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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。图1太阳能光伏发电并网系统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。图2人字屋顶安装方式图3平顶屋顶安装方式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。图4锚桩基础图5水泥条基础需要注意一点，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。（1）单晶硅太阳能电池目前单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为16%～18%，是转换效率最高的，但是制作成本高，还没有实现大规模的应用。（2）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率约15%～17%。制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，因此得到大量发展。目前主流的组件是250Wp多晶硅太阳电池组件，技术参数见表1。太阳能电池组件种类多晶硅指标单位数据峰值功率Wp250组件效率%15.3最大工作电压（Vmpp）V30.3最大工作电流(Impp)A8.27开路电压（Voc）V38.0短路电流IscA8.79开路电压系数/℃0.32%短路电流系数/℃0.053%抗风力Pa2400最大保险丝额定电流A15最高系统电压V1000尺寸mm1650×992×40表1250Wp太阳电池组件技术参数（3）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：地区1kWp发电量（kW·h）一类地区1666～2055二类地区1300～1666三类地区1111～1300四类地区922～1111五类地区744～922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。例如A家庭位于太阳能资源四类区域，平均年用电量是3000kWh，装机3000W就够用了；B家庭位于二类地区，平均年用电量也是3000kWh，装机2000W就可以了。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。例如A地不同倾斜面各月的辐射量（KWh/m2）见表2所示，表2从中可以看出，当倾角在38°～40°之间时，光伏阵列上的辐射量能达到最大，固A地的太阳能光伏阵列安装最佳倾角就在38°～40°之间。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。计算公式如下：式中：φ：为纬度(在北半球为正、南半球为负)，根据项目地点经纬度计算；H：为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列间距应不小于D。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。以下是它们之间的对照表：类型因素安全性转换效率成本价格重量、尺寸高频变压器型中低中中低频变压器型高中高大无变压器型低高低小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。6.6常用家用并网型逆变器见下表容量范围厂家型号输入功率输入电压输入电流输入端口效率相数1.2kw~9.6kwSMASunnyBoy12001320w100v~320v12.6A190.9%单相SMASunnyBoy17001850w139v~320v12.6A191.8%单相SMASunnyBoy2000HF2100w175v~560v12A195%单相SMASunnyBoy21002200w200v~480v11A195.2%单相SMASunnyBoy2500HF2650w175v~560v15A195.4%单相SMASunnyBoy3200w210v~560v15A195.5%单相3000SMASunnyBoy3000HF3150w125v~440v17A196.3%单相SMASunnyBoy33003820w200v~400v20A194.4%单相SMASunnyBoy3300TLHC3440w125v~600v11A194.6%单相SMASunnyBoy38004040w200v~400v20A194.7%单相SMASunnyBoy40004200w125v~440v30A296.4%单相SMASunnyBoy50005300w125v~440v30A296.5%单相阳光SG1K5TL1800w180v~430V10A194%单相阳光SG3KTL-M3200w125v~550v20A296.5%单相阳光SG4KTL-M4300w125v~550v26A2