家庭用太陽能光伏系統(tǒng)的設計-畢業(yè)論文

電力學院學士學位論文家庭用太陽能光伏系統(tǒng)的設計-1-引言世界范圍的能源危機和環(huán)境污染導致新能源的應用成為熱點，而太陽能憑借其清友好型、能緩減現(xiàn)有電力系統(tǒng)用電高峰壓力、能有效提高生活標準的發(fā)電方式，正迅速得到應用。19世紀70年代的產業(yè)革命以來，化石燃料的消費急劇增大。初期主要以煤炭為主，進入20世紀后，尤其第二次世界大戰(zhàn)以來，石油及天然氣的開采與消費開始大幅度增加。在化石能源短缺的大背景下減排等問題尤為凸顯其重要性，人民逐漸把目光轉向了新能源這一新興領域。1980年聯(lián)合國在“聯(lián)合國新能源和可再生能源會議”上對新能源有了新的定義：以新技術和新材料為基礎，使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)和利用，用取之不盡、周而復始的可再生能源取代資源有限、對環(huán)境有污染的化石能源。新能源的有許多，他們有太陽能，海洋能，風能，地熱能，核能，生物質能等。而太陽能是未來能源的一顆閃耀的新星。太陽照射地球一個小時產生的能源，足夠目前世界全年的能源需求。因此，太陽能被看作是擺脫對石油依賴的終極途徑。據電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）稱，十年內，太陽能光伏系統(tǒng)可能最終成為最經濟的供電方式，不過這有賴于太陽能產業(yè)持續(xù)快速地改進太陽能電池的能效并創(chuàng)造規(guī)模效益。如今在在國家大力提倡低碳經濟，循環(huán)經濟和可持續(xù)發(fā)展，和十二五節(jié)能減排目標的宏觀政策影響下，所處的市場領域將逐漸擴大,可以預見未來十年將是太陽能供熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展的黃金十年。初步預計未來五年內，其規(guī)模會以每年50-100%的速度遞增。本次試圖設計出一套符合裝機地點情況的家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在設計過程中，盡可能切合實際進行分析設計，設計出不同的方案作為系統(tǒng)備案。完成系統(tǒng)安裝工作，以實現(xiàn)設計內容，實現(xiàn)系統(tǒng)高效運行為最終目標。

太陽能開發(fā)利用現(xiàn)狀世界光伏發(fā)展及現(xiàn)狀1954年世界第一塊太陽能電池在美國貝爾實驗室誕生，開啟了太陽能利用的新篇章。經過60年的發(fā)展，不僅太陽能電池的利用率得到了極大的提高，而且太陽能電池的使用范圍也不再僅僅局限于空間技術等高科技領域。太陽能利用的飛速發(fā)展始于1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，越來越多的國家開始意識到發(fā)展新能源的必要性，制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠措施，制定實施龐大的光伏工程。從此光伏行業(yè)得到了飛速發(fā)展，在1997-2006年的10年時間中，世界光伏產業(yè)擴大了20倍，在未來這個數字將持續(xù)增長[1]。表1.1為太陽能電池發(fā)展重要節(jié)點。表1.1太陽能電池發(fā)展重要節(jié)點時間事件1893年法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏打效應”，即“光伏效應”。1930年肖特基提出Cu2O勢壘的“光伏效應”理論。同年，朗格首次提出用“光伏效應”制造“太陽電池”，使太陽能變成電能。1941年奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應。1954年恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次制成了實用的單晶太陽電池，效率為6%。同年，韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了第一塊薄膜太陽電池。1955年吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優(yōu)化設計。同年，第一個光電航標燈問世。美國RCA研究砷化鎵太陽電池。1957年硅太陽能電池效率達8%。1958年太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒1號衛(wèi)星電源。1959年第一塊太陽能多晶硅電池問世，效率為5%。1960年硅太陽電池首次實現(xiàn)并網運行。1974年COMSAT研究所提出無反射絨面電池，硅太陽電池效率達18%。1978年美國建成世界首個10kWp太陽能光伏地面電站。1990年德國提出“2000個光伏屋頂計劃”，每個家庭的屋頂裝3~5kWp光伏電池。開啟家庭用分布式光伏發(fā)電新篇章。1998年單晶硅光伏電池效率達25%。荷蘭政府提出“荷蘭百萬個太陽光伏屋頂計劃”。我們可以很清晰的看到，在世界范圍內，太陽能的發(fā)展是非常迅速的，自1954年第一塊單晶硅電池問世后，僅僅4年時間，太陽能電池就在空間技術領域得到了廣泛使用，之后就建成了大型光伏電站并投產使用，尤其是在1990年德國提出的光伏屋頂計劃，則是光伏行業(yè)發(fā)展的又一重要里程碑，它標志著太陽能光伏這一新興高科技技術正式向普羅大眾開放，讓光伏顯得不再神秘，讓每一住戶能夠接觸到太陽能光伏發(fā)電并投身于新能源發(fā)展事業(yè)中。自1990年德國提出“2000個光伏屋頂計劃”計劃后，開啟了太陽能光伏應用的嶄新篇章，至此光伏電站的架設不再是高難度、高投資、高要求這樣的“三高”難題，人們可以根據需要在自家屋面建立起一個小型的家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，而不是只能投產一座大型的具有一定規(guī)模的電站。從今天看來，這一舉措影響了未來25年光伏行業(yè)的發(fā)展，甚至說直接改變了現(xiàn)今光伏行業(yè)的發(fā)展走向。這讓小型的家庭用或商用分布式光伏發(fā)電出現(xiàn)在人們的視野中，把大型太陽能光伏電站化整為零，破除其局限性，減少單次投資金額，發(fā)展小型分布式系統(tǒng)，這吸引了無數人的眼光，這一思想和辦法飛速的在世界范圍內傳播和發(fā)展。我國光伏發(fā)展及現(xiàn)狀我國太陽能資源非常豐富，理論儲量每年達17000億噸標準煤。太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。表1.2為全國各地太陽能總輻射量與年平均日照當量[1]。表1.2我國各地太陽能資源地區(qū)類別地區(qū)太陽能年輻射量年日照時數標準光照下年平均日照時間（時）(MJ/m(kWh/m一寧夏北部、甘肅北部、新疆南部、青海西部、西藏西部6680-84001855-23333200-33005.08-6.3二河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部、新疆南部5852-66801625-18553000-32004.45-5.08三山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、臺灣西南5016-58521393-16252200-30003.8-4.45四湖南、湖北、廣西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江、臺灣東北部4190-50161163-13931400-22003.1-3.8五四川、貴州3344-4190928-11631000-14002.5-3.1在我國的西北地區(qū)，廣闊的無人區(qū)有著充沛的太陽能資源，而這些未被利用的地區(qū)正是發(fā)展太陽能、建造太陽能光伏電站的絕佳地區(qū)。同樣在高海拔的西南地區(qū)以及黃土高原一帶，太陽能資源也非常充沛。這些地區(qū)大都屬于人煙稀少或是未被開發(fā)利用的山地、平地，開發(fā)利用起這些利用率低下的地區(qū)以及這些地區(qū)無遮擋高關照的有利因素必將是我國發(fā)展太陽能行業(yè)，建設高效、大型的光伏地面電站的首選，也將是我國太陽能光伏發(fā)展的基石。對于我國現(xiàn)代化程度較高的華中華南一帶，也有著較為充沛的太陽能資源，但是這些地區(qū)大都屬于人口高密度地區(qū)或是高產農業(yè)區(qū)，要建立大型的地面太陽能光伏發(fā)電電站是有難度且不切實際的。得益于德國的“2000個光伏屋頂計劃”和荷蘭政府提出的“百萬個光伏屋頂計劃”讓這一光伏發(fā)展新思路得以應用，在我國這些地區(qū)的光伏發(fā)展，必然是以小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為思路來進行，化整為零，在已有的基礎上合理投建，也是有著非常廣闊的前景。近年來，我國光伏技術得到了較快的發(fā)展，并且在偏遠地區(qū)無電狀況中發(fā)揮了重要的作用。自70年代以來，經過“六五”、“七五”、“八五”三個五年計劃攻關，有了初步的發(fā)展。在此期間也有了中國自主生產的單晶硅和多晶硅電池。同時政府也出臺了《可再生能源法》等一系列法規(guī)、政策措施，促進了太陽能利用的快速發(fā)展。2009年，我國光伏電池產量已突破200萬千瓦，位居世界首位。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理及組成太陽能光伏發(fā)電根據光生伏特效應，利用太陽能電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之變?yōu)殡娔艿闹苯影l(fā)電方式。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理就是在太陽光的照射下，將太陽電池組件產生的電能通過控制器的控制給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下給直流負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電，對于還有交流負載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器，將直流電轉換成交流電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)無論是獨立使用還是并網發(fā)電，主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，在離網系統(tǒng)中，還需要蓄電池作為電源系統(tǒng)。這些部件不涉及機械部件，所以光伏發(fā)電設備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便，適用于絕大部分場合。圖2.1太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖硅太陽能電池常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池，主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅三種。單晶硅太陽能電池變換效率最高，已達20％以上，性能穩(wěn)定，但使用的單晶硅材料和半導體工業(yè)所用材料具有相同的品質，所以材料成本比較昂貴。多晶硅太陽能電池效率比單晶硅太陽能電池稍低，大約為13％～14％左右，但多晶硅太陽能電池可用鑄造方法生產，所以成本比單晶硅太陽能電池低。非晶硅太陽能電池屬于薄膜電池，價格最便宜，但光電轉換效率最低，大約為7％～8％左右，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池，目前多用于弱光性電源，如手表、計算器等電池。將太陽能電池單體進行串聯(lián)、并聯(lián)并封裝之后，就成為了太陽能電池組件，是可以作為電源單獨適用的最小單元。太陽能電池組件再經過串聯(lián)、并聯(lián)安裝固定在支架上后，就構成了太陽能電池方陣。太陽能電池組件太陽能電池組件是利用半導體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉換的固體裝置，在廣大的無電力網地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區(qū)域電網并網實現(xiàn)互補。一個太陽能電池單體只能產生大約0.45～0.50V的電壓，所以需要把太陽能電池連接成組件。一個組件上，太陽能電池的標準數量是36個或40個，因此，一個太陽能電池組件大約能產生16V的電壓，它正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效的充電。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池組件排布需要根據裝機容量、逆變器參數等來確定具體組件串并聯(lián)數。例如一居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量為3kW，組件使用250W/塊、開路電壓為Uoc=37.7V的電池組件，逆變器選擇最大輸入功率PINMAX=3000W、最大輸入電壓U太陽能控制器太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數轉換器，是一個微機數據采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)。既可快速實時采集光伏系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數據，為評估PV系統(tǒng)設計的合理性及檢驗系統(tǒng)部件質量的可靠性提供了準確而充分的依據。此外，太陽能控制器還具有串行通信數據傳輸功能，可將多個光伏系統(tǒng)子站進行集中管理和遠距離控制[2]。太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、600V。逆變器太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)根據供電負載的要求，如負載為交流負載，則需要使用逆變器。在系統(tǒng)中使用逆變器時，還根據系統(tǒng)并網與否選擇離網逆變器或是并網逆變器。在逆變器的選擇時，要考慮施工地點組件排布情況，選擇適合組串規(guī)則的逆變器[3]。另外，如系統(tǒng)為離網逆變器，則使用符合規(guī)定的離網逆變器配蓄電池即可，如系統(tǒng)為并網逆變器，則需按系統(tǒng)組件排布情況選擇合適的并網逆變器。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏系統(tǒng)按供電方式大致可分為獨立系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和并網系統(tǒng)三大類。獨立發(fā)電系統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與電力系統(tǒng)不發(fā)生任何關系的閉合系統(tǒng)，即離網光伏發(fā)電系統(tǒng)。它通常用做便攜式設備的電源，向遠離現(xiàn)有電網的地區(qū)或設備供電，以及用于任何不想與電網發(fā)生聯(lián)系的供電場合。離網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用范圍內主要用于邊遠的鄉(xiāng)村，在工業(yè)范圍內主要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽能水泵等。圖3.1獨立發(fā)電系統(tǒng)并網發(fā)電系統(tǒng)太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣，在白天有光照時產生的直流電通過并網逆變器轉換成符合電網要求的交流電之后通過配電柜，給交流負載供電，多余的電量則進入公共電網[4]。在陰雨天或晚上，太陽能電池組件沒有產生電能不能滿足負載需求時則由電網供電。這種系統(tǒng)直接將電能輸入電網，免除了蓄電池儲能裝置，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用光伏方陣所發(fā)的電能從而減小了能量的損耗，并降低了系統(tǒng)的成本。同時也是現(xiàn)階段大力推行的光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式。圖3.2并網發(fā)電系統(tǒng)混合發(fā)電系統(tǒng)這種太陽能光伏系統(tǒng)中不單是使用太陽能電池方陣，還使用了各種發(fā)電技術，如燃油發(fā)電機、風力發(fā)電等。使用混合供電系統(tǒng)的目的是為了綜合利用各種發(fā)電技術的優(yōu)點，避免各自的缺點。比如，風光互補系統(tǒng)是常見的新能源結合的混合發(fā)電系統(tǒng)，風力發(fā)電補足了光伏發(fā)電在連續(xù)陰天及夜間發(fā)電量低和不發(fā)電的缺陷，光伏發(fā)電則補足了風力發(fā)電在無風或風力不夠時不發(fā)電的尷尬情況。但是混合系統(tǒng)控制較復雜；設計、安裝和施工工程較大；需要更多的維護工作；有噪音和污染。圖3.3混合發(fā)電系統(tǒng)家庭用太陽能光伏系統(tǒng)的設計太陽能光伏系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。光伏電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的基本核心部件，它有兩大難題：一是如何提高光電轉換效率；二是如何降低生產的成本?，F(xiàn)已經開發(fā)出電池效率在15%、組件效率在10%以上使用壽命超過15年的電池工業(yè)化生產技術[5]。對于不同類型的光伏系統(tǒng)，實際的總體目標是不同的。對并網系統(tǒng)而言，一切工作都是圍繞使得整個光伏電站在全年能夠向電網輸出最多的電能這個目的，所以設計的總體目標是盡量減少能量損失，使得光伏系統(tǒng)全年能夠得到最大的發(fā)電量。但對于離網的獨立系統(tǒng)，有福光伏系統(tǒng)的應用與當地的氣象條件有關，同樣的負載在不同的地點應用，所需配置的容量也不一樣，光伏系統(tǒng)全年能夠得到最大發(fā)電量往往并不是最佳選擇。同時目前光伏發(fā)電的成本還較高，所以要建成一個合理、完善的離網光伏系統(tǒng)，必須進行科學的優(yōu)化設計，使得離網光伏系統(tǒng)既能充分滿足負載的用電需要，又能達到配置的光伏組件和蓄電池容量最小，做到可靠性與經濟型的最佳結合[6]?，F(xiàn)階段行業(yè)內對光伏系統(tǒng)的設計使用軟件主要有：TRANSYS、RETScreen、PVsyst、PVSOL、SolarPro等，其中TRANSYS為系統(tǒng)仿真工作，RETScreen為經濟性評價工具，PVsyst、PVSOL、SolarPro為光伏系統(tǒng)分析和設計工具。下文主要使用RETScreen和PVsyst進行闡述。在投建一套太陽能光伏系統(tǒng)時，我們必須經過以下步驟進行投資建設生產。確定現(xiàn)場參數。對現(xiàn)場各個數據進行分析處理，計算太陽能電池板最佳排布方式。軟件仿真設計，生成可行性研究報告。購置運輸物資到達施工現(xiàn)場進行安裝調試。正式運行?？偟膩碚f，這是一個從市場開發(fā)到設計，從設計到實施最后到運維的過程。本次設計試圖根據當地情況，拋開市場成熟度，自行投建一套家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以并網系統(tǒng)為目標，以離網系統(tǒng)為基礎，最終實現(xiàn)該系統(tǒng)正常運行。確定現(xiàn)場參數在市場成熟的前提條件下，必須有設計人員到達現(xiàn)場勘測以便后期設計。確定現(xiàn)場參數包括確定現(xiàn)場可供電池板安裝面積、現(xiàn)場可排線和安裝逆變器位置、現(xiàn)場地面（屋面）承重、現(xiàn)場地面（屋面）朝向，以及現(xiàn)場貨運情況。如是離網系統(tǒng)，還需考慮蓄電池安裝位置，并網系統(tǒng)還需考慮并網點或是當地是否適合并網。本次投建地點位于云南省大理白族自治州大理市，東經100°13′，北緯25°34′，海拔2092米，年日照時數2227.5小時，年均無霜期228天，屬于三類地區(qū)，具有良好的太陽能資源。投建現(xiàn)場為大理州市區(qū)小區(qū)，交通等運輸條件較好，適合建設分布式太陽能光伏系統(tǒng)。本次設計經過當地市場調研發(fā)現(xiàn)，云南省南方電網公司于2013年12月發(fā)布《云南電網公司分布式光伏發(fā)電并網服務細則》、《南方電網公司分布式光伏發(fā)電營業(yè)服務細則（試行）》等試行規(guī)定，省能源局發(fā)布《關于分布式光伏發(fā)電項目管理暫行辦法的通知》等通知，充分證明當地政府以及電網公司對于分布式光伏系統(tǒng)并網項目的認可。但是就全國而言，云南省發(fā)布相關規(guī)定及通知的時間較晚，行業(yè)起步較慢，市場基本處于未開發(fā)階段。就小型分布式并網光伏系統(tǒng)而言，整個云南省只在玉溪（2個項目）、昆明（1個項目）實現(xiàn)了并網運行。在本次投建地點的大理，尚未有家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的先例。直接設計一套并網系統(tǒng)并實現(xiàn)并網運行有一定的難度及不確定性，所以在本次設計過程中，分別對離網系統(tǒng)和并網系統(tǒng)所需參數進行了現(xiàn)場測繪。系統(tǒng)建設房屋有較好的采光環(huán)境，周圍均為等高別墅區(qū)，無遮擋。向南屋面有兩塊，一塊為彩鋼瓦屋面，另一塊為琉璃瓦屋面，因琉璃瓦屋面部分安裝了太陽能熱水器，剩余可用面積遠遠小于彩鋼瓦，所以選擇在彩鋼瓦屋面上進行系統(tǒng)的安裝，經過測量，安裝地點情況如表4.1。表4.1安裝地點參數屋面南北向長度（m）屋面東西向長度（m）屋面面積（m2屋面類型屋面朝向屋面傾角6.424.9031.46彩鋼瓦南偏西6°14°圖4.1為屋面示意圖。圖4.1安裝屋面示意圖因為屋面為彩鋼瓦屋面，可以直接在彩鋼瓦上用專用夾塊固定光伏專用支架。則不需要考慮立式支架。在逆變器選擇安裝位置上，考慮逆變器安裝要求，以最大化延長逆變器壽命為目的，并且考慮走線便捷性，選擇將逆變器安裝在屋面下方的通風室內，安裝位置如圖4.2所示。圖4.2逆變器安裝位置面示意圖安裝所需數據完成后，簡單預估系統(tǒng)安裝走線情況。光伏板間直流線纜可以在連接好之后直接安放在電池板背部，在部分位置，需要用pve管進行保護，防止雨水陽光等侵蝕。在屋面后方留有一開口可作為進出線口，讓直流線纜通過線口到達逆變器，交流電纜也可以利用此口進出?？紤]離網系統(tǒng)，因蓄電池無須固定，考慮走線便捷，安放在預期逆變器位置下方即可。同時，統(tǒng)計了用電負荷情況，如表4.2。表4.2家庭用電量用電負荷數量功率(w)日均運行時間（h）日均耗電量(kW·h)電視250022電燈若干34041.36電磁爐116000.50.8冰箱1120241電腦220041.6其他1總計2760W7.76至此，數據收集工作基本完成，之后將進行數據的處理及根據結果進行太陽能光伏系統(tǒng)的設計工作。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的初步設計光伏支架的選擇固定支架系統(tǒng)：地面支架系統(tǒng)和屋頂支架系統(tǒng)。地面支架分水泥基礎光伏支架和地錨拴基礎光伏支架。水泥基礎光伏支架是使用在地基為水泥墩基礎的地面；地錨拴基礎光伏支架是使用在地基為螺旋樁或螺旋管的地面。屋頂支架分彩鋼板屋頂支架、琉璃瓦屋頂支架和水泥屋頂支架。彩鋼板屋頂支架是使用在屋頂為彩鋼瓦的屋面上，其支架結構平鋪在彩鋼瓦上；琉璃瓦屋頂支架是使用在屋頂為琉璃瓦的屋面上，通過特殊的掛鉤嵌入琉璃瓦間，支架結構平鋪在琉璃瓦上。除此之外還有太陽能跟蹤系統(tǒng)。太陽能跟蹤系統(tǒng)是經過精確測量設計，使系統(tǒng)能夠隨著太陽的升落移動，保證太陽能電池板隨時以一個最佳入射角接收陽光，從而提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率的一種支架系統(tǒng)。圖4.3光伏支架系統(tǒng)對于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，比較典型也是應用較多的為水泥屋頂支架和彩鋼板、琉璃瓦支架。在鋼筋混凝土平屋面上，為了不破壞屋面的防水層結構，大都采用水泥屋頂支架，在滿足屋面基礎負重，且滿足風吸下受力要求的情況下，在基礎立式支架基礎上安裝龍骨，放置太陽能電池板，最終將電池板用壓塊與龍骨可靠連接。在支架下方安置負重塊，保證支架穩(wěn)定。在后立柱安裝后拉，加強立體區(qū)域穩(wěn)定。這種支架優(yōu)點很明確，能夠完美切合當地系統(tǒng)最佳安裝角度進行安裝，極大提高發(fā)電量，但是缺點也很明顯，極大增加了屋面負荷，在建成后期，如果要移動支架雖然很簡單，但是移動負重塊將會很困難，并且這種安裝方式基本讓平屋面只能用于安裝電池板，可以說是改動了屋面結構，不能夠最大程度的利用空間。這種支架系統(tǒng)的安裝如圖4.4、圖4.5所示。圖4.4立式配重支架系統(tǒng)圖4.5立式系統(tǒng)后拉桿對于家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，更多的是在屋頂的斜屋面上，直接進行安裝，即是彩鋼板、琉璃瓦支架。這種安裝方式通過專用的夾具與屋面角馳連接，再在此基礎上安裝龍骨與組件，這類支架將在原屋面承載能力基礎上增加恒荷載20kg/m2。這類安裝系統(tǒng)能與原有屋面貼合，受到風力的影響不大，安裝方便快捷，拆卸也相對輕松，不用做屋面結構改造，除此之外，這種安裝方式能夠很好的利用起屋頂斜屋面這類空置屋面，這是非常符合當前節(jié)能的思想的，但是缺點也是非常明顯，原有斜屋面大多不可能傾角滿足光伏系統(tǒng)安裝的最佳傾角，這類屋面的安裝將會在利用空置面積的基礎上，轉而犧牲掉更高的系統(tǒng)效率。圖4.6彩鋼瓦支架系統(tǒng)本次設計中，現(xiàn)場屋面有琉璃瓦屋面和彩鋼瓦屋面，兩個屋面均為朝南向，并且都有一定的角度，但是琉璃瓦屋面面積遠遠小于彩鋼瓦屋面，所以選用彩鋼瓦屋面作為太陽能光伏系統(tǒng)安裝屋面，選用彩鋼板支架系統(tǒng)。圖4.7為彩鋼瓦安裝步驟。圖4.7彩鋼瓦支架系統(tǒng)安裝詳解光伏組件選擇及排布自2012年歐盟對華反傾銷案后，我國大量的光伏制造商破產倒閉，這樣也留下塞選出了很多優(yōu)秀的光伏制造商，比如天合光能、天威英利、晶科能源等等。面對市場良莠不齊的光伏電池板，無疑要選用品質過硬的電池板保障項目的成功運行。根據當前市場情況，本次設計選用了天威英利的YL250P-29b。參數如表4.3所示。表4.3光伏組件參數組件參數標準值組件型號YL250P-29b能效等級A額定功率250.0W（0/+5w）額定電壓29.8V額定電流8.39A開路電壓37.6V短路電流8.92A最大系統(tǒng)電壓1000V最大組串熔斷電流15A重量2kg組件尺寸1000mm*1650mm*40mm圖4.8組件外觀組件選擇完成后，可以根據現(xiàn)場可用安裝面積進行設計。對于一個離網系統(tǒng)而言，系統(tǒng)裝機容量需要根據家庭用電負荷情況來設計，系統(tǒng)裝機容量必須大于家庭總負荷，否則在家庭負荷開始運行之后，整個供電系統(tǒng)功率無法達到負荷功率，將會導致用電回路中電壓過低，輕則電器或逆變器停止運行或蕩機，重則燒毀電器和電氣設備，在一個符合國家標準的逆變器中，會有低壓關斷保護裝置，在系統(tǒng)電壓低于某一值時，逆變器將會停止工作。當然也并不能在離網系統(tǒng)中一味的追求大裝機容量，如果是在離網系統(tǒng)可用安裝面積富余的條件下，過大的裝機容量將會導致大量的電能浪費，當蓄電池儲存滿電能且逆變器交流側無負載消耗這些電能后，太陽能控制器將會停止電池板繼續(xù)向蓄電池供電，導致電池板長時間停止工作。同樣當離網系統(tǒng)可用裝機面積無法滿足負荷所需容量時，必須設置一保護回路，并且將家庭電路分離開來，讓滿足離網系統(tǒng)容量的負載回路與系統(tǒng)相連，起到保護作用。對于一個并網系統(tǒng)而言，因為電網即是一個負載，則不需考慮裝機容量與家庭用電的關系，只需盡可能的利用起屋面，增大裝機容量，從而產生更大的經濟效益。對于并網系統(tǒng)電能分配方式，在綜合設計部分具體說明。在本次設計初期，因現(xiàn)場施工的不確定性，對于系統(tǒng)能否并網未知，做了離網和并網兩種設計方案。因并網系統(tǒng)是按照最大裝機容量設計，先進行設計分析。上文提到本次設計提供屋面面積為31.46m2，可以進行簡單計算，單塊電池板面積為1.65m2，則有系統(tǒng)最大容量/250W=可用面積/單塊電池板面積，得出系統(tǒng)最大容量可為4.75kW即19塊250W電池板。在實際操作過程中，電池板大小固定不變，不可能滿滿排布19塊電池板，可以使用AutoCAD軟件進行設計，輸入具體參數進行組件排布最大化。同時因為屋頂東和屋頂南為懸空位置，安裝無法進行，同時為了后期運維方便，設計將電池板分為兩部分排布，中間留一條走道，方便維護安裝，在此前提下進行設計。在使用CAD軟件時，保證繪制參數正確，屋面比例與電池板比例必須相同，在繪制好兩者后，即可根據實際情況進行電池板試排布直至找到最佳排布方式。在安裝電池板時，每兩塊電池板間因為要安裝專用夾塊，會占據兩板間2cm空間，繪出圖例。同時，屋面向南傾斜，為了彩鋼瓦排水，彩鋼瓦瓦梁也必然為南北向北高難低。在彩鋼瓦上安裝光伏專用支架后，電池板擺放位置也將被固定為1m邊與東西向平行，1.65m邊與南北向瓦梁平行，如圖4.9所示。圖4.9組件理想排布及初步排布經過軟件設計可以發(fā)現(xiàn)，受到現(xiàn)場條件的制約，系統(tǒng)的裝機容量也受到了很大的影響,由計算結果的19塊4.75kW降低到理想化排布的18塊4.5kW，再降低到最終可性的12塊3kW。經過初步的簡單設計，整個并網系統(tǒng)排布情況如下：將整個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件分為兩部分，每部分6塊組件，即1.5kW，共3kW。一部分組件沿彩鋼瓦最西端以三行兩列式排布于彩鋼瓦西側，另一部分沿彩鋼瓦最東端以三行兩列式排布與彩鋼瓦東側。兩部分組件中間留有約0.82m空置過道，方便前期安裝和后期運維。在彩鋼瓦北端同樣留有約1.40m空置過道，此過道因為短于電池板長度（1.65m），無法進行電池板的安裝。這些空間可以用作排線走線，具體排線走線的方法因受逆變器影響，在太陽能光伏系統(tǒng)的綜合設計中具體進行設計說明。經過這樣的設計，雖不能保證后期施工百分百能還原設計，但是能夠保證在投建地點以最大的裝機容量進行系統(tǒng)裝機，保障分布式并網系統(tǒng)的核心電池板在裝機時不出現(xiàn)多塊或空置地塊，最大程度的節(jié)約投資成本。對于離網系統(tǒng)而言，上表可知家庭負荷最大功率為2760W，因電池板為250W/塊，滿足離網系統(tǒng)安裝條件的最小容量為3kW，在并網系統(tǒng)中電池板的設計可知，本次項目可用屋面最大裝機容量為3kW，即如果本次項目最終建成為離網系統(tǒng)時，系統(tǒng)的裝機容量為3kW，電池板排布方式與并網系統(tǒng)相同。相比彩鋼瓦上建設的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的初期設計，立式支架分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的初級設計就要麻煩得多。在彩鋼瓦支架上的系統(tǒng)，電池板處于同一面內，互相不會產生陰影遮擋；而在立式支架系統(tǒng)中，因為支架本身有一定的高度，前排系統(tǒng)的陰影在某些時間段內就會投射到后排系統(tǒng)的電池板上，極大程度影響了系統(tǒng)發(fā)電效率，因此要進行陰影分析，保證前排后排系統(tǒng)有足夠的距離讓陰影不至于投射產生影響。在陰影分析中，中國以冬至太陽上午9:00至下午15:00點在某一建筑標高下產生的陰影長度為基準，進行陰影分析，兼顧屋面盡可能高的裝機容量來進行設計，一般設計使用基于AutoCAD開發(fā)的天正建筑，如需要詳盡的陰影分析也會使用ShadowAnalysis進行分析。因本次設計為彩鋼瓦系統(tǒng)，不再詳述立式支架系統(tǒng)的設計。逆變器的選擇本次設計本著以實現(xiàn)設計內容為目標，在逆變器的選擇上設計了兩套方案，一套以實現(xiàn)該光伏發(fā)電系統(tǒng)并網為目標選用并網逆變器，一套備用設計選用離網逆變器帶蓄電池組，防止在項目實施過程時無法并網導致項目擱置。無論是并網逆變器或是離網逆變器，都要根據項目裝機容量來確定逆變器的功率，即逆變器功率要大于等于裝機容量，否則在系統(tǒng)工作時，電池板輸入逆變器功率大于逆變器功率，會造成逆變器蕩機，系統(tǒng)停運。同時，逆變器運行的特性是輸入功率越接近于逆變器自身最大功率，逆變器轉化效率越高，所以在選擇逆變器時也不能選擇功率較大的逆變器，否則逆變器效率低下，造成不必要的損失?？偠灾谝惶紫到y(tǒng)設計時，逆變器的選擇必須依據系統(tǒng)裝機容量來確定。對于一個離網系統(tǒng)而言，逆變器的選擇相對簡單得多，首先逆變器要符合國家相關標準，有過流過壓保護等，其次逆變器實續(xù)功率要滿足系統(tǒng)容量，逆變器符合系統(tǒng)的直流側要求，輸入電壓符合蓄電池的輸出電壓，同時在逆變交流側能夠穩(wěn)定的輸出正弦波，如我國家用電一般為220V，50Hz。在光伏組件的選擇部分，初步設計如系統(tǒng)為離網系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)裝機容量為3kW，蓄電池輸出電壓可為12V/24V。則選擇實續(xù)功率為3kW的逆變器。但在系統(tǒng)實際運行過程中，電池板工作效率不可能隨時以100%的效率（即滿載3kW）運行，晴天正午時電池工作板效率到90%及以上是屬于非常優(yōu)秀的工作效率，且電池板運行受天氣影響較大，對于陰天或是飄過的云遮擋陽光，也會導致系統(tǒng)運行功率急劇下降，所以在實際中，3kW的系統(tǒng)可以不選擇實續(xù)功率為3kW的逆變器，依據離網逆變器型號，可以選擇2.5kW的離網逆變器。圖4.10為離網逆變器，表4.4為3kW離網逆變器參數。圖4.10離網逆變器表4.4離網逆變器參數離網逆變器參數標準值型號3000W離網逆變器直流輸入電壓12V/24V輸入電壓范圍DC11-15V/22-30V/44-60V空載電流<2A效率>90%交流輸出電壓AC220V實續(xù)功率3000W峰值功率6000W輸出頻率50Hz輸出波形純正弦波輸出諧波含量<3%低壓報警DC10.2-10.8V/20.4-21.6V低壓關斷DC9.2-9.8V/18.4-19.6V過載120%-130%輸出關斷對于一個太陽能光伏并網系統(tǒng)而言，因為要并入電網，所以系統(tǒng)對逆變器的要求更為嚴格，否則將對地區(qū)電網產生破壞，影響片區(qū)用電，因此必須安裝一個符合國家標準及電網上網要求的并網逆變器。并網逆變器要實現(xiàn)并網，其電壓會略高于電網電壓，同時還需有符合上網點的連接點相位、與電網相同的頻率，保證外送電能質量過關，必須有孤島保護、過載保護、過流保護、失壓保護等保護措施，保證電網失電時逆變器停止工作，防止電網失電時系統(tǒng)外送電引起的電氣設備損壞，避免對電網檢修試驗人員造成危險。由于建筑屋面或地面情況的多樣性，組件在安裝排布中可能會出現(xiàn)多種多樣的排布方式，這促使并網逆變器不再拘泥于普通逆變器的形式，而是出現(xiàn)了集中逆變器、組串逆變器、多組串逆變器和組件逆變器等多種形式的并網逆變器，來實現(xiàn)太陽能轉化的最佳方式。集中逆變器一般用于大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)（電站），在這種系統(tǒng)中，很多光伏組串被連接到該中逆變器的直流側，一般功率大的系統(tǒng)使用三相IGBT功率模塊，功率小的系統(tǒng)使用場效應晶體管，同時使用DPS轉換控制器來改善產出電能，使之非常接近正弦波電流。這種逆變器功率高，成本低。但是當其中一個組串出現(xiàn)問題時，將會導致逆變器蕩機整個系統(tǒng)停運。組串逆變器是現(xiàn)在市場上使用得比較多的逆變器，將每個光伏組串通過一個該類型的逆變器，在直流側有最大功率峰值跟蹤，交流側并網。能夠讓不同的模塊串聯(lián)運行，讓其中一個或幾個工作，產出更多的電能。缺點是組串數理限制，不適合部分系統(tǒng)使用。多組串逆變器是集中逆變器與組串逆變器的改良，能夠在一臺逆變器上實現(xiàn)多個組串的并聯(lián)，當其中一個組串出現(xiàn)問題，也不會導致系統(tǒng)蕩機，同時不同尺寸、不同技術的光伏組件或者不同方向的組串都能夠連接在這種類型的逆變器上?，F(xiàn)在很多系統(tǒng)選擇使用這種逆變器，能夠讓系統(tǒng)的設計排布以及組件的選擇更為自由。組件逆變器則是每一塊組件使用一個逆變器，每一塊組件發(fā)出直流電后直接進行逆變，再將多塊組件逆變后的交流電流匯流后輸送。多用于小型的系統(tǒng)（50W-400W）。根據光伏組件的選擇中，并網逆變器選擇為3kW并網逆變器。同樣在本次設計條件下，對于并網系統(tǒng)來說，也可以選擇2.5kW的并網逆變器。圖4.11為并網逆變器，表4.5為3kW并網逆變器詳細參數。圖4.11并網逆變器表4.5并網逆變器參數并網逆變器參數標準值型號3000W并網逆變器最大輸入功率3200W最大輸入電壓550VMPPT電壓范圍120V-450V最大輸入電流10A最大短路電流12A最大反饋電流<0.1mA電源連接器單相額定輸出功率3000W額定輸出電壓230V額定輸出頻率50Hz額定輸出電流13A最大輸出沖擊電流13A最大輸出故障電流20A最大輸出保護電流20A諧波畸變<3%最大效率96.18%并網逆變器必須要有出廠檢驗，并且生成一份出廠檢驗報告，只有通過檢驗的并網逆變器才能投入使用，并且在光伏系統(tǒng)正式并網前，電網會對并網逆變器進行檢測，保證逆變器正常運行，保障電網安全。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效益分析在太陽能光伏系統(tǒng)設計中，要根據已知數據對光伏系統(tǒng)的發(fā)電量進行預估計算：EoutEout為系統(tǒng)全年輸出的電能（kW·h/y）；Ht為光伏方陣面上全年接收到的太陽總輻照量與標準測試條件下的地面太陽輻射強度G=1000W/m在光伏系統(tǒng)設計初期，可以使用RETScreen進行系統(tǒng)經濟評價。RETScreen是一款加拿大的清潔能源管理軟件，主要用于清潔項目的經濟效益分析。在此軟件中，采用美國宇航局（NASA）衛(wèi)星測量所提供的數據，通過經緯度的精確定位，可以知道地區(qū)每月平均每日太陽輻射度等參數，并通過填寫預期項目情況，如項目裝機容量、組件選擇、逆變器選擇、當地電價情況等數據，能生成一系統(tǒng)經濟評價報告。但是該軟件并不是專業(yè)的針對光伏設計的軟件，無法查詢地區(qū)最佳傾角，還需通過計算或是其他輔助軟件查詢地區(qū)傾角。針對在國內難以查詢太陽輻照度這一情況，則可以通過此軟件在國內網絡暢通的情況下進行輔助查詢。圖4.12RETScreen讀取地區(qū)數據圖4.13大理地區(qū)日照時數在國內，也有類似的輔助軟件及網站用以光伏電站的設計和發(fā)電量的估算。比如本次設計使用的“光伏寶”，網址為：/，則是一款非常簡便快捷的輔助設計網站。在網站中有發(fā)電量估算模塊，只需簡單填寫地區(qū)，即能讀取城市最佳傾角數據，之后選擇實際安裝傾角，朝向以及裝機容量后，就能夠對系統(tǒng)的裝機容量進行計算。因再日照時間計算中，正南用9:00至15:00分進行計算，本次設計屋面朝向為南偏西6°，在計算中也是用9：00至15:00，所以以下分析設計全部認為朝向為正南。圖4.14為發(fā)電量估算界面。圖4.14發(fā)電量估算經過以上的設計，本次系統(tǒng)的裝機傾角為14°，表4.6列舉了通過此網站的發(fā)電量估算,不同傾角對系統(tǒng)的影響。表4.6系統(tǒng)發(fā)電量估算傾角29°14°水平輻照年總值（kWh/m2）1698.851698.85傾斜角輻照年總值（kWh/m2）1880.301832.27首年總發(fā)電量（kWh）4332.214221.57首年平均發(fā)電量（kWh/kWp）1444.071407.19裝機容量（kW）33二氧化碳減排量（噸）4.534.42經過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，不同的裝機傾角對光伏系統(tǒng)運行效率有一定的影響，在系統(tǒng)安裝角度與當地最佳傾角相差19°約52%的差值時，在一年中對系統(tǒng)發(fā)電量有110.64kWh約2.66%的影響，平均每天少發(fā)電約0.3kWh。除此之外，可以使用PVSYST軟件。PVSYST是一款專門用于太陽能光伏系統(tǒng)設計的軟件，它集成簡單設計和詳細設計，能夠完美的利用豐富的功能完成太陽能光伏系統(tǒng)的設計工作。它能夠讀取系統(tǒng)安裝位置數據，通過當地太陽輻照量直接得出當地最佳太陽能組件安裝傾角、行距、方位角等數據；并根據系統(tǒng)情況詳細設計失配損失、連接損失、遮蔽損失、輻照損失、灰塵損失、溫度影響、平衡系統(tǒng)（BOS）效率等參數，根據系統(tǒng)安裝地點環(huán)境情況，繪制系統(tǒng)安裝效果圖并進行陰影分析，最后進行模擬計算，得出太陽能光伏系統(tǒng)的一份詳盡的可行性報告及安裝效果圖。在PVSYST的初期設計部分，我們可以根據可用屋面面積來進行設計的系統(tǒng)，也可以根據系統(tǒng)裝機容量來進行系統(tǒng)設計，還可以根據年均發(fā)電量來進行系統(tǒng)的設計。在輸入相應的安裝角度之后，能夠清楚的看到不同安裝傾角造成的損失以及系統(tǒng)預估運行情況。圖4.15為PVSYST初期簡單設計的界面。圖4.15PVSYST初步設計界面根據上文可知，本次設計的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量為3kW，裝機角度為14°，方位角以0°計算，在PVSYST該界面內填寫相關數據后，軟件計算出傾角造成系統(tǒng)的損失為2.3%，同時通過“ShowOptimisation”可以查看平均發(fā)電情況預估、夏季發(fā)電情況預估、冬季發(fā)電情況預估等數據。在完成初期設計之后，會生成一份簡單的系統(tǒng)預估。下圖4.16和圖4.17是不同裝機角度即最佳傾角29°和本次設計裝機角度14°的系統(tǒng)發(fā)電量預估報告。圖4.1629°傾角初步設計報告圖4.1714°傾角初步設計報告從兩份報告中可以看出，在使用同一太陽能光伏系統(tǒng)影響因子數據庫時，在2-5月間傾角對光伏系統(tǒng)的發(fā)電量產生了比較明顯的影響，在發(fā)電情況較好的冬季，系統(tǒng)基本沒有受到影響。這是不同的季節(jié)特性造成的，在冬季較好的發(fā)電環(huán)境下，較小的影響因子不容易影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，而在春夏季，雨水較多，導致發(fā)電效率有所降低，加上傾角不是最佳傾角，電池板利用率將會進一步下降。經過初步分析設計，本次設計系統(tǒng)為家庭用離網（并網）3kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機方位為南偏西6°，以國內軟件測算數據為準，預計年發(fā)電量為4221.57kWh。對本系統(tǒng)進行效率分析，如表4.7。表4.7系統(tǒng)效率分析序號效率名稱損失量值1光伏系統(tǒng)占地面積小，導線有極小損失可以忽略02太陽能電池板之間存在一定的特性差異，不一致性損失系數2%3太陽能電池板表面即使清理仍存在一定的積灰，遮擋損失系數2%4逆變器工作時存在一定損耗2%5早晚不可利用太陽能輻射損失系數3%6光伏電池的溫度影響系數3%7考慮當地氣候變化較大及各種不利因素的影響3%8交直流電纜損耗4%系統(tǒng)總效率為：98%×98%×98%×97%×97%×97%×96%=82.5%本次設計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為82.5%。光伏組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會有衰減，按系統(tǒng)前十年總共衰減10%，后十五年輸出總共衰減10%計算，25年發(fā)電量測算如表4.8。表4.825年發(fā)電量估算年限單位（kWh）系統(tǒng)衰減率第1年4221.571%第2年4179.351%第3年4137.561%第4年4096.191%第5年4055.221%第6年4014.671%第7年3974.521%第8年3934.781%第9年3895.431%第10年3856.481%第11年3830.640.67%第12年3804.970.67%第13年3779.480.67%第14年3754.150.67%第15年3729.000.67%第16年3704.020.67%第17年3679.200.67%第18年3654.550.67%第19年3630.070.67%第20年3605.750.67%第21年3581.590.67%第22年3557.590.67%第23年3533.750.67%第24年3510.080.67%第25年3486.560.67%25年平均發(fā)電量3808.2925年總發(fā)電量99015.48按照實際裝機容量3kWp計算，25年年均發(fā)電等效利用小時數為：99015.48kWh÷3kW÷25=1320.21h由以上計算可得，本次設計在項目實施運作后，25年總發(fā)電量約為99015.48kWh，第一年發(fā)電量為4221.57kWh，25年平均發(fā)電量為3808.29kWh，年平均利用小時數為1320.21h。太陽能光伏系統(tǒng)的綜合設計對于一個分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，最重要的三部分：電池板、逆變器、支架系統(tǒng)設計完成之后，并不意味著系統(tǒng)的設計結束或是關于這三部分的設計結束，而是意味著要開始更為詳盡的光伏系統(tǒng)優(yōu)化設計，甚至于推翻之前的分塊式的設計推出一套新的設計方案使分塊整合，將電池板、支架和逆變器三者結合得更為緊密貼合實際，保證系統(tǒng)的順利安裝實施。同時還要細化分析太陽能光伏系統(tǒng)的經濟效益，預估發(fā)電量等，合理設計系統(tǒng)排線走線方式方法，根據情況合理設計離網（并網）電能配送存儲方式等設計工作。這部分將以理論為基礎，以符合實際為要義來進行設計，力求設計能夠實現(xiàn)應用。我把這部分設計的內容稱為太陽能光伏系統(tǒng)的綜合設計。光伏組件的排布及固定在完成了太陽能光伏系統(tǒng)的初步設計及經濟效益分析之后，就要著手進行光伏系統(tǒng)的綜合設計。在這個部分，會依據初步設計情況，細化光伏支架龍骨位置，繪制圖例，深化設計整個系統(tǒng)排線走線位置，確定電池板連接方式，設計離網系統(tǒng)所需的蓄電池組，設計并網系統(tǒng)并網點等工作。首先，將光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心電池板的安裝排布確定下來。在初步的設計中，電池板安裝方位是在屋面東南角和西南角，在屋面北面留有多余空間，現(xiàn)考慮到屋面南部和東部為懸空，在安裝靠近西南部及南部的電池板時比較危險，所以對初步設計進行更改，將電池組整體以西北角為基準上移，讓電池組盡可能的靠近屋面西側和北側，避免在安裝過程中的危險。確定支架系統(tǒng)為彩鋼瓦支架系統(tǒng)，則需要具體設計導軌（龍骨）的排布。在設計原則中，無論用什么方式讓電池板與龍骨固定，每塊電池板下必須有兩支與電池板長方向垂直的龍骨排布。本次設計根據現(xiàn)場情況，龍骨排布無障礙，因此每兩塊電池板下方以合理的方向安裝兩支龍骨，每支龍骨長為220cm，分別平行排布在電池板一短邊向上33.5cm處和另一短邊向下33.5cm處。根據初步設計，共使用導軌（龍骨）12支。排布情況如圖。龍骨選擇材料為熱鍍鋅C型鋼，這種材料使用年限長，不易生銹，基本能配合電池板25年的使用壽命，規(guī)格為40×40×10×2.0。圖4.18導軌排布電池板與支架連接有多種方式，可以通過電池板背部固定孔進行固定，也可以通過壓塊進行固定。電池板背部固定孔固定最為牢固，但是非常不便，電池板背部空間狹窄，電池板厚度40mm，除去材料厚度及電池片占用厚度，可操作空間只留下約30mm，不方便螺母與螺桿的連接。這種固定方式需要使用m6×55及55以上的內角螺絲，整個螺絲加裝m8及以上的墊片，從下往上穿過C型鋼通過墊片將螺絲頭卡主C型鋼，螺紋穿過電池板背部固定孔后將其與螺母連接固定。將用壓塊進行固定是現(xiàn)階段最為普遍的連接方式，其安裝簡便，能夠牢固固定電池板，在電池板正面即可進行。壓塊分為中壓塊和邊壓塊，邊壓塊在龍骨與電池板最邊沿使用，只固定單塊電池板，通過壓塊側邊平臺上的螺絲將壓把與電池板邊沿壓實，中壓塊用于兩塊電池板間的固定，通過壓塊中間平臺上的螺絲將壓塊壓把分別與兩塊電池板邊沿壓實。這種固定方式需要用到異形螺母，這種螺母在下端裝有強力彈簧，螺母置于導軌內部，通過彈簧作用，把異形螺母上推至導軌C口處卡住，后從上往下穿過壓塊螺絲孔將螺絲與異形螺母固定，完成連接。需要用到m8×25及25以上45以下的螺絲。圖4.19為壓塊安裝。圖4.19壓塊的固定綜合考慮后，本次設計使用壓塊固定。在導軌位置確定后，相應電池板的安裝位置也就確定下來，如圖4.20所示。圖4.20組件排布線纜的排布在電池組位置和逆變器位置確定之后，就要開始進行線纜鋪設的設計。在我國家庭用分布式太陽能光伏電站還沒有一個非常好的發(fā)展，全國沒有任何一幢房屋能夠在建造時就將太陽能光伏電站所需電纜預埋，所需現(xiàn)在要建設一個這樣的電站，所有的線纜只能走明線。對于在室內的線纜可以排布在不影響居住者活動的墻角或是屋頂，對于在室外的電纜，必須采取相應的保護措施保證電纜不被雨水等自然因素侵蝕，一般情況都會安裝pvc管對室外電纜進行保護。線纜的設計以安全為首要，特別是交流電纜，必須排布在遠離人活動的區(qū)域。其次在屋面應根據電池組的串并聯(lián)情況鋪設管道，合理利用屋面與屋內通風口，避免打扣等破壞屋面結構。本次設計為3kW光伏系統(tǒng)，共12塊電池板，依據電池板參數，可以進行如下計算。當電池板全部串聯(lián)時，系統(tǒng)工作電壓=29.8V×12=357.6V，系統(tǒng)開路電壓=37.6V×12=451.2V。當電池組排布出現(xiàn)并聯(lián)時，假設以最小串數2串計算，每串工作電壓=29.8V×6=178.8V，每串開路電壓=37.6V×6=225.6V，即系統(tǒng)工作電壓為178.8V，系統(tǒng)開路電壓為225.6V。因為逆變器效率與逆變器輸入功率成正比，對于同一逆變器來說，在符合逆變器功率、電壓等參數要求的條件下，越接近逆變器最大功率的系統(tǒng)，其逆變器效率越高。對于本次設計的系統(tǒng)，1路mppt即12塊電池板串聯(lián)能夠使逆變器工作效率最大，同時，屋面可利用情況良好，便于電池板的串聯(lián)。因此根據現(xiàn)場情況設計了線纜排布，在屋面室外部分，使用D20和D40的PVC管，D20的管用于穿不帶公頭母頭的直流線纜，D40的管用于穿帶有公頭母頭的直流線纜。直流線纜選用光伏專用的PV1-F4mm2。交流線纜選擇使用YJV3*4mm2在電池板安裝時，注意電池板線盒位置，電池板背部則直接可以用原有線纜連接，這部分線纜在電池板背部不會受到雨水侵蝕，則不需使用PVC管保護，連接后簡單放置在C型鋼凹槽內即可。在室內部分，利用原有通風口縫隙可將直流線纜正負線引入，因逆變器設計位置在通風口下方，則直接懸墜下直流線纜即可。交流線室內部分從逆變器出口向上引線，引至屋內一高約2.8m的平臺上，保證安全，后沿平臺向外引線至窗口下端，窗口下端開一交流出線口，將交流線纜排至之外，后向下排布至進戶線附近。因是否能夠實現(xiàn)并網未知，則設計出兩種方案：如系統(tǒng)能夠實現(xiàn)并網，則根據電網要求并網點接入電纜。如為離網系統(tǒng)，則在使用光伏系統(tǒng)時必須斷開電網，將交流線纜接入原有電網接入點。圖4.21為屋面及裝有逆變器的屋內線纜排布情況(離網系統(tǒng)中的蓄電池組及太陽能控制器沒有繪制在圖中)。圖4.21系統(tǒng)排線設計蓄電池的設計離網光伏系統(tǒng)所產生的有效發(fā)電量出了取決于光伏方陣容量、當地的氣象和地理條件以及現(xiàn)場安裝、運行情況等因素，還受到蓄電池容量及維持天數的限制。對于一離網系統(tǒng)來說，蓄電池組是必不可少的。相對來說蓄電池組的設計在離網系統(tǒng)中顯得非常重要，這直接影響了一個離網太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運行效率與在運行中能夠提供的電能。關于蓄電池容量的計算，參看如下公式：WT=E0在上式中，WT為蓄電池能量，單位Wh；CT為蓄電池容量，單位Ah；E0為平均每天負荷用電量，單位Wh/d；D為蓄電池最長自給天數，單位d；U為蓄電池放點深度；VT為直流工作電壓，單位V；ηT為蓄電池系統(tǒng)總效率[7]。對于蓄電池系統(tǒng)總效率，有如下計算依據：ηT=其中η1為蓄電池充放電效率，η2為溫度損失因子，η3為逆變器效率[7]。對于本次設計的系統(tǒng)，可依據以上公式進行蓄電池組的容量計算。蓄電池放電深度U取值80%，蓄電池充放電效率η1取值0.85，溫度損失因子η2取值0.9，逆變器效率η3取值0.92，則首先計算出蓄電池系統(tǒng)總效率ηT約為0.7。在工程中蓄電池最長自給天數一般要求至少3天，系統(tǒng)的直流工作電壓取決于選擇的離網逆變器電壓，一般為12V或24V。在現(xiàn)場參數確定部分可知，家庭用戶負載2760W，日用電量為7.76kWh，則3天用電量為23.28kWh，則蓄電池能量為：WT=23280Wh÷（U×ηT）=23280Wh÷0.56=41571.43Wh當逆變器工作電壓為24V時，蓄電池容量為CT=WT÷24V=41571.43Wh÷24V=1732.14Ah通過計算可知，本次設計系統(tǒng)需要一塊1732.14Ah的24V蓄電池，因要留出適當余量，所以選配1800Ah的24V蓄電池一塊。但是在實際工程中，沒有廠家可以提供24V大容量的電池，所以考慮選擇一塊12V3600Ah的蓄電池，由于系統(tǒng)逆變器為24V，所以需要兩個12V的蓄電池串聯(lián)來獲得24V電壓，所以選擇2塊12V1800Ah的蓄電池。當逆變器工作電壓為12V時，蓄電池容量為CT=WT÷12V=41571.43Wh÷12V=3464.29Ah通過計算可知，本次設計系統(tǒng)需要一塊3464.29Ah的12V蓄電池，因要流出適當余量，所以選配1塊12V3500Ah的蓄電池，滿足逆變器工作需求。防雷系統(tǒng)光伏組件采用支架直接接地的方式進行防雷保護，不設置獨立的防直擊雷保護裝置。將光伏電池組件支架連接扁鋼與房屋原有的接地端子連接作為防雷保護。在線路防雷上，整個光伏系統(tǒng)直流側的正負極均懸空、不接地，僅將光伏方陣支架接地[8]。因本次設計系統(tǒng)容量小，接入點一般不會高于220V，不設置避雷器。大理地區(qū)不屬于雷區(qū)，因此不需要特殊的防雷設備。在本次設計中，在光伏組件之間，用4mm2銅線通過接地孔連接，實現(xiàn)等電位安裝。防止雷擊造成電池板燒毀。電氣方案設計無論是一個離網系統(tǒng)還是一個并網系統(tǒng)，最終光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能總是要進入家庭負載回路使用，只有符合國家標準的電氣設備和符合要求的電氣接線方案，才能保證系統(tǒng)發(fā)出符合國家電能質量標準要求的交流電，才能保證系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定。為了防止意外發(fā)生，在接入負載回路前端，必須安裝斷路器，保護電路[9]。對于離網系統(tǒng)而言，首要保障的是在使用光伏系統(tǒng)時整個電氣回路沒有和電網相連。離網逆變器是針對沒有連接電網的回路設計，沒有反送電保護裝置，如果同時存在電網，電網的電能一但反送至逆變器，將會燒毀逆變器甚至將電池組全部短路燒毀；其次，要保證系統(tǒng)容量大于負載功率，保證回路中電器設備安全運行。特別要注意的是，離網光伏發(fā)電系統(tǒng)在啟動時，連接回路中所有的感性電器設備必須處于關斷狀態(tài)，比如電冰箱、電視機等設備，否則在系統(tǒng)啟動瞬間回路中電流會擊穿電感，損壞設備[10]。對于本次設計，由上文設計內容可知，本次裝機容量大于家庭中負載，可以直接接入家庭負載。接入電器方案如圖4.22。圖4.22離網系統(tǒng)回路連接對于并網系統(tǒng)而言，國家電網公司給出了多種家庭分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入方案，比如用戶側并網，則可以實現(xiàn)自發(fā)自用余電上網的目的，只需將光伏系統(tǒng)交流電纜并聯(lián)進入家庭電力回路即可；或是電網側并網，則是可以讓系統(tǒng)所產生電能全部上網，這樣需要將光伏系統(tǒng)交流電纜接入380V/220V公共架空線。具體電氣方案如圖4.23和圖4.24。圖4.23并網系統(tǒng)用戶側并網圖4.24并網系統(tǒng)電網側并網設計報告在經過經濟效益分析以及設計之后，可根據項目情況，得出能量損失最小、光伏系統(tǒng)全年能夠得到最大的發(fā)電量并且充分滿足負載用電需要的既可靠又經濟的最佳光伏系統(tǒng)方案。之后可以使用PVsyst光伏系統(tǒng)分析和設計工具對項目進行更為詳細的設計與計算。在PVsyst軟件系統(tǒng)設計功能中，可以對整個系統(tǒng)進行詳盡的設計，包括讀取系統(tǒng)安裝地理位置數據，通過當地太陽輻照量直接得出當地最佳太陽能組件安裝傾角、行距、方位角等數據；根據屋面類型，繪制裝機現(xiàn)場3D效果圖，生成光照模型，通過對現(xiàn)場模型進行光照分析、陰影分析，得出遮光損失；選擇電池組件類型，選擇逆變器類型，同時通過設置裝機容量或是設置裝機面積，經過逆變器的選擇后自動設計出電池組最佳串并聯(lián)方式；根據系統(tǒng)情況詳細設計失配損失、連接損失、遮蔽損失、輻照損失、灰塵損失、溫度影響、平衡系統(tǒng)（BOS）效率等參數[11]。最后經過模擬分析計算，得到一份詳盡的系統(tǒng)分析報告。該軟件設計光伏系統(tǒng)較為詳盡、準確，國外很多光伏設計師都會使用該軟件進行一些設計步驟。圖4.25為PVsyst系統(tǒng)設計的部分界面。圖4.25PVsyst部分界面本次設計通過PVsyst軟件，生成了一份詳細的設計報告，報告涵蓋了裝機地點，裝機角度、方位角，選用組件及逆變器等參數，計算得出年均發(fā)電量5580kWh，系統(tǒng)效率79.5%，與上文中的計算接近。報告如圖4.26、圖4.27、圖4.28和圖4.29。圖4.26系統(tǒng)設計報告P1圖4.27系統(tǒng)設計報告P2圖4.28系統(tǒng)設計報告P3圖4.29系統(tǒng)設計報告P4通過RETScreen軟件和PVsyst軟件，可完成分布式光伏系統(tǒng)從經濟效益最大化到結構合理化整個過程，能夠快捷智能的設計出一個高效益的光伏系統(tǒng)。通過詳細的數據設置與定義，能夠保證光伏系統(tǒng)在建成后的高效精準運行。優(yōu)化、強化了系統(tǒng)設計的整個過程。至此，一套光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計全部結束，設計圖紙如圖4.30。圖4.30系統(tǒng)總設計圖分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計較之火電、水電站的設計較為簡單，所受限制少，安裝形式多種多樣，能夠根據不同的現(xiàn)場情況進行設計施工，是所有能源中比較便捷、投資周期短、投產快速的新型能源形式。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工及安裝在所有設計完成之后，根據設計圖到現(xiàn)場比對確認，在確認設計無重大失誤的情況下，則開始進行施工安裝。在此過程中，經過與電網人員的積極協(xié)調和申請，在遞交了《分布式光伏發(fā)電項目并網接入申請表（低壓）》及相關材料后，電網公司向投資方開據了《幸福家苑B區(qū)27-4分布式光伏發(fā)電項目申請資料受理回執(zhí)》，正式同意本次設計項目并網。至此，本次設計項目正式確定為并網型家庭用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。購置運輸物資經過設計后，安裝過程中所需物資已經明確，所需配件規(guī)格及選擇理由，已在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中說明，不在此贅述。整理物資清單，參看表5.1。表5.1物資清單物資名稱品牌及型號數量單價（元）合計（元）電池組件YL250P-29b12塊10/W30000并網逆變器AFORE-Anyhome-HNS300TL1臺36003600光伏支架熱鍍鋅40*40*10*2200C型鋼12支/1550直流電纜Pv1-f420米6120交聯(lián)電纜YJV4*420米//PVC管1D20*20006根1.59PVC管2D40*200010根330螺絲1M8*45360.518螺絲2M6*65480.524輔材壓塊、接頭若干//合計35351總計人民幣金額（大寫）：叁萬伍仟叁佰伍拾壹圓整注意光伏板在運輸途中一定要平置，否則運輸途中顛簸很容易造成電池板碎裂。圖5.1和圖5.2為部分物資采購單或物資標號。圖5.1采購光伏組件圖5.2采購逆變器及輔材物資到齊后清點物資發(fā)現(xiàn)，光伏支架尺寸出現(xiàn)錯誤，與廠商聯(lián)系后，得知廠商在切割時出現(xiàn)失誤，將2.2m支架切割為2.0m支架，協(xié)調后對之前設計方案進行小幅更改：原設計太陽能電池板全部使用壓塊與光伏支架進行固定，現(xiàn)改為只使用中壓塊固定兩塊電池板中央連接處，電池板邊沿全部使用m6*65螺絲，利用電池板背板固定孔進行固定。進行安裝清點物資之后，開始準備安裝。在現(xiàn)場安裝時，經過多方考慮，因彩鋼瓦為民用地方產彩鋼瓦，為防止安裝時間長之后，彩鋼瓦會變形，所以用鋼材在彩鋼瓦上放搭建了一個框架，將光伏支架直接焊接于框架上。本次改動并未影響光伏組件及支架的安裝位置，未改動屋面面積，并未對之前設計造成影響。年1月20日傍晚，按照設計進行支架的焊接，共3人進行屋面光伏組件的排布固定（并未連接電池板）。圖5.3系統(tǒng)電池板及支架的安裝圖5.4中壓塊年1月21日，連接屋頂防雷，電池板等電位連接，檢查是否有固定松動。至此電池組的排布安裝全部完成。年1月22日，直流線排線，基本吻合設計，安裝固定PVC管，對PVC管連接直通、90角以及三通的部分用玻璃膠封死，防止雨水漏入管內腐蝕線材。直流線并未連接逆變器。圖5.5為直流排線情況，圖5.6為直流排線完工圖。圖5.5直流線排布圖5.6直流線排線完工圖年1月25日，固定逆變器，交流線排線。并未連接逆變器。圖5.7逆變器安裝效果圖年1月31日晚，根據太陽能光伏電站施工要求，在晚間連接所有電池板，以最東北塊電池為整個電池方陣的正極，依據設計圖紙依次連接至最西北塊電池的負極，后通過通風口進入逆變器室。直流側分清正極負極后，對應壓好公頭母頭，連接逆變器。剝開交聯(lián)電纜頭，因使用的是YJV4*4型號，且整個系統(tǒng)已經完成接地（即防雷），所以只需連接火線和零線，在4芯中選擇2芯分別作為火線和零線連接逆變器，記錄好火線及零線所使用線芯。圖5.8逆變器連線至此，安裝工作全部完成。系統(tǒng)整改及試運行年2月1日，采用自發(fā)自用余電上網的方式將交聯(lián)電纜另一端頭連接至家庭負載廚房回路中，在并網前端口安裝斷路器，同時此斷路器可以作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的總開關，開關合上系統(tǒng)則開始運行，關斷則系統(tǒng)停機。在連接好所有電氣設備后，啟動系統(tǒng)，并網逆變器自動檢測各個參數，40S后系統(tǒng)正常運行，當天試運行了58分鐘，發(fā)電量2.05kWh,未出現(xiàn)故障。后關閉系統(tǒng)，解除并網點連接，保證家庭回路安