家用分布式光伏系统设计

家用分布式光伏系统设计摘要：太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在建筑物屋顶的光伏发电项目，方便接入就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。从发电入网角度出发，根据家庭用电情况可以给出系统施工要求、设计方法以及光伏组件、逆变器的选择等。关键词：太阳能分布式光伏发电系统1.前言太阳能是一种重要的，可再生的清洁能源，是取之不尽用之不竭、无污染、人类能够自由利用的能源。太阳每秒钟到达地面的能量高达50万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产和市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一。本文简单地阐述了家用分布式光伏发电系统设计方法和施工要求，仅供参考。2.太阳能光伏发电应用现状太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电，而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。光伏应用市场发展较为迅速。但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。3.分布式光伏系统结构太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏”效应，将太阳光的辐射直接转换为电能的一种新型发电系统。它的规模可大可小，在发电过程中不会排放污染物质，具有安装方便，没有噪音，整个寿命期间几乎无需维护等优点。太阳能光伏发电系统分为两大类，一类是太阳能光伏发电独立系统，另一类是太阳能光伏发电并网系统，本文只讲述后者。太阳能光伏发电并网系统主要包括太阳能光伏组件、光伏汇流箱、直流配电柜、并网型逆变器和交流配电柜等，家用并网型分布式光伏系统由于规模不大，汇流箱和交直流配电柜都用不到，整体框架如图1所示。本文涉及的家用太阳能光伏发电系统为小型分布式光伏系统，因此在设计过程中应充分考虑实际情况，一般应遵循经济适用原则，可靠性高、牢固耐用、容易维护、充分考虑地理和气候环境的影响。4.安装地点选择家庭分布式光伏系统的选址一般可选择在自家屋顶或空地上，需要考虑的条件就是可使用面积、房屋结构和承重要求、地面基础情况和气象水文条件等。若选择安装在自家屋顶上，屋面承重能力必须大于20kg/m2。房屋房梁如果是木质结构的话就不要考虑了，光伏系统使用年限长达25年，木质房梁易腐坏，建议不要进行安装。若在人字结构屋顶建设太阳能光伏电站，不能像地面电站那样设计最佳倾角，并且考虑前后遮挡间距。为了便于光伏组件和屋顶结合，一般都在屋面上直接平铺支架，北半球铺朝南面，南半球铺朝北面，这样方可最大效率利用光能。支架与屋顶采用夹具连接，电池组件再安装于支架上。这种方式不仅美观，而且可以实现屋顶面积利用最大化，见图2。在平顶结构屋顶建设太阳能光伏电站，需要架设光伏支架和设计最佳倾角和组件前后间距，见图3。若选择安装在自家空地上，可以采用锚桩和混凝土条基做支架基础，见图4和图具体选哪种则需要从地质情况和成本综合考虑了。另外，支架基础强度的设计还要以当地气象条件做依据。需要注意一点，考虑到组件的热胀冷缩效应，安装时上下左右组件之间的间隔要达到3cm左右为佳。5.家用分布式光伏系统设计5.1光伏组件目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。目前主流的组件是250Wp多晶硅太阳电池组件我国太阳能资源分布情况如下一类地区年日照3200～3300小时，辐射量7500～9250MJ/m2。青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。二类地区年日照3000～3200小时，辐射量5850～7500MJ/m2。河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。三类地区年日照2200～3000小时，辐射量5000～5850MJ/m2。山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。四类地区年日照1400～2200小时，辐射量4150～5000MJ/m2。长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区。五类地区全年日照时数约1000～1400小时，辐射量3350～4190MJ/m2。四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。结合现在的光伏发电技术，1kWp的多晶硅太阳能电池组件五类区域年发电量大致如下：用户可以根据系统的安装地点和自己年用电量情况来合理选择装机规模。5.2光伏组件阵列安装朝向和角度如果安装地点是平面，则要计算光伏支架的倾角，北半球朝南，南半球相反。考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，再结合费用、实用性等因素，家庭分布式光伏系统采用固定的光伏方阵较好。从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D式中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量S——水平面上太阳直接辐射量D——散射辐射量α——中午时分的太阳高度角β——光伏阵列倾角根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。现在用得很多的是利用RETScreen软件来分析不同倾角是斜面上的辐照度，再根据组件的相关参数计算出不同倾角的年发电量，最后取年发电量最大所对应的倾角。5.3太阳电池方阵间距计算计算当太阳能电池组件子阵前后安装时的最小间距D。一般确定原则：冬至当天早9:00至下午3:00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。6.并网逆变器的选择6.1选型并网逆变器主要分高频变压器型、低频变压器型和无变压器型三大类。根据所设计系统以及业主的具体要求，主要从安全性和效率两个层面来考虑变压器类型。家用分布式光伏系统是小系统，不需要很高的技术指标，逆变器不带隔离变压器时，能源转换效率更高,再结合成本等因素，选择无变压器型较为合理。6.2容量匹配设计并网系统设计中要求电池阵列与所接逆变器的功率容量相匹配，一般的设计思路是：组件标称功率×组件串联数×组件并联数＝电池阵列功率在容量设计中，并网逆变器的最大输入功率应近似等于电池阵列功率，已实现逆变器资源的最大化利用。6.3MPP电压范围与电池组电压匹配根据太阳能电池的输出特性，电池组件存在功率最大输出点，并网逆变器具有在特点输入电压范围内自动追踪最大功率点的功能，因此电池阵列的输出电压应处于逆变器MPP电压范围以内。电池组件电压×组件串联数＝电池阵列电压一般的设计思路是电池阵列的标称电压近似等于并网逆变器MPP电压的中间值，这样可以达到MPPT的最佳效果。6.4最大输入电流与电池组电流匹配电池组阵列的最大输出电流应小于逆变器最大输入电流。为了减少组件到逆变器过程中的直流损耗，以及防止电流过大对逆变器造成过热或电气损坏，逆变器最大输入电流值与电池阵列的电流值的差值应尽量大一些。电池组件短路电流×组件并联数＝电池阵列最大输出电流6.5转换效率并网逆变器的效率标示一般分最大效率和欧洲效率，通过加权系数修正的欧洲效率更为科学。逆变器在其它条件满足的情况下，转换效率应越高越好。7.接入方案7.1电气接线图本方案主要适用于自发自用/余量上网（接入用户电网）的家用光伏电站系统，见图。首先需要在家庭户内配电箱内安装一台微型式断路器和一台具有双向计量功能的智能电能表。通过该空气开关控制接入电网，增加一个明显的开断点，满足自动断开、闭锁功能，低电压失电要求，符合电网安全运行要求；双向计量功能的智能电能表精度不低于2.0级，作为计量关口。其次，需要在并网交流配电箱内安装一台精度不低于2.0级的计量多功能表，作为校核电能表，电能表电流电压回路接线接入低压侧尽量回路。7.2光伏电缆的选型光伏系统中电缆的选择主要考虑如下因素：1）电缆的绝缘性能；2）电缆的耐热阻燃性能；3）电缆的防潮，防光；4）电缆的敷设方式；5）电缆芯的类型（铜芯，铝芯）；6）电缆的大小规格。光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。以下分别列出不同连接部分的技术要求：1）组件与组件之间的连接：必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。2）方阵内部和方阵之间的连接：可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝晒。建议穿管安装，导管必须耐热90℃。3）方阵和逆变器之间的接线：必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。电缆大小规格设计，必须遵循以下原则：1）交流负载的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。变器的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。方阵内部和方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。2）考虑温度对电缆的性能的影响。3）考虑电压降不要超过2％。4）适当的电缆尺径选取基于两个因素，电流强度与电路电压损失。8.防雷设计为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面：1、尽量避免避雷针的投影落到光伏组件上2、地线是避雷、防雷的关键。防止雷电感应：包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。9.维护检修设计光伏发电系统的使用与维护的好坏直接影响着系统的使用寿命，影响着系统的运行成本和发电效率。一般情况下，无需对太阳能电池组件进行表面清洁处理，但对暴露在外的接线接点要进行定期检查，维护。1)遇有大风、暴雨、冰雹、大雪等情况，应采取措施保护太阳能方阵，以免损坏。2)太阳能方阵的采光面应经常保持清洁，如有灰尘或其它污物，应先用清水冲洗，再用干净纱布将水迹轻轻擦干，切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。3)运输中应注意防止太阳能电池组件受到碰撞，以免损坏。避免太阳能电池组件方阵架在运输过程中有太大变形。4)逆变器等电气设备是全自动控制设备，无需人工操作。如无电压输出，请检查空气开关是否合上、保险盒是否熔断。逆变器无输出，检查前面板的状态指示灯判断原因；若一切指示正常，检查逆变器的输出保险是否熔断。5）逆变器等电气设备接地：每半年测一次接地电阻。