光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)

趙 潔

（蘇州中來(lái)民生能源有限公司上海分公司，上海 201613）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民環(huán)保意識(shí)的提高和環(huán)保政策的扶持，使得我國(guó)的新能源開發(fā)產(chǎn)業(yè)得到較大發(fā)展。新能源主要是以太陽(yáng)能為主的清潔能源，此外還有風(fēng)能、水能、潮汐能等。太陽(yáng)能在一定程度上取之不盡用之不竭，開發(fā)較為容易，其余能源容易受到地形、地貌以及季節(jié)等因素限制，而太陽(yáng)能受其余因素影響小。我國(guó)的太陽(yáng)能資源較為豐富，60%的國(guó)土每年日照量超過(guò)2 200 h，每年的太陽(yáng)能輻射總量超過(guò)5 020 000 J/m2， 經(jīng)過(guò)有效開發(fā)可以滿足人民生活生產(chǎn)所需。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 光伏電池的技術(shù)原理

太陽(yáng)能光伏電池主要依靠太陽(yáng)能光伏技術(shù)發(fā)電，其內(nèi)部構(gòu)成主要是一個(gè)半導(dǎo)體。光伏電池利用半導(dǎo)體效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)部分電路將電能儲(chǔ)存或直接給設(shè)備供電。太陽(yáng)能電池制作的原料是硅與其余合金材料，且采用的硅原料必須是經(jīng)過(guò)提純處理的高純度硅，將其制作成半導(dǎo)體，利用半導(dǎo)體的PN 結(jié)的光伏效應(yīng)完成光能與電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)太陽(yáng)能照射太陽(yáng)能電池板后會(huì)使半導(dǎo)體的PN 結(jié)吸收光子，進(jìn)而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。空穴帶正電，電子帶負(fù)電，兩種電子的極性相反，慢慢堆積就會(huì)產(chǎn)生光生電壓，從而完成光能到電能的轉(zhuǎn)換，再將太陽(yáng)能電池板的兩端連接負(fù)載產(chǎn)生電流[1]。

1.2 光伏系統(tǒng)的組成和分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)能光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后儲(chǔ)存。一般的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、逆變器、控制器、蓄電池及電池充放電控制器等組件組成。在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板及相關(guān)組件都是核心部件，其性能將會(huì)直接影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。電池充放電控制器具有控制系統(tǒng)充放電狀態(tài)的功能，而逆變器的功能是將光伏效應(yīng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟碛心孀兤鞯墓夥l(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流可以直接供給負(fù)載，供設(shè)備運(yùn)作。光伏發(fā)電系統(tǒng)是我國(guó)大力研發(fā)的重要系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可以分為兩種類型，分別是并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，具體如圖1 和圖2 所示。兩種系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)，獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以設(shè)置在偏遠(yuǎn)山區(qū)吸收太陽(yáng)能發(fā)電，而并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以直接將電能輸送至電力系統(tǒng)為負(fù)載供給電能。經(jīng)過(guò)研究，可將獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，創(chuàng)造混合式光伏發(fā)電 系統(tǒng)[2]。

圖1 并網(wǎng)運(yùn)行太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 獨(dú)立式太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

2.1.1 明確研究的地理位置

在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該考察周圍環(huán)境，確定周圍環(huán)境的地理位置，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r設(shè)計(jì)合理的方案。研究基地的選取對(duì)于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響較大，地理位置不同，光照強(qiáng)度不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量也會(huì)受到影響。此外，在完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮太陽(yáng)光照射的方位角等問(wèn)題。本文選取江蘇省蘇州市作為研究基地，地理位置較高，日照充足，每年平均日照時(shí)間超過(guò)1 662 h，平均氣溫可達(dá)20.7 ℃，便于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究[3]。

2.1.2 選擇合適的負(fù)載

為保證整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的科學(xué)性和實(shí)用性，應(yīng)以保證系統(tǒng)可靠性為前提，降低系統(tǒng)的消費(fèi)成本，所以應(yīng)該選擇合適的用電負(fù)載。研究人員應(yīng)該先了解選取的負(fù)載功率、用途、用電時(shí)間以及每個(gè)負(fù)載對(duì)電源電壓的要求，然后進(jìn)行相關(guān)配件的設(shè)計(jì)。負(fù)載的用途不同，其工作的時(shí)間以及功率都不同，所以應(yīng)該做好相關(guān)選型。在計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電量時(shí)，對(duì)于無(wú)法確定影響的因素采用系數(shù)代替，測(cè)量準(zhǔn)確后再進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量計(jì)算時(shí)，需要知曉系統(tǒng)內(nèi)全部負(fù)載的連續(xù)工作時(shí)間和額定功率等數(shù)據(jù)，并且充分了解系統(tǒng)太陽(yáng)能電池組件的地理位置以及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。光伏發(fā)電系統(tǒng)受到地理?xiàng)l件的限制，系統(tǒng)的組件額定輸出功率并不等于實(shí)際輸出功率，所以應(yīng)該利用峰值預(yù)先估計(jì)實(shí)際日均輸出功率（光伏系統(tǒng)的輸出功率等于每日峰值小時(shí)數(shù)與峰值功率相乘）。系統(tǒng)尤其受到外界環(huán)境和自身性能的影響，在實(shí)際情況下每日組件發(fā)電的安時(shí)數(shù)并不等于理想條件下的安時(shí)數(shù)，所以會(huì)采用降低10%安時(shí)數(shù)的方式修正周圍環(huán)境和自身性能的影響。系統(tǒng)并聯(lián)的組件數(shù)為日平均負(fù)載與組件日均輸出之比，串聯(lián)的組件數(shù)為系統(tǒng)電壓與組件電壓之比，整個(gè)系統(tǒng)的組件數(shù)應(yīng)為串聯(lián)組件數(shù)與并聯(lián)組件數(shù)相乘。

2.1.3 應(yīng)該做好太陽(yáng)能電池板方位角的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該保證太陽(yáng)能電池板的傾斜角可以讓每年太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量達(dá)到最大。太陽(yáng)能電池板的方位角選取對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量影響較大，因?yàn)閮A斜角會(huì)直接影響電池板的光照強(qiáng)度。太陽(yáng)能電池板的傾斜角度一般根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥冗M(jìn)行計(jì)算，采用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精度的最大化。根據(jù)相關(guān)研究可知：當(dāng)研究基地的緯度小于25°時(shí)，傾斜角選取當(dāng)?shù)鼐暥?；?dāng)?shù)鼐暥仍?6°～40°時(shí)，在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上加5°～10°；當(dāng)41°～55°時(shí)，太陽(yáng)能電池板的傾斜角等于當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°～15°；如果當(dāng)?shù)鼐暥雀哂?5°，傾斜角應(yīng)選取當(dāng)?shù)鼐暥燃?5°～20°。

2.1.4 應(yīng)該做好太陽(yáng)能電池組件的設(shè)計(jì)工作

本文研究的光伏發(fā)電系統(tǒng)最重要的部件是太陽(yáng)能電池板，其組件的設(shè)計(jì)將會(huì)直接影響太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作效率。在對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該讓其每年的發(fā)電量與每年整個(gè)系統(tǒng)全部負(fù)載的用電量相等。首先應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)能電池板的功率，其次選取符合要求的電池器件得到更多的數(shù)據(jù)，如電池的尺寸等，最后根據(jù)選取組件的功率、工作電流以及每日發(fā)電量等數(shù)據(jù)計(jì)算電池器件的串并聯(lián)數(shù)量。

2.2 系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)組件施工

根據(jù)太陽(yáng)能電池板容量及配置的相關(guān)計(jì)算選取負(fù)載，完成系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)，制定施工方案。需要選型的部件包括電極引出線、各設(shè)備之間的連接線等，其計(jì)算結(jié)果影響蓄電池組的串并聯(lián)方式。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮施工的可行性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以采用“思維模擬施工”，分析每個(gè)步驟的可行性。采用思維模擬施工的方式可以具體分析每個(gè)步驟的可行性，具體到對(duì)每條導(dǎo)線的連接以及連接螺母如何擰緊等操作，保證施工方案的可行性。在進(jìn)行思維施工模擬時(shí)應(yīng)該準(zhǔn)確記錄每個(gè)步驟以及每個(gè)步驟應(yīng)該用到的工具。

2.2.2 電池板布置設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板的布置方式一般有5 種，每種都有優(yōu)缺點(diǎn)。一般會(huì)選擇空曠地區(qū)建設(shè)地基以及支架組織制作太陽(yáng)能方陣。采用這種方式便于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝與維修，缺點(diǎn)是采用這種方式會(huì)浪費(fèi)大量的土地資源。采用樓頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)布置電池板，優(yōu)點(diǎn)是可以有效節(jié)省資源，省去圍護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是安裝以及維護(hù)的難度較大，且需要鋼結(jié)構(gòu)具有較好的性能，可以為太陽(yáng)能電池板抗風(fēng)。將太陽(yáng)能電池板作為太陽(yáng)能電池遮陽(yáng)板，既可以吸收太陽(yáng)光又可以發(fā)揮遮陽(yáng)的作用，給人們提供遮陽(yáng)的場(chǎng)所，但是整體施工難度較大。此外，該系統(tǒng)的發(fā)電效率受到地理位置的影響較大，發(fā)電效率不高。將太陽(yáng)能電池板作為幕墻以及天窗使用可節(jié)約成本，可以與建筑實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)一板多用。太陽(yáng)能電池板作為幕墻使用時(shí)，周圍不可以采用邊框和接線盒連接，而需要選用玻璃封裝，缺點(diǎn)是太陽(yáng)能電池板的角度被嚴(yán)格控制，不可以根據(jù)陽(yáng)光照射方向調(diào)整傾斜角，施工難度較大，周圍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及布線設(shè)計(jì)都會(huì)受到周圍環(huán)境的影響。最后是將太陽(yáng)能電池板布置在屋頂做成發(fā)電屋頂。這種方式將太陽(yáng)能電池板與建筑完美融合，不占用其余土地資源，但是施工難度較大，且與建筑結(jié)合的結(jié)構(gòu)比較固定，不便于光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電[4]。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的注意事項(xiàng)

3.1 電池板組件安裝注意事項(xiàng)

電池板在安裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意按照計(jì)算的數(shù)量考慮組件的串并聯(lián)連接，使其數(shù)目符合系統(tǒng)的需求，避免太陽(yáng)能電池板的閑置。在布置電池板方陣時(shí)，應(yīng)該按照電池板對(duì)電池板的串并聯(lián)數(shù)目進(jìn)行科學(xué)安排，通過(guò)合理的安排協(xié)調(diào)接線方式保證布線簡(jiǎn)便、美觀。如果將太陽(yáng)能電池板與建筑相結(jié)合制作成遮陽(yáng)板、屋頂、天窗，需要做好相應(yīng)的排水設(shè)計(jì)。因?yàn)殡姵匕彘L(zhǎng)時(shí)間工作可能會(huì)散發(fā)熱量，在外界氣溫較高時(shí)熱量可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)久無(wú)法散熱，致使電路功率發(fā)生變化，所以應(yīng)該做好散熱設(shè)計(jì)，使太陽(yáng)能電池板可以及時(shí)散熱，保證太陽(yáng)能電池板的使用性能。在對(duì)太陽(yáng)能電池板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以安裝方便、保證太陽(yáng)能電池板正常工作為前提。如果采用鋼結(jié)構(gòu)制作太陽(yáng)能電池板的支架結(jié)構(gòu)需要其能抵抗10 級(jí)風(fēng)力的破壞，為提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，可以在對(duì)電池板的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用雙軸舵機(jī)等設(shè)備，使太陽(yáng)能電池板根據(jù)日光軌跡計(jì)算傾斜角，提高太陽(yáng)光吸收效率和發(fā)電量[5]。

3.2 蓄電池組件安裝注意事項(xiàng)

在對(duì)蓄電池組件進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意周圍環(huán)境必須通風(fēng)良好，不可長(zhǎng)時(shí)間接受陽(yáng)光直射，且室內(nèi)溫度適宜，不可過(guò)低或過(guò)高。為避免蓄電池短路放電威脅人類生命，應(yīng)該在蓄電池機(jī)組與地面之間加裝絕緣裝置。本系統(tǒng)中蓄電池可以分為酸性電池和堿性電池。兩種電池安裝應(yīng)該距離太陽(yáng)能電池方陣近些，減少不必要的線路損失。但是，兩種電池不可放置在同一空間內(nèi)。每個(gè)蓄電池組間應(yīng)該預(yù)留部分空余，便于維修人員進(jìn)行后期維修[6]。

4 結(jié) 論

光伏發(fā)電系統(tǒng)是現(xiàn)代我國(guó)大力發(fā)展的新型能源系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)得到廣大人民群眾的認(rèn)可，得到了部分實(shí)踐，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為提高太陽(yáng)能至電能的轉(zhuǎn)換率以及提高太陽(yáng)光吸收效率。因此，研究人員應(yīng)該做好相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的發(fā)電量。