《储能技术》课件-项目1 某校园3.6kW离网光伏发电系统的设计施工与运行

《光伏发电系统设计、施工与运维》詹新生项目1某校园3.6kW离网光伏发电系统的设计施工与运行教学内容任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工任务1.33.6kW离网光伏发电系统运维任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1.1.1离网光伏发电系统简介

离网光伏发电系统也叫做独立光伏发电系统。其结构示意图如图1-1所示，主要由太阳能电池组件、控制器和储能装置（蓄电池、超级电容器等）组成，若要为交流负载供电，则还需要配置交流逆变器。图1-1离网光伏发电系统示意图任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1.1.2离网光伏发电系统的设计内容、原则及步骤

1.设计内容

光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，软件设计先于硬件设计。2.设计原则

离网光伏发电系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，使用最少的光伏组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。

离网光伏发电系统设计必须具有高可靠性，保证在较恶劣条件下的正常使用；同时要求系统的易操作和易维护性，便于用户的操作和日常维护；系统的设计、施工、维护要具有低成本；设备的选型要标准化、模块化，以提高备件的通用互换性，要求系统预留扩展接口以便于日后规模和容量的扩大。3.设计步骤

可按以下步骤进行设计：收集资料（项目所在地的辐射量等天气、地理信息，系统负载信息等）；→理论计算（负载用电量、组件安装方位角及倾角、组件峰值日照小时数、蓄电池容量估算、组件功率估算）；→设备选型（蓄电池、光伏组件、逆变器、控制器）；→方阵设计（组串设计、支架系统、前后间距）；→电气设计（电气连接、防雷接地等）；→辅助设计（数据采集、环境检测、监控系统等）。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1.1.3离网光伏发电系统的设计过程

离网光伏发电系统也叫做独立光伏发电系统。其结构示意图如图1-1所示，主要由太阳能电池组件、控制器和储能装置（蓄电池、超级电容器等）组成，若要为交流负载供电，则还需要配置交流逆变器。

1.负载用电量计算

通常列出所有负载（交流和直流）的名称、功率大小、额定工作电压和每天工作时间；然后，将负载分类，并按工作电压分组，计算每一组总的用电量，算出系统每天总的用电量；接着，选定系统直流工作电压，计算整个系统在这一电压下所要求的平均安时数（A·h）数，即算出所有负载的每天平均耗电量之和。

任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

2.蓄电池选型

铅酸蓄电池按产品的结构形式，可分为开口式、阀控密封免维护（VRLA电池）和阀控密封胶体式，如图1-2所示。密封免维护蓄电池因其维护方便，性能可靠，且对环境污染较小，特别是用于无人值守的光伏电站，有着其他蓄电池所无法比拟的优越性。

任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（1）蓄电池的主要技术参数

1）蓄电池的容量（A·h）

理论容量是根据活性物质的质量、按照法拉第定律计算而得的最高容量值。

实际容量是指电池在一定放电条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积。

额定容量在国外也称为标称容量，是按照国家或有关部门颁布的标准，在电池设计时要求电池在一定的放电条件下（一般规定在25℃环境下以10h放电率电流放电至终止电压）应该放出的最低限度的电量值。2）蓄电池的电压

开路电压指蓄电池在开路状态下的端电压。

工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称为端电压。

浮充电压是指电源对电池进行浮充时设定的电压值。

放电终止电压指蓄电池以一定的放电率在25℃环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压称为放电终止电压。3）放电时率和放电倍率

放电时率指以放电时间的长短来表示蓄电池放电的速率，即蓄电池在规定的放电时间内，以规定的电流放出的容量。放电倍率是放电电流为蓄电池额定容量的一个倍数。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

4）内阻

电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻。5）放电深度

在蓄电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。6）自行放电率

蓄电池的自放电是指蓄电池在开路搁置时自动放电的现象。

（2）蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义

蓄电池名称由单体蓄电池格数、类型、额定容量、电池功能或形状等组成，其组成示意图如图1-3所示。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（3）普通免维护铅酸电池和胶体电池

铅酸蓄电池包括胶体和液体两大类。胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。

（4）连续阴雨天数

连续阴雨天数，也称作蓄电池自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。一般来讲，连续阴雨天数的确定与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。

（5）蓄电池容量计算

确定离网光伏发电系统蓄电池容量最佳值，应综合考虑光伏阵列的发电量、负荷容量、控制器的效率及逆变器的效率等。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1）基本计算方法及步骤a.将负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的连续阴雨天数得到初步蓄电池容量。b.蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。一般情况下浅循环型蓄电池选用50%的放电深度，深循环型蓄电池选用80%的放电深度。

c.综合（1）、（2）得电池容量的基本公式为式中电量的单位是A﹒h，如果电量的单位是W﹒h，先将W﹒h折算成A﹒h，折算关系如下：任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1）实用蓄电池容量计算公式任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1）基本计算方法及步骤a.将负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的连续阴雨天数得到初步蓄电池容量。b.蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。一般情况下浅循环型蓄电池选用50%的放电深度，深循环型蓄电池选用80%的放电深度。

c.综合（1）、（2）得电池容量的基本公式为式中电量的单位是A﹒h，如果电量的单位是W﹒h，先将W﹒h折算成A﹒h，折算关系如下：任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计1）基本计算方法及步骤a.将负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的连续阴雨天数得到初步蓄电池容量。b.蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。一般情况下浅循环型蓄电池选用50%的放电深度，深循环型蓄电池选用80%的放电深度。

c.综合（1）、（2）得电池容量的基本公式为式中电量的单位是A﹒h，如果电量的单位是W﹒h，先将W﹒h折算成A﹒h，折算关系如下：任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计3）参考公式3任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计4）参考公式4任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计5）参考公式5任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计6）参考公式6任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（5）蓄电池组的串并联计算任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计4.光伏组件选型

（1）光伏组件的性能

光伏组件的性能主要指电流-电压特性，可以用特性曲线描述，称为光伏组件U-I曲线。该曲线描述组件输出电流和电压之间的关系，如图1-8所示。图上所示有3个重要意义的点，即最大功率点Pm（Ump×Imp）、开路电压（Uoc）和短路电流（Isc）。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（2）光伏组件或方阵的设计方法任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计5）设计方法5

①光伏组件串联数Ns任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

②光伏组件并联数NP任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（4）光伏组件的选型

组件选型的要点：①颜色与质感；②强度与抗变形的能力；③寿命与稳定性；④发电效率；⑤尺寸和形状；⑥组件价格；⑦环境友好度等。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计6.光伏控制器选型

光伏控制器的作用是对太阳能电池组件所发的电能进行调节和控制，最大限度地对蓄电池进行充电，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，光伏控制器还应具备温度补偿的功能。

(1)光伏控制器主要技术参数1）系统电压

2）最大充电电流3）太阳能电池方阵输入路数4）电路自身损耗5）蓄电池过充电保护电压（HVD）6）蓄电池充电保护的关断恢复电压（HVR）7）蓄电池的过放电保护电压（LVD）8）蓄电池过放电保护的关断恢复电压（LVR）9）蓄电池充电浮充电压10）温度补偿11）工作环境温度12）其他保护功能任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（2）光伏控制器的分类

光伏控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。

（3）光伏控制器选型考虑的主要技术指标

光伏控制器的配置选型要根据整个系统的各项技术指标并参考厂家提供的产品样本手册来确定。一般要考虑下列几项技术指标。

①系统工作电压。

②光伏控制器的额定输入电流和输入路数。

③光伏控制器的额定负载电流。

任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计7.离网光伏逆变器的选型

（1）对离网逆变器的主要技术要求1）可靠性2）额定输出容量3）逆变器效率4）起动性能5）输出电压的调整性能6）系统输入电压7）系统输出电压及频率8）保护功能11）通讯功能

（2）离网光伏逆变器的选型1）额定输出功率（容量）2）输入电压3）输出电压和频率任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

8.光伏阵列防雷汇流箱选型

（1）汇流箱简介

在光伏发电系统中用户将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来组成的一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联，而光伏汇流箱就是将这些组合好的光伏串列并联接入汇流后再输出。其实物图和电路图如图1-12所示。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（2）光伏汇流箱选型应考虑的因素1）汇流箱的功能

汇流箱除了具有汇流功能外，一般还具有短路保护、防反、防雷、监控等功能。2）技术参数

技术参数方面可参考的一些参数有输入路数（常用的有6、8和16路等），最大输入电压（一般为DC1000V），每路输入电流，检测单元监测每路输入电流、输出电压等。其中汇流箱熔断器选型要求，其电流大小为1.56Isc，Isc为电池组件短路电流。3）使用环境要求

使用环境温度要求、海拔要求、防护等级及体积大小也应作为选型依据。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计9.光伏支架的选型

（1）设计原则

应在安装地进行设计阵列支架。在保证强度和钢度的前提下，尽量节约材料，简化制造工艺，降低成本。

（2）阵列支架的方位角和倾斜角

光伏阵列的方位角是阵列的垂直面与正南方向的夹角（设定向东偏为负角度，向西为正角度），方位角和高度角如图1-13所示。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（3）支架的材质选择

目前常用的材质有SUS304不锈钢、SUS202、C型钢、Q235普通钢、热浸镀锌和铁等。根据设计的使用寿命和环境来决定支架的材质，使用寿命可参考如下。1）钢＋表面涂漆（有颜色）：5～10年。2）钢＋热浸镀锌：20～30年。3）不锈钢：30年以上。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（4）光伏阵列前后排的距离

对光伏阵列的安装支架必须考虑前后排的间距，以防止在日出日落时前排光伏组件产生的阴影遮挡住后排的光伏组件而影响光伏阵列的输出功率。根据光伏发电系统所在的地理位置、太阳运动情况、安装支架的高度等因素，可以由下面公式计算出固定式支架前后排之间的最小距离，即任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计10.防雷、接地系统的设计

离网光伏发电系统接地装置的作用是把雷电流尽快地散到大地。接地装置包括接地体、接地线和接地引入线，对接地装置的要求是要有足够小的接地电阻和合理的布局。埋在地下的钢管、角钢或钢筋混凝土基础等都可作为接地极使用。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

11．光伏发电系统中的光伏电缆选型

（1）光伏发电系统电缆种类、特点及敷设方式光伏发电系统常用电缆主要有光伏专用电缆、动力电缆、控制电缆、通信电缆、射频电缆等。1）光伏专用电缆任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

2）动力电缆3）控制电缆任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

4）通信电缆5）射频电缆任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（2）光伏电缆选型的基本要求1）直流供电回路宜采用两芯电缆，当需要时可采用单芯电缆。2）高温100℃以上或低温-20℃以下场所不宜用聚氯乙烯绝缘电缆。3）直埋敷设电缆时，当电缆承受较大压力或者有机械损伤危险时，应用钢带铠装电缆。4）最大工作电流作用下的电缆芯温度，不得超过按电缆使用寿命确定的允许值。5）确定电缆持续允许载流量的环境温度，如果电缆敷设在空气中或电缆沟，应取最热月日最高温度的平均值。任务1.13.6kW离网光伏发电系统设计

（3）光伏电缆的选型计算

电缆截面的选择应满足允许温升、电压损失、机械强度等要求，直流系统电缆按电缆长期允许载流量选择，并按电缆允许压降校验，计算公式如下：

按电缆长期允许载流量：Ipc≥Ical

按回路允许电压降：Scac=P×2LIca/△UP

式中：Ipc----电缆允许载流量，A；

Ica计算电流，A；

Ical—回路长期工作计算电流，A；

Scac—电缆计算截面，mm2；

P—电阻系数，铜导体P=0.0184Ω˙mm2/m，铝导体P=0.0315Ω˙mm2/m；

L—电缆长度，m；

△Up—回路允许电压降，V。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.1光伏组件支架安装1.光伏组件支架安装的基本要求（1）光伏阵列支架的安装结构应该简单、结实和耐用。

（2）在光伏组件基础与支架的施工过程中，应尽量避免对相关建筑物及附属设施的破坏。（3）当要在屋顶安装光伏组件时，要使基座预埋件与屋顶主体结构的钢筋牢固焊接或连接。（4）应按设计要求将光伏组件支架安装在基础上，位置要准确，安装公差应满足设计要求，与基础固定牢靠。（5）按设计图样安装组件支架，要求组件安装表面的平整度、安装孔位和孔径应与组件要求一致。（6）光伏电池组件边框及支架要与接地系统可靠连接，如图1-91所示。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工

2.地面式光伏组件的安装

混凝土基础支架是目前平面电站中最常用的安装形式，如图1-92所示。支架支撑柱与基础的连接方式可以通过地脚螺栓连接或者直接将支撑柱嵌入混凝土基础。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.2光伏组件安装

（1）用边扣夹和中扣夹固定光伏组件，如图1-93所示。

（2）根据电气图样进行组件连接。为了保证组串连接的可靠，在进行作业时需认真按照操作规范进行。光伏组件的连接如图1-94所示。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.3光伏汇流箱安装

1．安装机械的基本要求

（1）安装汇流箱机械的注意事项1）汇流箱的防护等级应满足户外安装的要求。2）一般的汇流箱冷却方式为自然冷却，尽量不要将其安装在阳光直射或者环境温度过高的区域。3）确定汇流箱安装墙面或柱体有足够的强度承受其重量。4）对于户外安装的汇流箱，在雨雪天时不得进行开箱操作。5）在白天安装光伏组件时，应用不透光的材料遮住光伏组件，带绝缘手套，以免产生电击。6）箱体的各个进出线孔用防火泥堵塞，以防小动物进入箱内发生短路。（2）安装方式选择原则

光伏汇流箱安装方式可以根据工作现场的实际情况做出选择，通常采用的有挂墙式、抱柱式和落地式。1）挂墙式。建议采用膨胀螺钉，通过汇流箱左右两边的安装孔，将其固定在墙体上。2）抱柱式。建议使用抱箍、角钢作为支撑架，用螺栓将汇流箱安装在柱上。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工

（3）端子型号与连接线

可以根据表1-15所示对不同的端子查询选择合适的线缆。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工2.电气连接

（1）输入接线

逆变器的输入端位于机壳的下部。与光伏组件输出正极的连线输入位于底部的右侧，而与光伏组件输出负极的连线位于底部的左侧，接线时需要拧开防水端子，然后接入连线至熔丝插座，然后拧紧螺钉，固定好连线，最后拧紧外侧的防水端子。

（2）输出连线

输出包括汇流后直流正极、直流负极与接地，接地线为黄绿色。接线时需要拧开防水端子，接入连线，然后拧紧螺钉，固定好连线，最后拧紧外侧的防水端子。3．汇流箱的试运行汇流箱通电后自动运行，断电后停机。通过内部的断路器，可以关停汇流箱的直流输出。试运行前应满足以下要求。（1）设备上无遗留下的杂物。（2）逐步检查汇流箱内部接线，应全部正确。（3）使用万用表对每路电压进行测量，每路电压均显示正常。

所有检查都合格后，方可送电试运行。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.4蓄电池安装

一般可将蓄电池分为阀控胶体电池和阀控铅酸电池，这是目前太阳能独立系统中用的最多的两个品种在安装蓄电池时应注意以下几点。（1）应将蓄电池直立放置，不可倒置或平躺，且应放置于较为干燥、周边环境温度变化范围较小的地方。（2）蓄电池之间于控制器之间的连接应牢固不松动，其绝缘导线的粗细应根据电池容量选择。（3）在搬运、安装蓄电池时，应做好极柱的防护工作。

（4）在安装蓄电池时，应尽量靠近方阵及负荷，选用的电缆、铜排、连接线要合适。（5）在装卸导电连接条时，应使用绝缘工具；在安装和搬运蓄电池时，要戴绝缘手套。（6）在安装末端连接件和接通蓄电池之前，应认真检查蓄电池的总电压和正、负极。（7）在进行蓄电池和控制器或负载连接时，应断开电路开关，并要确保连接正确。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.5光伏控制器安装

（1）选择安装地点避免将控制器安装在阳光直射、高温和容易进水的地方，并且要保证控制器周围通风良好。

（2）开箱及检查

开箱之前先检查包装是否有明显破损或者变形，然后再打开包装箱，取出控制器，先检查外观有无损坏，内部连接线和螺钉有无松动等。

（3）选择安装方式

控制器可水平安装，也可垂直悬挂安装。

（7）连线

小功率光伏控制器在安装时要先连接蓄电池，再连接太阳能组件的输入，最后连接负载或逆变器，还要注意正负极不要接反。在进行大中型光伏控制器接线时，要将工作开关放在关的位置，先连接蓄电池组输出引线，再连接太阳能电池方阵的输出引线，在有阳光照射时闭合开关，观察是否有正常的直流电压和充电电流，一切正常后，再进行与光伏逆变器的连接。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.2.6离网光伏逆变器安装

安装所用工具及器件包括扳手、剥线钳、螺钉旋具、绝缘电阻表和万用表等。

（1）安装前的准备

1）在安装前应对机器进行检查。若检查到任何损坏情况，则应与逆变器生产公司联系。

2）根据包装内的装箱单，检查交付内容是否完整。

3）安装环境的检查。勿将逆变器安装在阳光直射处；选择安装场地应足够坚固；所选择安装场地的环境温度为-25～50℃；所选择安装场地环境湿度不超过95%；逆变器前方应留有足够间隙，以易于观察数据以及维修；确保安装地方不会晃动。

（2）电气连接

1）所有的电气安装必须符合电气安装标准，并由电气专业人员安装完成。

2）确保输入输出开关都处于断开状态。

3）绝对禁止直流输入与逆变器输出端相连，禁止输出电路短路或接地。

4）直流输入与逆变器之间的连线应尽可能短。

5）在进行连接过程中，应选择不同颜色线缆以示区别。正极连接红色线缆，负极连接蓝色线缆。

6）为保证各路光伏组串之间的平衡，所选择的各路直流线缆应具有相同的横截面积。

7）在进行电气连接之前，务必采用不透光材料将太阳能电池板覆盖或断开直流侧断路器。

8）系统的接地端子必须可靠接地，并使接地线长度尽可能短。任务1.23.6kW离网光伏发电系统运行维护

（3）安装后的检查1）光伏阵列。在逆变器开机运行之前，需要对现场的光伏阵列进行检查，检查每一个太阳能电池的开路电压是否符合要求，以确保正负极性正确。2）逆变器DC端的连接。检查DC电路的接线。注意正负极不能接反，与光伏阵列正负极保持一致。3）逆变器AC端的连接。检查相电压是否都在预定范围内。如果可能的话，测量相的总谐波失真（THD），并查看曲线。若畸变情况很严重，则逆变器可能无法正常运行。

（4）上电运行1）在确保输入直流电压正确后，可合上直流输入开关。2）将控制逆变的开关打开，检查输出电压是否有220VAC输出。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工

1.3.1光伏发电系统运行前检查

光伏发电系统运行前的检查主要是对各电气设备、部件等进行外观检查。1.检查设备的开关状态2.光伏阵列3.汇流箱4.逆变器任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.3.2光伏发电系统运行前测试1.运行前绝缘电阻测试

（1）光伏阵列电路绝缘电阻测试任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工

（2）逆变器绝缘电阻测试任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工2.运行前绝缘耐压测试

对于光伏阵列和逆变器，根据要求有时需要进行绝缘耐压试验，测量光伏阵列电路和逆变器电路的绝缘耐压值。测量的条件和方法与前述的绝缘电阻测试相同。

（1）光伏阵列电路绝缘耐压测试

（2）光伏逆变器电路绝缘耐压测试3.光伏阵列测试

为了使光伏系统满足负载电压和功率的要求，一般将多个光伏组件串联、并联构成光伏阵列。

（1）光伏组件串检查

（2）光伏组件并联串检查

（3）测试光伏阵列参数4.光伏控制器的性能测试

对于离网光伏发电系统，光伏控制器的主要功能是防止蓄电池过充电和过放电。任务1.23.6kW离网光伏发电系统施工1.3.3光伏发电系统运行操作

光伏发电系统起动运行步骤如下：

（1）全面复核各支路接线的正确性，再次确认直流回路正负极性的正确性。

（2）确认系统中所有隔离开关、空气开关处于断开位置。

（3）确认所有设备的熔断器处于完好状态。

（4）测量光伏阵列的开路电压，确认电压正常。

（5）接入蓄电池组，闭合蓄电池开关盒内的开关、闭合控制器的蓄电池组输入开关。

（6）接入光伏阵列。依次闭合阵列输入开关，开始对蓄电池充电。

（7）蓄电池组初充电完成后，闭合控制器的负载输出开关，向后面电路（逆变器或负载）供电。

（8）确认光伏逆变器的直流输入电压极性正确，闭合逆变器的直流输入开关。

（9