3KW家庭屋顶光伏太阳能发电系统

摘要随着可再生能源的益稀缺，随的环境染日益恶，因此新能源开发得

到了大的推广。阳光发电是能源和可再能的要组成分，它集开发利用绿色再生能源、改环境、改人民生活件于一体被认为是今最有发展

前的新源技术，因越越到人们青睐。太阳光发的广泛用将对护环境、经济可持续发道路起到要作用。太能光伏发电利有种方式一种是将太能伏电系统发的到电中然后供给负使用，称并网发电式。另一是凭借蓄池来进行能

量储的独发电方式，主用因架设路困难市电法达场合。论文京某3kW屋顶光伏网发电系的最佳设计，中包括光组件的布，光

伏件的串并联设，汇流箱设，面处理，电系统设计系防设计等些直影响屋顶伏并网发电站合理性、定性和用的经济效。关键字屋顶光伏并网配电系；防雷设计；流箱AbstractAsnon-renewableincreasinglyanof

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roofPVstationsofrationality,stabilityanduserbenefits.PV目

录摘.1目

录21绪4课的背41.2光系原5太能光发电的优51.4本设的体概述

光伏阵总体设计62.1光组的型6光组件串并联方72.3太能池件的布及安装7件的最佳角7件的最小距72.4组的装项8装系统地的要求...................................................................82.4.2平和面屋顶式安9光伏流箱103.1光汇箱功能10光汇流的设计特3.3光汇箱装注意项并网变器124.1并逆器理及选12容匹配计134.3压围与电池电匹配最输入流与电池电流匹配

135

4.5转效13光伏统的电气接入案5.1电接图13电的选145.2.1家电的选型14伏电缆的型6防雷设166.1雷的种式防击雷措施176.3防电应施6.4防雷波入维检修设计19总21致22参文献23附1绪1.1题的景随着国现代化经济快速发展全社会对源的需求益迫切，在大模的过

度开下，石油、炭不再生资变得日益稀，将快面临竭的命运。因此，新能的开发与使用经成为焦，并且开在很多地得到推广其中太阳能最有景的技术之一从环境保和能源战上都具有大意义。

发电在人对能源需求急增加，而石能源日匮乏的背下，开发和利太阳能等可再能源越来越受重视。世各国政府纷把充分发利用太能作为可持续发的能源战略策其光伏发最受瞩目。阳光发电是能源的重要成分，被为是当前世上有展前景新能源技术各达家均投巨额资金竞研开发并积极推进业进，大力拓市场应用新纪始，众国家纷纷制雄勃勃发展规划，动伏术和产的发展。各可生源法的布、快速发的伏屋计划、各种免收策和补政策以及逐成的色电力格，为光伏场发展供了良好的础近年光伏电快速发展光市开始由远农村和特应向并发电和与建结供的发展光伏发电已补向代源过渡。据际权机构的预测到21世60年，2060年全直利太阳能比将发到占世界能构的％，为人类基础能源之。李强认为，工化信化的深融合是产业级方和动力他意达家依靠信息术电技术的合，可再生源电网比例以达到，而国存在风电光发并网难问题。李克要，能电网能只对大用开放而要利用信技，励发展规模、分布发。他的推下，国家电已向单、家庭的屋顶伏发电开。特别是家电网公发布的《于做好分布式网务工作的意》实，极大激发了单位家个投资分式发电项目情，新能源分布式电及并网推广与应起到了积的促进作。1.2伏系原理

源的热屋光伏并网发系就将太阳发电设备组安在顶上，中括光组、组件支架防汇箱、直配电柜、光并逆器、交配电柜、升变器统等。系统常电相连，同承担供电务当阳光照时，逆变器光发系统所发的流转成正弦流电，产生交电以直接给家庭交流载用然后将剩余电输电网，者直接将产的部能并入网。有足光射的时候，载电部由电供给。1.3阳能伏发的优1太能源处可得，就供电。不长离输送，免长距离输电所造的电能损失，时也节省输电成本这同时也家用太阳发电系统在输便西部大规模用供条件。太阳光伏发电的能转换过程单，没有间过程和械运动，存在机磨，发电效率太阳光伏发电本身使用燃料不排放包温室气体其他废气在内任

电械何物，不污染空，产噪声，环境友好，会受源危机燃料市场不稳定造的冲击，是色保新型可生能源。4、阳能伏发电过不需要冷水，可以装在没有水的漠戈壁上光伏还以很方便地建物合，构光伏建筑一化电统，不要单独占地

发可省宝贵的土资。5、阳能光发电操作、护单运行稳可。套伏电系统只要太能电池组件能电加之自控制技术的泛用基本上需人值守，低太能光伏发电作能定可靠使用寿命(30年以上)晶体硅太阳电寿命可达20~35。太能电池组件构单体积小重量轻，便运和装。光发电系统建周期短，而根用负荷容可大可小，便活极易组、扩容。对于缓常能源的短缺减环污染具重要的意义1.4次设的总概述本题为家顶伏太能发电系的设计与工，但并没有际去完

成项，而是参考它建使用的网光伏发电目理知识结，本课题设计一个小型系统针对普通庭的用电需求，拟设在京某建筑顶，可利

用积为40平，体面向正南屋基为平面构也考虑斜屋。均每天电可一1kW的载作小，并且实施网作2伏方阵总体设计2.1伏组的选为了效合理利用太能，必须择转换效比较高的伏组件作为系的发电

单元当然性价比很要这样选不仅能够节高合的使用限面积，而可达到发电量的要求项目采用了190W多晶硅层压太阳能电池组件，参数见表1。项目称峰功率峰工作电压峰工作电流开电压短电流尺重开电压温度系

技参数42V1585*810*35mm16.8kg-31%/℃工温度表2-1

-℃℃2.2伏组的串联方光组件的串并方不和光伏件的技术参有，且与光并逆术参、光伏组件发效率有关同时也与个光伏并发电系统施工方便、发

效率造价成本等都很的关系光伏组件原上须同一日的条件下联否整体的发电效肯定会受输出能量低的光伏件的影响从而导致整体效的下降。

进行发按照期假设，则需在屋顶布块组件，功约为3kW需要占用顶积不到30㎡以8块伏电池串联1组，用2并的方式，8串2兵方式入一台并网逆器。2.3太阳电池件的臵及装2.3.1件的佳倾南京于北纬′′,属于亚热带季气候区，季分明，

量沛光能资源足，年峰日照小时为右。根据伏计件计算伏组件阵最佳倾角为2.3.2件的小间设阳能电池组方阵后安装的最小间距D。般确定原则冬当早00至午3:00太能池组件方阵应遮。计算式如下：式中φ为纬度(在半球为正南球为负)根项目地点经度算H：光伏方阵列的高度光方阵列间应不小于D22图2-1根据用的光伏电池数计算得2.4

组的安事项2.4.1

安系统点的求家庭顶光伏系统需考虑的条是可使用积、房屋构和承重要求。屋面承重能必须大于不考虑房是木质结的房屋，因为伏系统使年限

长25年木房易腐坏，以建议进行装若在斜面顶如图和2-3）建设阳能光伏电站不能像平结构那样便的设计选择最佳角。如在

平屋顶上如图），为了便光组件和屋顶合一都在屋上直接平铺架，地理元决定得北半球朝南面，半球铺朝面原则，够最大效利用光能支架与屋顶用具接，光电池组件再装支上。这方式不仅美且可实现屋顶面积用最大化图2-2

图2-3图2-42.4.2

平和斜屋顶安装屋太阳能电池件列采取抗压措施。设初应建筑结专提按风力等级要对池方阵载进行力学计。在个屋面采镀不钢支组装的方式组非方便，加钢支与面构相承重结构,将支的重心设计在面的承重上，不仅决屋面承能力，也破坏屋面防水，还适南京的气候环特点。1）架料的选池组的支架框要求简单结实、耐。但无论哪种装结构都要确保牢固撑以及组件固良，目标能够使光伏阵固工作多，并能够抵劣天的侵袭。许多件制造商时也专门自己产品计生产了定装臵。方支架重量要，便输和安。制造安装池阵架的材，要能够受风雨淋的侵蚀及种腐蚀。门定制安材料会比昂贵，不的材料成本又相。

不铝：重量轻，实耐蚀。铝铁是一种容加的料，用用工钻孔而且这种材料容易与多光伏组件架配合。点是铝不易焊接。角：容易加工但容被腐蚀镀锌角铁抗蚀相较好，是装架或螺栓使其生锈，特是环境比潮湿的季。这种材容易买到可以直接焊成

支。在实工程中，电镀、电镀钢及不锈钢是较为理的方阵支架材。2）面顶式安屋顶选择合适安装平面根据电池件支架的规格屋顶当的位臵打孔通过用螺栓支固在屋顶。各种安装法增屋顶承及风应力等题在整组件安装完毕，用防水把屋顶打缝隙填实防止雨水透。施工期间别意安全，应房周搭建脚架。由于流通路完全环电池组件围，组件保持相对低的工作温度从而提了率。有些支安方可以按季节调节倾，提光伏系效率。

特高屋顶杆离方阵边缘离应该大1，栏高度应按际情况确，但周围及杆得影响方阵面光。如安面积有限，可据场条件当调整。3斜面顶安装在顶安装U型卡件，阵架与U型件接能够方便可地固定于建筑屋。铺设油毛毡用密封胶孔填实，伏组件安从屋檐由向右横向安装

再自向上一层一安。证各组连接外的防漏能若有雨渗漏，都能组件框下趟，不会漏到组件面。根据阵的数量以及面安装面合理排列阵。并且证背板留有空通风散如方阵距离屋超8cm，那么方就保持比较的度从而输更的电不推光伏组件与建屋顶平齐装，因为样组件将以测试和换，而且方

热量。阵会因为工作度高导致性下降。

3光伏汇流箱光汇流的功太能发电系统要光电池阵、光伏汇流、伏变器和网成光经太阳能电池阵被转换为流电，然再通过逆器变为交电并入电网或

者接给负载使用但，于光伏池的转换效不，以光伏站往往占多的土地范围比较大。了减少光电池阵列逆变器之的连线，在电池阵

列逆变器间进行保护就要多路太能电池阵列出行流、保后，为较少路输出入到逆变器里而光伏汇箱就是起这么一个用。光汇流箱用于接伏列与逆器的设备，防等为IP65，备雷过流护功能，并监光伏阵列单串电流电压、防箱体内温情况。为了提

高统的靠性和实用，在伏汇流里配臵光伏用流雷模块直流熔断路、监控块等，方便用及时准确掌握光伏池板的工情况，保太统挥最大功效光汇箱的电原理图见附1。

阳光伏发电系无论阳能电站大小一般需要光伏组件逆变器之增加直流汇流臵。使

用伏流箱，可以据变输入的流电压范围把定量的规相同的光联组成1光伏件串列，再将干个串列入光伏阵防雷汇流，通过器输出，方便后逆器的接。

防器与断路

光汇流的设特点1）体构全、可，证件装及操作时摇、不变形在箱体设计对机盖及底均加了加强，具有足的机械强。2设保防等级，用机四封闭密封条案，具备防、灰防锈防烟雾，足室外安的使用要。每电池串列的负都有光伏用保险丝进保；汇箱采用自供模，省了汇箱安装时的源线给前期工布来方便；直输出母线配光专高压防器，正极对、极地、正极之具防雷功能；采正负极分别联四断路器高直流耐压；汇箱配臵智能控元检测每电流、输出压箱内温度雷击等息；提了扩展功能可PC机行讯实远检；具多种通讯方，供RS485接口和无线接；3.3

光汇流安装意事光汇流箱设计一正使用环条件为a使用境温度：-25℃～+55℃（阳光射）相对湿度≤95%，凝露符6.1.2.3中染等级3规；海拔度≤3000m无剧震动冲击,垂直倾度≤；空中应不含有蚀及炸性微和气体。白安光组件时应不透光材料遮住

b）光组件，否则太光，光伏件会产生很的压可能导电危险丝受来自逆器和光伏阵的压严禁在作时触碰保丝检和更换险前直流路器断开但注意此时流路的所有子仍会有高，须换与原号同熔丝4并网逆变器4.1网逆器原及选并网变器是光伏发系统的核部件和技关键。并逆变器可将光组件发

出的流电转换为流，且还可对转换的交电频、电压电、位和功、电能品（压动、高谐波）等进控

。并网变器主要分高变压器型低频变压型和无变器型三大类。据所设

计系以及业主的体求主要从全性和效率个面考虑变器类型。以下是们间的对照表4-1：类

安全

转换率

成本格

重量尺寸因素高变压器型低频压器型无变器型

中高低

低中高

中高低

中大小表4-1家光伏系统是系，需很高技术指标，变不隔离变器，源转换率更高,结合成本因素，表的变器主要参数下。产图片

项名称最大入功率最输入电压最输入电流直流入路数MPPT踪路接电网类型额定流输出功率并入网的电压范围并电网的频率围尺重量

技参数500V18A2路1路单47-50.5Hz360*415*145mm防护级散方式表4-2

自对流项根据安装容选Eversol

逆器采世先进的频术最转率，MPPT跟踪精度达99.5%。最大率电压可达500V，可串联多的池板，减少流端损耗；品的产品和天室内外应。的护级可保证设备在种劣境下仍稳定工作。4.2容匹配计并网统设计中要求池阵列与接逆变器功率容量匹配，一般的计思路组标称功率×件联×组件联数＝电池列率在容设计中，并网变器的最输入功率近似等于池阵列功率，实现逆变资源的大利。4.3MPP电压围与池组压匹

是根太阳能电池输特，电池件存在功率大出，并网变具在点入电压范围自追最大功点的功能，此池列的输电压应处于逆变器电范以内。电池件电压×组件联数＝电阵列电压般的设计路是电池阵列标称电近似等于并网变器压的中间值这样可以达的最佳果4.4大输电流电池电流配电池阵列的最大输电流应小逆变器最输入电流为了减少组件逆变器过程中直流损耗，以防止电流大对逆变造成过热电气损坏逆变器最大输流值电池阵列的电值的差值尽量大一。电池件短路电流×件并联数电池阵列大输出电4.5转效率并网变器的效率标一般分最效率和欧效率，通加权系数修正欧洲效更科学。逆变在其它条件满的情况下转换效率越高越好5伏系统的电气接入方5.1电接线

入电率本案主要适用自自/余量网（接入户网）的家光电站系统见。首需要在家庭内电内安装台微型式断器一具有双计功

的智电能表。通该气关控制入电网，增一明的开断，满足自动开闭锁能，低电压电求符合电安全运行要；向量功能智能电不低2.0级，作为计关口。其，需要在并交配箱内安一台精度不于2.0级的计多功能表，作校核电能表电表流电压路接线接入压尽回路。图5-1电气主接线图5.2电的选5.2.1家用缆的型1）压估计导线线一按下式算：S=IL/r×U`式中：线通过的最大流）L~线回路的长度率，铜取57，取许的电源（导的截面积（说明

U`压可整个系中所用的设（探器）范分给系统供用电源电值综起来考虑选用计出来的截面往靠绝缘导载流量估算222222）面流通金导截面存最通电，了计算电压之外，还需证电缆界面流是否满足件铝绝缘导载流量与截的数系如下5-1。截/mm1554610162535507095

倍999876543.533

表5-1

电A9142332486090100123150通上表可以估出缆面的安载流量。估方如：十下；上；五三四三界；七九两半；穿温度八九折铜升算；裸加一半。下就是十以下以；上二就百以上乘以；五五四三就是二

五以四，三乘以三；七九两半就是零和九五线乘二五；穿温折就随温的变化而变，算的安全流数上乘以点或点九；

线级算就是在同面铝芯线的础升级，如点五铜芯线是二五铝芯一级则按四方米铝芯线算裸加半就是原已算好的全流基础上加一半。现一般家用电规是1.

m2.5mm在装伏统时候，需考光系统装机容和家有电缆格的关系，原电能否满光伏系统的电流尤其是电表线规大小。5.2.2光电缆选型

光系统中电缆选主考虑如因素1）电的绝缘性；电的耐热阻燃能电缆防潮，防光；电的敷设方式电缆的类型（铜芯铝芯）6电的小格。光系统中不同部之的连接因为环境和求不，选择电也同以分别列出不连部的技术求：1）件组之间的连：须进行测试耐90，酸，防化物，潮防晒电缆使在户外，直暴在光下，伏系统的直部应用耐氧化耐高温、耐外的缆。方内部和方阵间连：可以天或者埋在下要防潮、曝晒。建议管安装，导必耐90。方和逆变器之的线必须进测试，耐热90，酸防学质，防潮防曝晒。电使在外，直暴露在阳光，伏统的直部分应选用耐化、耐温、耐紫外的缆电大小规格设，须循以下则：1）交负载的接，选取的缆定电为计算所得缆最连续电的倍逆变器的连，取电缆额电流为计算得缆最大连电流的1.25倍方内部和方阵间连，选取电缆额定电为算得电缆最大连续电的。考温度对电缆性的响。考虑压降不要超过2。适的电缆尺径取于个因素电流强度与路压失。完的计算公式为线损电×电路总长×线缆压因子（由电缆制造商获得）。6防设计6.1雷的三形式1)直击雷直击是带电积云与面目标之的强烈放。雷电直击在受害物上产生电应、效应和机械力从而对设或设备造破坏，对畜造成伤。

效直击的电压峰值通可达几万V至几万，电流峰值可几十乃几百kA，坏性之所很强，主要是于雷云所藏的能量极短的时(其持时间常只有几微秒几百微秒)就能释放来，从瞬功率来讲是巨大的。2)感应雷电应雷的能远小于直雷，但感雷发生的可能远大于直雷。感应雷为由电感应形成雷由磁感应成的雷两种静感雷：当云来临时地切物体尤其是导体由静感应，聚集起大量雷极相反的缚电荷，在云对或对另一雷闪放后，束电荷就变成自电，从而生很高的静电(感应电压)，其过压值可达到几到十，种电往会造成筑内导线、接地良金物导体大型的金属备电电磁感雷：雷电放于电流的变化大在电流的道附近产生速化强磁场这种迅速变的磁能在邻近的体感出很高电动势。雷波侵入当空线路或地浅的金属道线缆直接受雷或附近落而感出高电时，感应过压产脉冲浪，如大量的荷能途迅速地，就会形击沿导线或管传。个传导电压会影响破很范围内连接的设备6.2防击雷措施安装伏系统时，防接地系统施工质量系到工作员和系统设备安全问

题常防雷电可分防击电、防应雷电和综性雷。防直雷电的避装一般三部分组成即闪、引下和接地体(1)接器的选安于顶的光伏方，果于接闪臵的保护范内不可能遭大于所选滚半径雷电流接击接闪器为避雷针、雷和雷带，根据实际选。据筑物的防雷别使滚球法确定避雷针高和量。此，还应注意持伏支和避雷针之的离离。现的建筑屋顶有有雷设施有的没有避设。对安装于屋顶光方的防雷要充分利用防已的防雷施降成，又虑防雷效果以雷针作为接器防电原理：避雷针通导接地下，地形等位，利用自身高，电场强增加到极限的电电场发畸变，开始离下先导放电；雷在电场作下产生尖端电形向上先放电；两者合成电通路，随泻大，达到雷效果。实上避针是引针，可将周的电来并提前放，雷电流通自身的接地体向面，避保护象接遭击。避针之外还有雷，是通过护对象的制点另制高点地接金属线的雷电，它的防作用等同在弧垂上一点都是根等高的雷针。后发展了避雷，是屋顶四的女儿墙或脊屋上安装属做来防电。避雷带的护原理与雷线一样由于它的闪面积大接闪设备附近

空电强度相对比强更易引雷先导，使附尤比低的物受雷击的率大减少从防范围等级从小大可分为单针型避针②双支高避雷针③多避雷针④雷线与避雷针组合。一像3kW的小屋顶光伏阵，只需要选单针型避针就能达到求(2)接地系统所接地都要连在个地体上光伏系统的地括下几个面地为了防止各雷起雷电流损害，避雷、雷线以及低压

防接避器，连接架线的缆金属皮必须可靠地器中性点、电和流感器的次绕组必须

工接地：为保安，变地保护接地：防出正常情下不带电、绝材损坏后其他情况下能带的情况，光电组机架、制器外壳、变外、配电外壳、电缆线属管道的外必接。屏接地：为了止磁扰而对子设备所做金屏必须接。6.3防电感措施防电感应主要用电连接。则上说，从部入筑物的有电须接等电位连接系中，所有带电的金部件直接接到等电系统。不电的金属部包设、太阳池板四周铝金架支架、属道金属皮都要可靠接，每件金物品都要独接到接干线，不许串联后再

接接地线上。带电件(如缆)通过安装涌护器间接入电位连接系统6.4防雷电侵入由于电波(雷涌侵入成控制机内控制器逆变器遭坏的概率大，以须对雷电波入行护。光发电系统的电涌侵路径了光伏阵列机房的引入线，还有配线路、接线以及架进入室内的金管道和

所电缆从接地线侵是于近的雷使大地电位升使大地电比电源高，而生从地线向电源侧反向电流光阵列到机房引线雷电波入的主要途。此可以采多防措施行保护。在池列主回路分散安装避元，接线箱也安装避雷件保接线箱与制间大10m；在伏阵列逆变器之间每引线上加防雷器在制器、逆变内装雷元器；在逆变器配柜间安装压式浪保护器。对低压配电线入雷浪涌，过安装在配盘的雷元件付在的域，在交流源安耐雷变器更加安全对供线路、传输电和架空线，可在线安装金属化物避雷器，在每条路火线和零线装。架空进室内的金属道

回电缆金属外皮要将们在入口可靠接地冲击接地阻值不得大于接最好采用电的式若做不电焊也可采螺连。7护检修设计在伏电站的日运维中，需准备以下工和料烙铁、手纸洁剂抹布、旋具、体密度计安全护目、橡皮手、万用表碳酸氢钠、蒸水可电源、熔断、池导线、线钳、产品料维指南等1光伏列的维护光系统设计寿通在20以，其故率较低。光系的用与维的好坏接影响着系统使用寿命影响着系的运行成和发电效。一般情况下无

、对阳电组件进行表清处，但对露在外的接接要行定期维护

查，①

保光伏阵列采面清。在少和风沙比较的节应3周清一，清洗应先用清水冲，然后用净的柔软布将水擦，切勿用腐蚀性的溶剂洗或硬物擦拭。②遇风、暴雨、冰、大雪等况，应采措施保护伏方阵，以免坏。

，③

组的接线盒应期查防风化定期检查光组板连线是牢固，方阵线盒内的连是牢，按需紧固；检查伏件否有损或异常，如损栅断裂、出现斑；查光伏件接线盒内旁二管工作否正常。当伏件现问题时，时换并且详记录故障组在伏列内的体安装④每度查一次各阳电池组件的装接街头，发现有封装胶、电变色及接头动脱、腐蚀情况，应及处。⑤

定检查方阵支是牢，支架接地系统的接否靠，电金属与地系统的连是可，按需可靠连接。2）制和逆变电流控制器逆变器通常分靠，可以用年。有时设问题，电子器件过长期运行能被坏，此，雷击因素可导元器件坏。①

定检查控制器逆器其它设的连线是否固检控制器逆变接连线是否牢，需固紧。②

检控制器、逆器电板上的器件有无虚现、无损坏器件需进行焊接或换③

检控制器的运工参点与设值是否一致如一按要求行调整④

检控制器显示与际量值是一致，以判控器否正常3）雷臵定期量接装臵的接地电值是否满设计要求定期检查设备部与接地系统否连接可靠，出现连接牢靠，必要焊接牢；在雷雨后或雷雨季到

之前检查方阵汇盒及设备内装的防雷保器否效，并据需要及时8结在整大学生涯中，业设计是个相当重的环节，我们步入社会与实际

项目规划建设的次好演示。业设计是三学的结和提，和做科研作类，要有严谨求的科学态。毕业设有一定的术价值和用价值，能

反出作所具有的专基知和分析决问题的能。最的选题开题到整理料直到完成设。在这期，查阅资，老师指，与同学流