太陽能光伏系統(tǒng)（二）

導語：
上期專題主要介紹了太陽能光伏系統(tǒng)的原理和分類，本期專題將詳細解讀太陽能光伏系統(tǒng)的設計。太陽光伏系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)軟件設計
1.目的
        光伏系統(tǒng)軟件設計的主要目的就是要計算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的數(shù)量。同時要注意協(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)硬件設計的主要目的是根據(jù)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(tǒng)的設計，防雷設計和配電系統(tǒng)設計等。在進行系統(tǒng)設計的時候需要綜合考慮系統(tǒng)的軟件和硬件兩個方面。
針對不同類型的光伏系統(tǒng)，軟件設計的內(nèi)容也不一樣。獨立系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)的設計方法和考慮重點都會有所不同。并網(wǎng)系統(tǒng)是目前發(fā)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(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)為例介紹其設計方法。

2.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)軟件設計
        在進行光伏系統(tǒng)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(shù)據(jù)：光伏系統(tǒng)現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度和海拔；該地區(qū)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(xù)陰雨天數(shù)，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(wǎng)光伏供電系統(tǒng)有著與獨立光伏系統(tǒng)不同的特點，在有太陽光照射時，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)不能滿足負載需要時又從電網(wǎng)買電。這樣就不存在因傾角的選擇不當而造成夏季發(fā)電量浪費、冬季對負載供電不足的問題。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電池組件全年的發(fā)電量最大。通常該傾角值為當?shù)氐木暥戎怠?br/>對于上述并網(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(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)實際需要對傾角進行小范圍的調(diào)整，而且這種調(diào)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(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(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)蓄電池的容量可以選擇比較少，因為蓄電池只是在電網(wǎng)故障的時候供電，考慮到實際電網(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)。它不僅使用太陽能光伏發(fā)電，還使用其他能源形式，比如風力發(fā)電機、柴油機等。這樣可以進一步的提高負載保障率。系統(tǒng)是否使用蓄電池，要據(jù)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(guī)模。


二．光伏系統(tǒng)的硬件設計

        光伏系統(tǒng)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(tǒng)設備，即如何選擇合乎系統(tǒng)需要的太陽電池組件、蓄電池、逆變器（帶有交流負載的系統(tǒng)）、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(tǒng)）、風力發(fā)電機（風光互補系統(tǒng)），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(guān)、空氣斷路器、交直流配電柜，以及系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(tǒng)所在地的實際情況、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(zhì)感；2.強度與抗變形的能力；3.壽命與穩(wěn)定性；4.發(fā)電效率；5.尺寸和形狀；6.組件價格；7.環(huán)境友好度。

1.2組件相關(guān)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(zhí)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(shù)據(jù)
? 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(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)場測量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
分別計算每個系統(tǒng)實時發(fā)電功率、日發(fā)電量、日減排二氧化碳量、累計發(fā)電量、累計減排二氧化碳量；全部系統(tǒng)總的實時發(fā)電功率、日發(fā)電量、日減排二氧化碳量、累計發(fā)電量、累計減排二氧化碳量。
4.3遠程監(jiān)視
監(jiān)視器可以通過Internet遠距離表示逆變器的運行狀態(tài)。當逆變器發(fā)生故障無通訊時，監(jiān)視器可以識別，并傳輸至網(wǎng)絡，用戶可以通過Internet遠程操作，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UL測試，耐熱90℃，防酸，防化學物質(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(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)格設計，必須遵循以下原則：
（1）蓄電池到室內(nèi)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(xù)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(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算所得電纜中最大連續(xù)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?shù)碾娎|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(gòu)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(tǒng)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(tǒng)引入的感應雷破壞，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(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(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不大于0.5歐姆。