國家標準、國際標準標準中有不一致時按較高標準執行：
? GB/T9535-1998 地面用晶體硅光伏組件――設計鑒定和定型
? GB/T2296-2001 光伏電池型號命名方法
? GB/T6495.1-1996 光伏器件光伏電流--—電壓特性的測量
? GB/T6495.2-1996 光伏器件標準光伏電池的要求
? GB/T6495.3-1996 光伏器件地面用光伏器件的測量原理以及標準光譜輻照度數據
? GB/T6495.4-1996 晶體硅光伏器件的I－V實測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：光伏器件光譜響應的測量
? GB/T18912-2002 光伏組件鹽霧腐蝕試驗
? IEC61215 晶體硅光伏組件設計鑒定和定型Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules-Design qualification and type approval.
? IEC61730.1 光伏組件的安全性構造要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 1: Requirements for construction.
? IEC61730.2 光伏組件的安全性測試要求Photovoltaic (PV) module safety qualification- Part 2: Requirements for testing.
? IEC61829 晶體硅光伏（PV）方陣IV特性的現場測量Crystalline silicon photovoltaic (PV) array -On – site measurement of I-V characteristics


2支架選擇


4監控系統的功能
4.1數據采集
（1）可同時采集不同廠家的光伏逆變器數據，包括目前市面上主流的逆變器廠家，如：SMA、Danfoss、Sanyo、Fronius、合肥陽光等。
（2）每10秒鐘采集一次光伏逆變器的數據，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、風速傳感器、環境溫度傳感器、組件溫度傳感器的數據。
4.2數據處理
分別計算每個系統實時發電功率、日發電量、日減排二氧化碳量、累計發電量、累計減排二氧化碳量；全部系統總的實時發電功率、日發電量、日減排二氧化碳量、累計發電量、累計減排二氧化碳量。
4.3遠程監視
監視器可以通過Internet遠距離表示逆變器的運行狀態。當逆變器發生故障無通訊時，監視器可以識別，并傳輸至網絡，用戶可以通過Internet遠程操作，訪問監視器。

5電纜的選取
        系統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；電纜的敷設方式；電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）；電纜的大小規格。

        光伏系統中不同的部件之間的連接，因為環境和要求的不同，選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術要求：
（1）組件與組件之間的連接，必須進行UL測試，耐熱90℃，防酸，防化學物質，防潮，防曝曬。
（2）方陣內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UL測試的多股軟線，或者使用通過UL測試的電焊機電纜。
（4）室內接線（環境干燥），可以使用較短的直流連線。

        電纜大小規格設計，必須遵循以下原則：
（1）蓄電池到室內設備的短距離直流連接，選取電纜的額定電流為計算電纜連續電流的1.25倍。
（2）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電流的1.25倍。
（3）逆變器的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續電流的1.25倍。
（4）方陣內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電流的1.56倍。
（5）考慮溫度對電纜的性能的影響。
（6）考慮電壓降不要超過2％。
（7）適當的電纜尺徑選取基于兩個因素，電流強度與電路電壓損失。完整的計算公式為：
線 損  =  電流  ×  電路總線長  ×  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接地和防雷設計
        （1）防直擊雷設計：太陽能光伏陣列的金屬支架及其它金屬構件均應與屋面避雷帶或防雷引下線可靠連接。
防感應雷設計：為防止感應雷給系統設備造成損壞，一般情況下在以下地方安裝防雷保護裝置；
直流匯線盒：為保護逆變器不受直流系統引入的感應雷破壞，在直流匯線盒內安裝直流防雷器，采用性能良好的防雷保護模塊串接斷路器再并入主電路的正負極。
交流配電柜：為保護逆變器不受市電引入感應雷破壞，在交流配電柜內安裝防雷器，采用交流防雷器串接斷路器再并入三相交流輸出線上，同時防雷器接地端與PE線連接。

        （2）接地系統：交流系統建議采用TN-S系統；交流部分均設有專用保護接地線；所有電氣設備正常不帶電金屬外殼均應可靠接地；光伏太陽能電站接地系統與建筑內其它接地系統共用同一接地體，聯合接地體接地電阻應不大于0.5歐姆。