光伏发电系统概论(详版).ppt

光伏发电系统概述 一 太阳能光伏发电系统的应用 构成 分类用途 基本工作原理 二 BIPV系统与风光互补系统 三 太阳能光伏系统的相关设计 四 太阳能光伏发电系统的安装施工与检查测试 五 太阳能光伏发电系统的运行维护与故障排查 目录 1 太阳能光伏发电系统的应用 1 通信领域的应用 2 公路 铁路 航运等交通领域的应用 3 石油 海洋 气象领域的应用 4 农村和边远无电地区应用 5 太阳能光伏照明方面的应用 6 大型光伏发电系统 电站 的应用 7 太阳能光伏建筑一体化并网发电系统 BIPV 8 太阳能电子商品及玩具的应用 9 其它领域的应用 一 太阳能光伏发电系统的应用 构成 工作原理与分类 通过太阳能电池将太阳敷设能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统 虽然应用形式多种多样 应用规模也跨度很大 但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理却基本相同 其主要结构由以下构成 1 太阳能电池组件或方阵 用于发电 2 蓄电池 用于储存电 3 光伏控制器 用于控制整个系统的工作状态 4 交流逆变器 用于将组件或者电池输出的直流电转换为交流电 5 光伏发电系统附属设施 包括直流配线系统 交流配电系统 运行监控和检测系统 防雷和接地系统等 2 太阳能光伏发电系统的基本构成 3 太阳能光伏发电系统的分类及工作原理 1 3 1分类太阳能光伏发电系统从大类上可分为独立 离网 光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类 其中 独立光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交直流混合光伏发电系统 而在直流光伏发电系统中又可分为有蓄电池和无蓄电池的系统 在并网光伏发电系统中 也分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统 并根据用途也分为有蓄电池和无蓄电池的系统 光伏发电系统的分类及具体应用可参看表1 1 表1 1 1 3 2各类系统工作原理1 3 2 1独立光伏发电系统构成及原理独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统 主要由太阳能电池组件 控制器 蓄电池组成 若要为交流负载供电 还需要配置交流逆变器 图1 1是独立太阳能光伏发电系统的工作原理示意图 光伏发电的核心部件是太阳能电池板 它将阳光的光能直接转换为电能 并通过控制器将电能存储于蓄电池中 当负载用电时 蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各负载上 电池板产生的电流为直流电 可以直接以直流电的形式应用 也可以用交流逆变器将其转换成交流电供交流负载使用 太阳能发电的电能可以即发即用 也可以用储能装置将电能储存起来 在需要时使用 下面将根据用电负载的特点 分别讲下各种独立光伏发电系统的构成及原理 图1 1 无蓄电池的直流光伏发电系统如图1 2所示 该系统的特点是用电负载是直流负载 对负载使用时间没有要求 负载主要是在白天使用 太阳能电池组件与用电负载直接连接 有阳光时就发电供负载工作 无阳光时就停止工作 系统不需要控制器 也没有蓄电储能装置 该系统的优点是省去了电能通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中的能量损耗 提高了太阳能的利用效率 1 无蓄电池的直流光伏发电系统 图1 2 有蓄电池的直流光伏发电系统如图1 3所示 该系统的由太阳能电池组件 充放电控制器 蓄电池及直流负载组成 有阳光时 组件将光能转换为电能供负载使用 并同时想蓄电池存储电能 夜间或者阴雨天时 则由蓄电池向负载供电 这种系统应用广泛 如表1 1所示 当系统容量和负载功率较大时 就需要配备组件方阵和蓄电池组 2 有蓄电池的直流光伏发电系统 图1 3 交流及交直流混合光伏发电系统如图1 4所示 与直流光伏发电系统相比 交流发电系统多了一个交流逆变器 用以把直流电转换为交流电 为交流负载供电 交直流混合系统则既能为直流负载供电 又能为交流负载供电 3 交流及交直流混合光伏发电系统 图1 4 所谓市电互补型光伏发电系统 就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主 以普通220V交流市电补充电能为辅 如图1 5所示 这样发电系统中太阳能电池和蓄电池的容量都可以设计的小一些 有阳光时利用阳光发电使用 无阳光时用市电补充 这种形式的原理与下面要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似处 但不能等同于并网应用 4 市电互补型光伏发电系统 图1 5 并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换为符合市电电网要求的直流电之后直接接入公共电网 从集中度来看既有集中式大型并网光伏系统 国家级电站 发电直接输电网后统一调配 但一次性投资大 建设周期长 占地面积大 也有分散式小型并网光伏系统 住宅 重要或应急负载 光伏建筑一体化 投资小 建设快 占地面积小 图1 6是并网太阳能光伏发电系统的工作原理示意图 由太阳能电池组件方阵将光能转化为电能 并经直流配线箱进入并网逆变器 有些类型的并网系统还要配备蓄电池组储存直流电能 逆变器可以进行充放电控制 功率调节 交直流逆变 并网保护切换 经逆变器输出的交流电供负载使用 多余电力可经变压器等卖入公共电网 当并网系统因天气发电不足或负载用电量偏大时可以从公共电网买电 系统还有监控 测试及显示系统 用于监控和检测系统工作状态 统计各类数据 常见的并网光伏发电系统一般有下列几种形式 1 3 2 2并网光伏发电系统构成及原理 图1 6 有逆流并网光伏发电系统如图1 7所示 当系统发电充裕时 可将多余电力卖给公共电网 当系统发电不足时 从公共电网买入电力向负载供电 由于向电网供电时与电网供电的方向相反 所以称为有逆流光伏发电系统 1 有逆流并网光伏发电系统 图1 7 2 无逆流并网光伏发电系统 无逆流并网光伏发电系统如图1 8所示 系统即使发电充裕也不向公共电网供电 但当系统供电不足时 由公共电网向负载供电 图1 8 3 切换型并网光伏发电系统 切换型并网光伏发电系统如图1 9所示 所谓切换型 实际上是有自动运行双向切换的功能 一是发电不足时 自动切换至公共电网供电 二是当电网不稳定时 自动断开与电网的连接 变成独立光伏系统工作 必要时也可断开一般负载供电专供应急负载 一般都带有储能装置 图1 9 4 有储能装置的并网光伏发电系统 有储能装置的并网光伏发电系统 见图1 6和图1 9 就是在上述积累并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置 特点是主动性较强 不易受电网供电的影响 小结 由此我们可以看出 不管是独立光伏系统还是并网光伏系统 基本组成结构 工作原理都是大致相同的 完全是根据负载 电网 应用范围规模等实际情况在基本组成结构的基础上适当添减功能模块 例如 负载是交流负载 那么就需要加逆变器 发电和用电时间不一致 那么就要加控制器和蓄电池 如果我需要并网 那么就要加并网逆变器 电表等等 二 BIPV系统与风光互补系统 BIPV系统与风光互补系统单独拿出来讲是因为一个是有自己的显著特点 一个是与其它新能源结合的产物 1 BIPV系统BIPV又称光伏建筑一体化 它的特点是不额外占用土地 尤其适用于人口密集的发达城市 与建筑集成 赋予建筑科技性 美观性 提高市场认可度 与建筑材料集成 节省建筑材料 降低建造成本 BIPV优先发展配电侧低压多点并网 原地发电 原地使用 减少输电损耗 建筑用电与PV输出的关系 理论模拟 建筑负载与日照的关系 迈阿密 美国东南部 和里诺 美国西部 商业建筑负载用电需求与PV系统发电量的关系 削峰作用 黄金电力 BIPV发电与用电负荷需求曲线完美匹配 对电网能够起到辅助削峰作用 1997年 巴西 并网BIPV 削峰作用 黄金电力 工程实例 工程实例 系统稳定性 1 BIPV发电初期有衰减的现象 97 98年 S W效应 以后发电量基本保持稳定 2 BIPV技术和工程是可靠稳定的 以上BIPV的诸多优势 将极大激励未来建筑光伏发电系统的发展 建筑光伏市场现状与未来趋势 2010年欧洲建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例 2008年欧美建筑光伏发电和地面光伏发电系统比例 24 2020年中国发展规划 小结 1 包含BAPV在内的 广义BIPV 是关键市场 BIPV是重点技术 需要大家共同努力持续提高 2 广义BIPV 会优先发展配电侧低压多点并网接入系统 3 配电侧低压并网BIPV应会成为未来国家智能电网的重要组成部分 相关技术与装备产业市场空间巨大 4 21 2020 25 1 2 BIPV设计中的几个关键问题 1 哪个区域适合安装BIPV系统 2 安装倾角如何选择 根据传统经验 并网光伏阵列的安装倾角为当地纬度或加减一定角度 气象数据显示纬度相同 经度不同地方 太阳辐射量往往差异较大 不宜根据传统设计经验进行倾角设计 3 如何选择组件 组件电性能参数 电流 电压 功率 对系统的效率影响如何 4 如何设计 安装 将光伏发电与建筑有机结合 需要综合考虑屋顶防水 附加载荷 建筑外观等因素 南京南站作为京沪高铁全线五大枢纽站之一 聚集了京沪高铁 沪汉蓉客运线 宁杭城际 宁安城际等线路 南京南站的建成将成为南京市的地标性建筑 建筑特点 南偏东28 4 此偏角决定了太阳能电池组件的可安装范围 南京南站东西两侧主体结构由纵横交错的桁架组成 纵横交错的桁架形成了一个个方格 这是该项目设计中最大的难点 1 3项目实例介绍 中国水平面太阳辐射分布图 4 21 2020 29 南京年日照小时数为2020左右 近年平均年太阳辐射量5098 3MJ 4 21 2020 30 峰值日照时数3 75Peaksunshinehour 3 75 NASA气象数据库 夏至日遮挡 冬至日遮挡 4 21 2020 32 WEST EAST 辐射量分析 西侧雨棚 东侧雨棚 辐射量分析 A 方格屋面 B 主桁架 西侧 C 站台雨棚屋面 安装区域分析 安装倾角分析 传统经验算法 务必采用Klien和Theilacker提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法 Klien和Theilacker的计算方法 倾斜面上的太阳辐射总量由直接太阳辐射量 天空散射辐射量和地面反射辐射量三部分组成 并认为天空散射辐射量是均匀分布的 kWh m2 day 其中 H为水平面的总辐射量Hd为水平面的散射量 为光电板倾角 为地物表面的反射率 在工程计算中一般取0 2 有雪覆盖的地面取0 7 Rb为倾斜面与水平面的直射量之比 安装倾角分析 理论计算方法 计算机仿真模拟分析 不建议低纬度 35 南立面安装BIPV系统BIPVisnotrecommendedtobeinstalledonSouthelevation 安装倾角分析 光热光电一体化 CPC 安装倾角分析 4 21 2020 39 组件电性能参数对系统效率的影响TheImpactofComponentparametersonthesystemefficiency 组件功率相近 系统效率最优 ThissuggeststodesignPVsystemwithsimilarefficiencymodulesconnectedbyseriesorparallelmethod 分析 1 选用功率相近的组件2 受阴影影响相同的组件串联成一路3 不同阴影区域分别进行最大功率点跟踪 MPPT 组件排列与连接的设计优化 分析 4 21 2020 41 用螺钉打穿屋面 安装固定光伏组件 组件安装 A 压型钢板屋面 4 21 2020 42 采用橡胶圈 起到防水密封的作用 能满足防水等级 但安装工序复杂 A 压型钢板屋面 组件安装 4 21 2020 43 B 直立锁边屋面 建议采用直立锁边的屋面 组件安装 通过转接件固定在屋面板的锁边部位 不需用螺钉穿透屋面板 提高屋面防水性能 简化安装工序 面积 200W组件面积 1580 808mm 1 3 重量 1 每块200W组件重量 15 5kg2 安装每块组件 需要4块角钢重量 4 0 808m 3 369kg m 10 89kg3 电缆 螺丝等五金 2kg每块组件及支架重量 15 5 10 89 2 28 39kg每平方米载荷 28 39 1 3 22kg 25kg 荷载要求 载荷分析 4 21 2020 45 系统数据 4 21 2020 46 结论和建议 在目前情况下 优先考虑发电系统效率前提 不建议低纬度地区 35 在南立面安装光伏发电系统 为保证系统发电效率 首先选择功率相等或相近的组件串联一列 其次遵循 串流并压 的原则选择组件 建议金属屋顶采用直立锁边屋面 提高屋顶防水性能 简化组件安装工序 节省支架投资 2 风光互补系统 风光互补发电系统结构示意图 由此可见 风光互补系统既是在独立光伏系统的基础上加装风力发电模块 主要应用范围为在风力和光能资源相对丰富的偏远地区 白天太阳能发电或者风光共同发电 夜晚风能发电 这样可以充分利用自然资源 提升发电总量 可适当减小系统储能装置和太阳能发电装置的容量 风光互补系统实例 三 太阳能光伏系统的相关设计 太阳能光伏系统的设计一般遵循以下原则和流程 下面就独立光伏系统和并网光伏系统的设计结合实例分别给予讲解 光伏系统的配置构成示意图 1 独立光伏系统设计 1 1 独立光伏系统的原理和基本构成在第一章有详细阐述 1 2 影响设计的诸多因素 太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱 光强受到大气层厚度 即大气质量 地理位置 所在地的气候和气象 地形地物等的影响 其能量在一日 一月和一年内都有很大的变化 甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别 太阳能电池方阵的光电转换效率 受到电池本身的温度 太阳光强和蓄电池电压浮动的影响 而这三者在一天内都会发生变化 所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量 蓄电池组也是工作在浮充电状态下的 其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化 蓄电池提供的能量还受环境温度的影响 太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成 它本身也需要耗能 而使用的元器件的性能 质量等也关系到耗能的大小 从而影响到充电的效率等 负载的用电情况 也视用途而定 如通信中继站 无人气象站等 有固定的设备耗电量 而有些设备如灯塔 航标灯 民用照明及生活用电等设备 用电量是经常有变化的 因此 太阳能电源系统的设计 需要考虑的因素多而复杂 特点是 所用的数据大多为以前统计的数据 各统计数据的测量以及数据的选择是重要的 设计者的任务是 在太阳能电池方阵所处的环境条件下 即现场的地理位置 太阳辐射能 气候 气象 地形和地物等 设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益 又要保证系统的高可靠性 对太阳能电池方阵而言 负载应包括系统中所有耗电装置 除用电器外还有蓄电池及线路 控制器等 的耗量 方阵的输出功率与组件串并联的数量有关 串联是为了获得所需要的工作电压 并联是为了获得所需要的工作电流 适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵 1 3蓄电池组容量设计 1 蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多 目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池 普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种 2 蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的 在一年内 方阵发电量各月份有很大差别 方阵的发电量在不能满足用电需要的月份 要靠蓄电池的电能给以补足 在超过用电需要的月份 是靠蓄电池将多余的电能储存起来 所以方阵发电量的不足和过剩值 是确定蓄电池容量的依据之一 同样 连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得 所以 这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一 因此 蓄电池的容量BC计算公式为 BC A QL NL TO CCAh 1 式中 A为安全系数 取1 1 1 4之间 QL为负载日平均耗电量 为工作电流乘以日工作小时数 NL为最长连续阴雨天数 TO为温度修正系数 一般在0 以上取1 10 以上取1 1 10 以下取1 2 CC为蓄电池放电深度 一般铅酸蓄电池取0 75 碱性镍镉蓄电池取0 85 1 4太阳能电池方阵设计 1 太阳能电池组件串联数Ns太阳能电池组件按一定数目串联起来 就可获得所需要的工作电压 但是 太阳能电池组件的串联数必须适当 串联数太少 串联电压低于蓄电池浮充电压 方阵就不能对蓄电池充电 如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时 充电电流也不会有明显的增加 因此 只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时 才能达到最佳的充电状态 计算方法如下 Ns UR Uoc Uf UD Uc Uoc 2 式中 UR为太阳能电池方阵输出最小电压 Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压 Uf为蓄电池浮充电压 UD为二极管压降 一般取0 7V UC为其它因数引起的压降 电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关 应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数 2 太阳能电池组件并联数Np在确定NP之前 我们先确定其相关量的计算方法 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht 转换成在标准光强下的平均日辐射时数H 日辐射量参见表1 H Ht 2 778 10000h 3 式中 2 778 10000 h m2 kJ 为将日辐射量换算为标准光强 1000W m2 下的平均日辐射时数的系数 太阳能电池组件日发电量QpQp Ioc H Kop CzAh 4 式中 Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流 Kop为斜面修正系数 参照表1 Cz为修正系数 主要为组合 衰减 灰尘 充电效率等的损失 一般取0 8 两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw 此数据为本设计之独特之处 主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来 需补充的蓄电池容量Bcb为 Bcb A QL NLAh 5 太阳能电池组件并联数Np的计算方法为 Np Bcb Nw QL Qp Nw 6 式 6 的表达意为 并联的太阳能电池组组数 在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量 不仅供负载使用 还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量 3 太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数 即可得出所需太阳能电池方阵的功率P P Po Ns NpW 7 式中 Po为太阳能电池组件的额定功率 1 5设计实例某地面卫星接收站为例 负载电压为12V 功率为25W 每天工作24h 最长连续阴雨天为15d 两最长连续阴雨天最短间隔天数为30d 太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的38D975 400型组件 组件标准功率为38W 工作电压17 1V 工作电流2 22A 蓄电池采用铅酸免维护蓄电池 浮充电压为 14 1 V 其水平面太阳辐射数据参照表1 其水平面的年平均日辐射量为12110 kJ m2 Kop值为0 885 最佳倾角为16 13 计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量 1 蓄电池容量BcBc A QL NL To CC 1 2 25 12 24 15 1 0 75 1200Ah 2 太阳能电池方阵率P因为 Ns UR Uoc Uf UD UC Uoc 14 0 7 17 1 0 92 1Qp Ioc H Kop Cz 2 22 12110 2 778 10000 0 885 0 8 5 29AhBcb A QL NL 1 2 25 12 24 15 900AhQL 25 12 24 50AhNp Bcb Nw QL Qp Nw 900 30 50 5 29 30 15故太阳能电池方阵功率为 P Po Ns Np 38 1 15 570W 3 计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为570W 蓄电池容量为1200Ah 2 并网发电系统设计 2 1 并网系统选型 2 3 并网光伏电站项目的成本分析 2 2 并网光伏电站的设计 2 4 并网光伏电站设计案例 2 1 并网系统选型 并网光伏电站等值简化电路 大型并网光伏电站主要由光伏阵列 直流防雷配电柜 逆变器 交流防雷配电柜 变压器和监控系统等组成 并网光伏电站系统框图 根据发电量与用电量关系和当地电力供应可靠性的特点 并网光伏系统可分为以下几种形式 发电量大于用电量 且当地电力供应不可靠 则有逆流和储能装置的并网光伏系统 发电量大于用电量 且当地电力供应比较可靠 则有逆流无储能装置的并网光伏系统 发电量小于用电量 且当地电力供应不可靠 则无逆流有储能装置的并网光伏系统 发电量小于用电量 且当地电力供应比较可靠 则无逆流无储能装置的并网光伏系统 2 1 2光伏并网电站规模等级划分 根据国际能源机构 IEA 的分类 小规模 100kW以下 中规模 100kW 1MW 大规模 1MW 10MW 超大规模 10MW以上 根据装机容量确定光伏电站的等级 根据电压等级确定光伏电站的等级 根据国家电网发展 2009 747号文件分类 小型光伏电站 接入电压等级为0 4kV低压电网的光伏电站中型光伏电站 接入电压等级为10 35kV电网的光伏电站大型光伏电站 接入电压等级为66kV及以上电网的光伏电站 2 1 3光伏并网发电方式 集中式并网发电原理框图 1 集中式并网发电 适合于安装朝向相同且规格相同的光伏阵列 在电气设计时 采用单台逆变器集中并网发电方案实现联网功能 分布式并网发电原理框图 2 分布式并网发电 适合于安装不同朝向或不同规格的光伏阵列 在电气设计时 可将同一朝向且规格相同的光伏阵列通过单台逆变器并网发电 多台逆变器分布式并网发电方案实现联网功能 2 1 4主要设备配置和选型2 1 4 1光伏组件选型 光伏组件类型光伏组件通常分为晶体硅组件和非晶硅组件 薄膜组件 晶体硅组件又可以分为单晶硅组件和多晶硅组件 光伏组件的技术性能相比 晶体硅光伏组件技术成熟 且产品性能稳定 使用寿命长 故障率极低 运行维护最为简单 商业用化使用的光伏组件中 单晶硅组件转换效率最高 多晶硅其次 但两者相差不大 最后是薄膜组件 单晶硅组件 多晶硅组件 薄膜组件 薄膜组件具有与建筑结合良好的适应性 更强的弱光响应 更优异的高温性能 更低的成本以及对更强的抗遮挡能力 与建筑相合的BIPV组件 主要有以下几类型 1 双玻璃光伏组件 由两片玻璃 中间复合太阳能电池片组成复合层 电池片之间由导线串 并联汇集引线的整体构件 具有良好的透光特性 能满足建筑对采光的要求 2 瓦形太阳电池组件 可以代替屋顶上的瓦的太阳电池组件 直接在未铺设瓦的屋顶上 3 PV LED一体化组件 采用双层玻璃 一面为太阳照射面 另一面为发光二极管发光面 白天电池把太阳光能转化成电能储存起来 夜晚储存的电能给LED照明提供能量 4 光伏遮阳组件 是将太阳能光伏技术与传统的遮阳装置结合在一起的新型光伏建筑构件 晶硅电池在不同辐照下开路电压和短路电流关系 温度相同时 随着日照强度的增加 光伏组件开路电压几乎不变 短路电流有所增加 光伏组件电气特性 晶硅组件在不同辐照和温度下的功率特性曲线 温度相同时 随着日照强度的增加 光伏组件开路电压几乎不变 短路电流有所增加 最大输出功率增加 日照强度相同时 随着温度的升高 光伏组件的开路电压下降 短路电流有所增加最大输出功率减小 无论在任何温度和日照强度下 光伏组件总有一个最大功率点 温度 或日照强度 不同 最大功率点位置也不同 S 280D在不同辐照度条件下和不同温度条件下I V和P V特性曲线 光伏组件主要技术指标 效能参数 组件效率 额定功率输出功率误差 一般 3 填充系数 串联电阻越小同时并联电阻的耗损电流越小 填充系数就越大 弱光等级下的效率衰减 每平方米200W的日光辐射 衰减率 一般5年不超过5 10年不超过10 25年不超过20 温度系数 开路电压 短路电流 最大功率 从性能偏差 弱光特性和温度特性进行评价 1 光伏组件选型应满足使用场合的要求 如建筑物的类型和使用要求 选用大功率 高效率的晶体硅组件 从性价比考虑 宜优先单晶硅 并且单晶硅组件效率不低于15 多晶硅组件效率不低于14 2 光伏建筑一体化组件选型时需满足以下要求 美观性主要是光学要求 颜色 形状质感和透光率 结构性主要是承压 防雨 隔音 隔热等 安全性主要是电性能安全 结构可靠 功能性主要是温度通风要求 防热斑 方便安装等 光伏组件选型考虑因素 3 光伏组件的电性能与逆变设备的匹配 光伏组件性能参数具有离散的特性 主要表现在 a 光伏组件自身电性能参数的差异 即使同一公司不同标称功率的组件都会具有不同的衰减率 另外 在25年的使用寿命内光伏组件会有不超过20 的衰减 由于组件衰减不可能同步 组件的最大输出功率差异也比较大 b 光伏组件实际接受到的太阳辐射量差异 在相同环境里 由于障碍物造成的阴影 灰尘分布的不均匀等 使光伏组件实际发电量有差异 光伏组件性能参数的离散性或者辐照强度条件的差异均会造成光伏组串在并联情况下的能量损失 并且差异会随着工作时间加长而越来越大 温度对组件电性能影响分析 当电池的工作温度升高时 晶体硅和非晶硅电池组件都会出现T温度工作时 AM1 5 1000瓦 平方米 的最大输出功率下降的情况 但下降幅度是不同的 其计算公式是 Pmeffec PmX 1 a T 25 其中Pmeffec 为组件在T温度工作时 AM1 5 1000瓦 平方米 的最大输出功率 Pm 为组件在25 标准测试条件下 AM1 5 1000瓦 平方米 的最大输出功率 a 为组件的功率温度系数 非晶硅太阳电池最佳输出功率Pm的温度系数约为 0 19 单晶硅 多晶硅电池最佳输出功率Pm的温度系数约为 0 5 2 1 4 2光伏并网逆变器选型 并网逆变器类型并网逆变器主要功能是实现直流与交流的逆变 按是否带变压器可分为无变压器型和有变压器型 对于无变压器型逆变器 最大效率98 5 和欧洲效率98 3 对于有变压器型逆变器 最大效率97 1 和欧洲效率96 0 按组件接入情况划分组串式 多组串式 组件式和集中式 光伏并网逆变器分类 集中式 组串式 组件式 不同接入方式并网逆变器特性对比 依据功率不同和是否带变压器 型号各异 组串型光伏并网逆变器型号常有1 5KW 2 5KW 3KW 10KW 20KW 30KW 50KW 电站型光伏并网逆变器常有 100KW 250KW 500KW 800KW 1000KW 1250KW 型号中若带K 则表示带变压器 若带TL 则表示无变压器 三相工频隔离并网逆变器优点 结构简单 具有电气隔离 抗冲击性能好 安全可靠 缺点 效率相对较低 较重 其电气原理图如下图所示 例如对应于合肥阳光产品有 SG50K3 SG100K3 SG250K3 其额定电网电压为380VAC 三相工频隔离并网逆变器电气原理图 三相直接逆变不隔离光伏并网逆变器优点 效率高 体积小 结构简单 缺点 无电气隔离 光伏组件两端有电网电压 其电气原理图如下图所示 例如对应于合肥阳光产品有 SG500KTL 其额定电网电压为270VAC 三相直接逆变不隔离光伏并网逆变器电气原理图 并网逆变器主要技术参数 直流输入 最大直流电压最大功率电压跟踪范围最大直流功率系统 最大效率欧洲效率MPPT效率耗电 夜间 待机 通讯接口 交流输出 额定输出功率额定电网电压额定电网频率功率因数总电流波形畸变率 并网光伏系统逆变器的总额定容量应根据光伏系统装机容量确定 并考虑系统应用场合 并网逆变器的数量应根据光伏系统装机容量及单台并网逆变器额定容量确定 并网逆变器选择应符合以下几点 并网逆变器应具备自动运行和停止功能 最大功率跟踪控制功能和防止孤岛效应功能 应具有并网保护功能 过 欠压 过 欠频 电网短路保护 孤岛效应保护 逆变器过载保护 逆变器过热保护 直流极性反接保护 逆变器对地漏电保护 与电力系统具备相同的电压 相数 相位 频率及接线方式 应满足高效 节能 环保的要求 逆变器需要根据功率 直流输入电压范围 开路电压 最大效率及欧洲效率 是否带隔离变压器 单位投资成本以及供应商售后服务等进行选型 并网逆变器选型考虑因素 2 1 4 3直流汇流设备 汇流箱和直流配电柜选型 为了减少直流侧电缆的接线数量 提供系统的发电效率 方便维护 提高可靠性 对于大型光伏并网发电系统 一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置 汇流箱和直流配电柜 汇流箱进行一次汇流 直流配电柜进行二次汇流 同规格 一定数量的光伏组件串联成光伏阵列组串 接入光伏阵列汇流箱进行汇流 光伏阵列配置光伏专用防雷器和直流断路器 具有防雷和分断功能 以方便后级逆变器的接入 保护了系统安全 大大缩短系统安装时间 光伏防雷汇流箱根据最大光伏阵列并联输入路数 具有不同的型号常用的有6 8和16等 直流防雷配电柜主要是将汇流箱输出的直流电缆接入后进行汇流 再接至并网逆变器 根据工程需要和对应逆变器 配置不同的直流配电单元 该配电柜含有直流输入断路器 防反二极管 光伏专用防雷器等 操作简单和维护方便 2 1 4 4交流配电柜选型 交流防雷配电柜主要是通过配电给逆变器提供并网接口 每个交流配电柜单元输入与输出回路配置交流断路器 并配置交流防雷器以作电涌保护 配电柜根据需要配置电压表 电流表及电能计量装置等 2 1 4 5防逆流控制器选型 对于不可逆并网系统 为了防止光伏并网系统逆向发电 系统需要配置一套防逆流装置 通过实时监测配电变压器低压出口侧的电压 电流信号来调节光伏系统的发电功率 限功率 切断 从而达到光伏并网系统的防逆流功能 根据电网接入点与逆变室位置 决定防逆流装置网侧电流 电压采样和控制部分是否需要分离 即方式一防逆流控制柜和防逆流控制箱或方式二防逆流控制器 防逆流控制原理 2 1 4 6升压变压器选型 升压变压器在选型时 首先就清楚项目地的环境条件如海拔高度 环境温度 日温差 年平均温度 相对湿度 地震裂度等 以及电力系统条件如系统额定电压 额定频率 最高工作电压 中性点接地方式等 接着进行变压器的型式选择 常用的有油浸式变压器 干式变压器以及组合式变压器 根据铁芯材料不同 又可以分为普通硅钢片和非晶合金 非晶合金由于损耗低 发热少 温升低 与硅钢片相比运行性能更稳定 光伏电站的主变压器选型时 需要考虑以下几方面 光伏电站区域单元容量 在确定主变压器的额定容量时 需要留有10 的裕度 负载损耗和空载损耗 考虑光伏发电的特殊性即白天发电 不论发电装置是否输出功率 只要变压器接入系统 变压器始终产生空载损耗 要求变压器的负载损耗尽量低 若变压器夜间运行 则要求空载损耗也要低 过载能力 根据选择的主变压器形式 干式和油浸式 干式变压器过载能力比较强 油浸式过载能力比较低 可充分利用其过载能力 适当减小变压器容量 使其主运行时间处于满载或短时过载 维护 最好免维护 5 根据工程实际确定变压器高压 低压进出线方式 从设备可靠性 性价比 节能等方面考虑 大型光伏电站的变压器优先选用干式变压器 2 2 并网光伏电站的设计 2 2 1并网光伏电站设计考虑因素 1 不同安装方位角及倾角对光伏系统影响 正南和最佳倾角使方阵面上全年接收的太阳辐照量最大 发电量最大 2 阴影遮挡对光伏系统影响 临时遮挡 树叶 积雪 鸟粪 灰尘等 项目地周围遮挡 建筑物遮挡 自身遮挡 阵列 不同阴影遮挡对光伏系统影响 3 光伏组件与逆变器的匹配性 4 组串的一致性 5 汇流的合理性 2 2 2并网光伏电站设计 光伏电站设计主要包括三部分 系统总体设计部分 电气设计部分 建筑与结构设计部分 系统总体设计包括 总体布置设计 系统方案设计 阵列设计 电站消防设计 电站给排水设计等 电气设计部分包括 电气一次设计和电气二次设计 电气一次设计 接入系统设计 直流 交流系统设计 电站防雷接地设计等 34 电气二次设计 保护 调度 计量和通信 光伏电站监控系统设计等 建筑与结构设计部分包括 支架设计 支架基础设计 配电室和升压站设计等 2 2 2 1系统总体设计 光伏电站设计第一步是站址的选择 主要从三方面 自然条件的调查 太阳辐射量 地理位置 交通条件 水源等 接入电网条件 与接入点的距离 接入点电压等级等 环境影响 有无阴影遮挡 积雪 雷击 沙尘等 1 总体布置设计光伏系统设计以合理性 实用性 高可靠性和高性价比为原则 在保证光伏系统长期可靠运行 充分满足负载用电需要的前提下 使系统的配置最合理 最经济 以高的性能比率 PR 和年平均发电量 kWh kWp 以及低的LCOE 元 kWh 为设计目标 进行总体布置设计 主要体现在模块化设计 通常以1MW为系统单元 直流和交流的优化布局等 2 系统方案设计系统主电气接线图 电站电气布置图 汇流箱 配电室和升压站布置以及电缆走向 汇流箱布置 规则且相对集中 便于就近设置电缆沟 确定配电室位置 依据汇流箱分布情况 利用路径最优化方法 同时兼顾考虑升压站位置 确定配电室位置 使汇流箱至配电室线路最短 配电室至升压站线路也短 2 光伏阵列设计 光伏阵列倾斜角和方位角设计 确定光伏阵列倾斜角需要使方阵面上全年接收的太阳辐照量最大 同时考虑光伏组件降雨自清洁和积雪自清除效果 以及与建筑结合情况 在与建筑良好结合和考虑组件自清洁情况下 光伏阵列倾斜角选择时依据不同倾斜角下年总辐射量最大进行 一般情况下 光伏阵列朝向正南即方位角为0 时 太阳能电池发电量最大 故确定光伏阵列的方位角为0度 安装光伏系统的建筑 主要朝向宜为南向或接近南向 不同朝向与发电量关系统如下图 不同地点和不同气候条件下 不同朝向发电量的比例是不一样的 注 假定向南倾斜纬度角安装的发电量为100 光伏阵列朝向与发电量关系图 光伏阵列间距设计 方阵间距计算示意图 光伏阵列的行间距离与日照和阴影有关 若光伏阵列附近有高的建筑物或树木情况下 需要计算建筑物或树木的阴影 以确定阵列与建筑物的距离 一般确定原则 保证冬至当天上午9 00至下午3 00光伏方阵不应被遮挡 其计算公式如下 太阳高度角的公式 sin sin sin cos cos cos 太阳方位角的公式 sin cos sin cos 式中 为当地纬度 为太阳赤纬 冬至日的太阳赤纬为 23 5度 为时角 上午9 00的时角为45度 D cos L L H tan arcsin sin sin cos cos cos 光伏阵列的串并联设计 根据并网逆变器的最大直流电压 最大功率电压跟踪范围 光伏组件的开路电压 额定电压及其温度系数 确定光伏组件的串联数 在设计光伏阵列的串联数时 应注意以下几点 1 光伏组件的规格类型及安装角度保持一致 2 需考虑光伏组件的最佳工作电压 Vmp 和开路电压 Voc 的温度系数 串联后的光伏阵列的最佳工作电压应在逆变器MPPT范围内 开路电压不超过逆变器的最大允许电压 3 晶体硅和非晶硅组件电压温度系数参考值如下 晶体硅组件工作电压温度系数 0 45 V 晶体硅组件开路电压温度系数 0 34 V 非晶体硅组件工作电压温度系数 0 28 V 非晶体硅组件开路电压温度系数 0 28 V 根据逆变器推荐光伏阵列工作点电压 Vimp 和组件最佳工作电压 Vmp 粗定光伏阵列的串联数即Ns Vimp Vmp 考虑温度影响即项目地最高气温和最低气温 验算在最高气温下 光伏阵列最佳工作电压不低于逆变器最小MPPT电压 在最低气温下 光伏阵列开路电压不高于逆变器最大直流电压 光伏阵列最佳工作电压不高于逆变器最大MPPT电压 Voct Ns Voc 1 t 25 式中 Voct 光伏阵列开路电压 V Ns 光伏阵列的串联数 Voc 组件的开路电压 V 组件开路电压的温度系数 t 实际气温 4 光伏系统的设计温度应满足项目地最低和最高温度 一般情况取 10 70 在设计光伏阵列的并联数 Np 时 应注意以下几点 1 光伏阵列组串的电气特性一致即光伏组件的规格类型 串联数量及安装角度应保持一致 2 接至同一台逆变器 3 在光伏阵列设计时 需要综合考虑电气布置 合理确定汇流箱 电缆沟和配电室位置 使线路最短 Np 光伏电站组件总数 Ns 光伏阵列基本单元设计 根据光伏组件串联数和支架加工性设计光伏阵列基本单元 考虑电气施工 基本单元组件数量是串联数的整数倍 排列数根据设计要求一般是1 5块 光伏基本单元排列数是2块的示图 2 2 2 2电气设计部分 1 电气一次设计1 接入系统设计 国内光伏系统接入主要参考标准 国家电网公司 光伏电站接入电网技术规定 分布式电源接入电网技术规定 光电建筑一体化系统接入 光伏建筑一体化系统一般直接接入用户侧 自发自用 分布式发电和微型电网成为其主流形式 其接入要求参考 分布式电源接入电网技术规定 为主 分布式电源接入电压等级宜按照 11 200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网 200kW以上分布式电源接入10kV 6kV 及以上电压等级电网 经技术经济比较 采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时 可采用低一电压等级接入 大型光伏电站系统接入 一般为大型集中式 通常在发电侧并网 采用 不可逆流 并网方式 电流是单方向的 并入高压电网 10kV 220kV 无储能 装机容量比较大 一般5MW以上 其接入要求参考 光伏电站接入电网技术规定 为主 一般原则 加入接入容量要求 11 小型光伏电站原则上不宜超过一级变压器供电区域内的最大负荷的25 T接于公用电网的中型光伏电站总容量宜控制在所接入的公用电网线路最大输送容量的30 内 电能质量要求 在线监测要求 需加装在线监测装置 大中型光伏电站 数据能够远传小型光伏电站 具备一年及以上的存储能力 具体要求 参照现有相关国家和国际标准 功率控制和电压调节 基本原则 大中型光伏电站应具备相应电源特性 能够在一定程度上参与电网的调压 调频 调峰和备用 在电力系统事故或紧急情况下 大中型光伏电站应根据电力调度部门的指令快速控制其输出的有功功率 必要时可通过安全自动装置快速自动降低光伏电站有功功率或切除光伏电站 此时光伏电站有功功率变化可超出规定的有功功率变化最大限值 事故处理完毕 电力系统恢复正常运行状态后 光伏电站应按照电力调度部门指令依次并网运行 光伏电站的无功功率和电压调节的方式包括调节逆变器无功功率 调节无功功率设备投入量 调整光伏电站升压变压器的变比等 光伏电站宜充分利用逆变器的无功调节能力进行无功率和电压调节 小型光伏电站 输出有功功率大于其额定功率的50 时 功率因数应不小于0 98 超前或滞后 输出有功功率在其额定功率的20 50 之间时 功率因数应不小于0 95 超前或滞后 小型光伏电站在电网频率异常的响应要求 对于小型光伏电站 当并网点频率超过49 5 50 2Hz的范围时 应在0 2s内停止向电网线路送电 电网异常时的响应特性 基本原则 小型光伏电站当做负荷看待 应尽量不从电网吸收无功或向电网发出无功 基本原则 大中型光伏电站应当做电源看待 应具备一定的耐受电网频率和电压异常的能力 能够为保持电网稳定性提供支撑 图2 4大型和中型光伏电站的低电压耐受能力要求 对于三相短路故障和两相短路故障 考核电压为光伏电站并网点线电压 对于单相接地短路故障 考核电压为光伏电站并网点相电压 安全保护 基本原则 光伏电站或电网异常 故障时 为保证设备和人身安全 应具有相应继电保护功能 保证电网和光伏设备的安全运行 确保维修人员和公众人身安全 基本要求 光伏电站应配置相应的安全保护装置 光伏电站的保护应符合可靠性 选择性 灵敏性和速动性的要求 与电网的保护相匹配 过流保护 光伏电站应具备一定的过电流能力 在120 倍额定电流以下 光伏电站连续可靠工作时间应不小于1min 防孤岛 光伏电站必须具备快速检测孤岛且立即断开与电网连接的能力 其防孤岛保护应与电网侧保护相配合 逆功率保护 当光伏电站设计为不可逆并网方式时 应配置逆向功率保护设备 当检测到逆向电流超过额定输出的5 时 光伏电站应在0 5 2秒内停止向电网线路送电 恢复并网 系统发生扰动后 在电网电压和频率恢复正常范围之前光伏电站不允许并网 且在系统电压频率恢复正常后 光伏电站需要经过一个可调的延时时间后才能重新并网 延时取决于当地条件 调度自动化与通信 大中型光伏电站应具有有功功率调节能力 并能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出 大型和中型光伏电站必须具备与电网调度机构之间进行数据通信的能力 通信系统满足继电保护 安全自动装置 调度自动化及调度电话等业务对电力通信的要求 光伏发电系统的继电保护 自动化 通信和电能计量装置的配置和整定 应在项目可行性研究阶段列入电网接入系统的论证报告 经校验合格后方能投入使用 并应与光伏发电工程项目同步设计 同步建设 同步验收 同步投入使用 电网接入主要设备 2 直流 交流系统设计 直流发电系统设计 直流发电系统设计主要指逆变器直流侧前的 包括光伏阵列 汇流箱和直流配电柜的设计以及直流电缆选型 直流线缆包括汇流箱 直流防雷配电柜和直流防雷配电柜 并网逆变器 直流电缆选择时应符合 选择合适的线径 将线路损耗控制在2 以内 耐压1KV 阻燃 额定载流量应高于断路器整定值 短路保护 其整定值应高于光伏方阵的标称短路电流的1 25倍 根据是否直埋 决定选择铠装或普通电缆 1MW并网光伏系统直流发电系统典型案例 光伏组件S 280D多晶硅组件 并网逆变器SG500KTL 8路光伏防雷汇流箱 500KW直流配电柜 光伏阵列的串联数是16 500KW光伏阵列配置了14个8路光伏防雷汇流箱 详见下图 1MW并网光伏系统直流发电系统典型案例 光伏防雷汇流箱设计按最大可输入路数设计不同路数的光伏防雷汇流箱 常用的有6 8和16路 汇流箱防水 防尘 防锈 防晒 防腐蚀 满足室外安装使用要求 采用光伏专用直流防雷器 正极对地 负极对地 正负极之间都应防雷 另外可以根据需要配置组串电流监测功能 光伏阵列防雷汇流箱电气原理框图 直流防雷配电柜设计直流配电柜设计需符合 1 符合 低压成套开关设备和控制设备 标准 2 直流配电柜根据与之匹配的逆变器进行设计 3 直流输入和输出回路应配有可分断的直流断路器 直流输入回路配置防反二极管 并且其断路器选型与汇流箱容量匹配 4 直流输出回路配置光伏专用直流防雷器 正负极都具备防雷功能 5 柜体高度和颜色与相邻逆变器和交流配电柜相匹配 6 输入和输出接线端子满足汇流箱接入和逆变器接出的要求 并留用足够备用端子 接线端子设计应能保证电缆线可靠连接 应有防松动零件 对既导电又作紧固用的紧固件 应采用铜质零件 交流防雷配电柜设计交流配电柜设计需符合 1 符合 低压成套开关设备和控制设备 标准 2 每个交流配电单元的输入侧 即每一路输入 和输出回路均应配有可分断的交流断路器 满足系统额定电压 额定电流 短路故障容量等要求 3 配电柜根据需要配置电压表 电流表及电能计量装置等 4 柜体高度和颜色与相邻逆变器和直流配电柜相匹配 5 输入和输出接线端子满足逆变器和电网接入的要求 并留用足够备用端子 6 交流配电柜设置防雷器 作电涌保护 3 电站防雷接地设计 防雷接地设计应符合 1 光伏建筑的防雷等级分类及防雷措施应按 建筑物防雷设计规范 GB50057的相关规定执行 进行光伏系统防直击雷和防雷击电磁脉冲 2 光伏发电系统和并网接口设备的防雷和接地 符合 光伏 PV 发电系统过电压保护导则 SJ T11127 的规定 3 接地装置及设备接地按 交流电气装置的接地 DL T621 和 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求 的有关规定进行设计 大型光伏电站典型防雷方案 光伏电站防雷电接地保护措施包括 光伏阵列支架防雷接地 相邻光伏阵列支架进行等电位联结 机房做好整体屏蔽和对外接地 对需要接地的光伏发电系统设备 应保持接地的连续性和可靠性 接地装置的接地电阻值必须符合设计要求 当以防雷为目的的进行接地时 其接地电阻应小于10 光