《光伏發(fā)電系統(tǒng)集成》課件-項目三：家用光伏電站設(shè)計

2017年“一流應(yīng)用技術(shù)大學(xué)”建設(shè)項目國際化專業(yè)教學(xué)資源天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)2017年“一流應(yīng)用技術(shù)大學(xué)”建設(shè)項目成果匯報人：代用名日期：2018年11月項目三：家用光伏電站設(shè)計目錄任務(wù)提出任務(wù)解析光伏陣列離網(wǎng)逆變器1234支架系統(tǒng)576任務(wù)實施應(yīng)用案例

1任務(wù)提出

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)是指主要供給無電或缺電的家庭、小單位等所使用的小型離網(wǎng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于其具有靈活多樣、功率小、安裝方便的特點，既不占用額外土地，又有顯著的減排生態(tài)效益。本項目設(shè)計一套家用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，地點為山西省太原市郊區(qū)。如圖1-1所示，該用戶離公共電網(wǎng)較遠(yuǎn)，設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在居民屋頂上，能夠?qū)崿F(xiàn)白天發(fā)電儲能，供用戶自用。圖1-1屋頂光伏電站效果圖2任務(wù)解析

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、控制器、蓄電池、逆變器和交流負(fù)載等構(gòu)成。對于家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，主要是根據(jù)用電設(shè)備，計算光伏陣列容量、蓄電池容量和配套電氣設(shè)備的選型。設(shè)計時需要對用電設(shè)備進(jìn)行細(xì)致的了解?？蛻粲媱澭b機(jī)規(guī)模、投資額度、資金來源，安裝現(xiàn)場周圍環(huán)境、安裝面積、有否遮擋物以及對負(fù)載功率、供電方式、使用要求等情況進(jìn)行方案設(shè)計和實施時也是必須考慮的要素。圖1-2家用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3光伏陣列光伏陣列的定義熱斑效應(yīng)和光伏陣列中的二極管光伏陣列電路

工程上使用的光伏組件是太陽能電池使用的基本單元，其輸出電壓和電流有限，有時需要把太陽能光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)以得到更高的電壓和更大的電流。性能相一致的太陽能光伏組件串聯(lián)時，電壓增加，電流不變：性能相一致的太陽能光伏組件并聯(lián)時，電流增加，電壓不變。在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)需要將若干個光伏組件串聯(lián)、并聯(lián)連接而排列成陣列，這種陣列稱為太陽能電池方陣（或光伏陣列），如圖1-4所示。

圖1—4太陽能光伏陣列示意圖1.太陽能電池組件的熱斑效應(yīng)

當(dāng)太陽能電池組件或某一部分被鳥類、樹葉、陰影覆蓋的時候，被覆蓋部分不僅不能發(fā)電，還會被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽能電池組件的能量，引起局部發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對太陽能電池會造成破壞，嚴(yán)重的可能會使焊點熔化封裝材料破壞，甚至?xí)拐麄€組件失效。

圖1-5電池組件的熱斑效應(yīng)防2.旁路二極管和反充（防逆流）二極管圖1-6旁路二極管接法示意圖

旁路二極管也不是任何場合都需要的，當(dāng)組件單獨使用或并聯(lián)使用時，是不需要接二極管的。對于組件串聯(lián)數(shù)量不多且工作環(huán)境較好的場合，也可以考慮不用旁路二極管。1）旁路二極管

當(dāng)有較多的太陽能電池組件串聯(lián)組成電池方陣或電池方陣的一個支路時，需要在每塊電池板的正負(fù)極輸出端反向并聯(lián)1個（或2～3個）二極管，這個并聯(lián)在組件兩端的二極管就叫旁路二極管。旁路二極管一般都直接安裝在組件接線盒內(nèi)，根據(jù)組件功率大小和電池片串的多少，安裝1~3個二極管，如圖1-6所示。防反充二極管的作用之一是防止太陽能電池組件或方陣不發(fā)電時，蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞；作用之二是在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送。2）防反充（防逆流）二極管

光伏陣列的基本電路由太陽能電池組件串、旁路二極管、防反充二極管和帶避雷器的直流接線箱等構(gòu)成，常見電路形式有并聯(lián)方陣電路、串聯(lián)方陣電路和串、并聯(lián)混合方陣電路，如圖1-7所示。（a）并聯(lián)方陣（b）串聯(lián)方陣（c）串并聯(lián)混合方陣圖1-7光伏陣列基本電路示意圖4離網(wǎng)逆變器基本工作原理逆變器基本電路逆變器主要技術(shù)參數(shù)

在電力電子上，把直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，它是整流的逆過程。把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設(shè)備或逆變器。逆變器還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。另外，相對于蓄電池直接提供的12V、24V或48V低壓直流電，220V輸出的交流電也可以提供更大的供電半徑。圖1-8光伏逆變器逆變器按輸出電壓波形的不同，可分為方波逆變器、階梯波逆變器和正弦波逆變器，方波和階梯波逆變器一般都用在小功率場合。

逆變器按輸出交流電壓的相數(shù)可分為單相逆變器、三相逆變器和正弦波逆變器。單相逆變器主要用于中小型的UPS系統(tǒng)，三相逆變器主要應(yīng)用于大中型的UPS系統(tǒng)，同時在大中型UPS中，為了消除方波電壓的諧波分量，則采用正弦波逆變器。逆變器按輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無源逆變器。將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變器；將逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載稱為無源逆變器。

以單相橋式逆變電路為例說明逆變器最基本的工作原理。單相橋式逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1-9（a）所示，是橋式電路的四個臂，由電力電子器件(功率半導(dǎo)體器件)及輔助電路組成。Ud

為輸入直流電壓，R為逆變器的輸出負(fù)載。工作原理如圖1-9（b）所示，設(shè)在0~T/2

期間VT1,

VT3導(dǎo)通，VT2,VT4斷開；在T/2~T期間VT1,VT3斷開，VT2,VT4導(dǎo)通。如此周期性重復(fù)上述過程，則在負(fù)載R上得到一交流方波電壓Ud，從而實現(xiàn)了將直流電壓URO變換成交流電壓。UR為方波，幅值為Ud

，頻率為f

=1/T,方波改變Ud和T的大小，就可以改變輸出交流電壓的大小和頻率。（a）原理電路；(b)工作波形圖1-9逆變電路原理及波形圖

逆變器的核心是通過逆變電路完成逆變的功能。逆變電路的基本作用是在控制電路的控制下，將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路主要由濾波器、逆變橋、單相變壓器、繼電器組成，如圖1-11所示。圖1-11逆變電路組成

逆變器的基本電路可分為推挽式、半橋式和全橋式三種，雖然電路結(jié)構(gòu)不同，但工作原理類似。電路中都使用具有開關(guān)特性的半導(dǎo)體功率器件，由控制電路周期性地對功率器件發(fā)出開關(guān)脈沖控制信號，控制各個功率器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)過變壓器耦合升壓或降壓、整形濾波輸出符合要求的交流電。

一個周期內(nèi)，電力晶體管VT1和VT2的基極信號各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。輸出電壓uo

是周期為T3矩形波，其幅值為Ud/2

。當(dāng)負(fù)載為電阻R時，電流io=uo/R與uo一樣，也是180°寬的方波。輸出電壓、電流波形如圖1-14（c）所示。

如圖1-14所示，半橋式逆變電路由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反向并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個互相串聯(lián)的足夠大的電容C1

和C2且滿足。圖1-14半橋式逆變電路原理圖1.半橋式逆變電路2.全橋式逆變電路

如圖1-16所示，單相全橋式逆變電路由直流電源Ud

，輸出變壓器T，四個功率開關(guān)器件和二極管組成。VT1

和VT4構(gòu)成一對橋臂，VT2和VT3構(gòu)成一對橋臂。VT1,VT4與VT2,VT3的驅(qū)動信號互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動信號時，T2和T3

無驅(qū)動信號，反之亦然，VT1和VT4

和VT3

各交替導(dǎo)通180°。二極管VD1

~VD4

是為感性負(fù)載續(xù)流的。如果在電路中不接入二極管，則在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，會因電感的作用使其兩端呈現(xiàn)極高的電壓尖峰，嚴(yán)重時會擊穿開關(guān)管。圖1-16單相全橋式逆變電路1.額定輸出電壓

光伏逆變器在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內(nèi)，應(yīng)能輸出額定的電壓值，一般在額定輸出電為單相220V和三相380V時，電壓波動偏差有如下規(guī)定。（1）在穩(wěn)定狀態(tài)運行時，一般要求電壓波動偏差不超過額定值的±5％；（2）在負(fù)載突變時，電壓偏差不超過額定值的±10%；（3）在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度不應(yīng)超過8%；（4）輸出的電壓波形（正弦波）失真度一般要求不超過5％；

2.負(fù)載功率因數(shù)負(fù)載功率因數(shù)大小表示了逆變器帶感性負(fù)載的能力，在正弦波條件下負(fù)載功率因數(shù)為0.7~0.9。3.額定輸出電流和額定輸出容量額定輸出電流是表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流，單位為A；額定輸出容量是指當(dāng)輸出功率因數(shù)為1（即純電阻性負(fù)載）時，逆變器額定輸出電壓和額定輸出電流的乘積，單位是kV·A或kW。額定輸出效率是指在規(guī)定的工作條件下，輸出功率與輸入功率之比，通常應(yīng)在70％以上。逆變器的效率會隨著負(fù)載的大小而改變，當(dāng)負(fù)載率低于20％和高于80％時，效率要低一些。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逆變器的輸出功率在大于等于額定功率的75％時，效率應(yīng)大于等于80％。

4.額定輸出效率5.過載能力過載能力是要求逆變器在特定的輸出功率條件下能持續(xù)工作一定的時間，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下。（1）輸入電壓與輸出功率為額定值時，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作4h以上；（2）輸入電壓與輸出功率為額定值的125%時，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作1min以上；（3）輸入電壓與輸出功率為額定值的150%時，逆變器應(yīng)連續(xù)可靠工作10s以上。6.額定直流輸入電壓額定直流輸入電壓是指光伏發(fā)電系統(tǒng)中輸入逆變器的直流電壓，小功率逆變器輸入電壓一般為12V和24V，中、大功率逆變器電壓有24V，48V，110V，220V和500V等。7.額定直流輸入電流額定直流輸入電流是指太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為逆變器提供的額定直流工作電流。8.直流電壓輸入范圍

光伏逆變器直流輸入電壓允許在額定直流輸入電壓的90%~120%范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電壓的變化。逆變器中的開關(guān)電路極容易產(chǎn)生電磁干擾，在鐵芯變壓器上因振動而產(chǎn)生噪聲。因而在設(shè)計和制造中都必須控制電磁干擾和噪聲指標(biāo)，使之滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求。其噪聲要求是：當(dāng)輸入電壓為額定值時，在設(shè)備高度的1/2、正面距離為3m處用聲級計分別測量50％定負(fù)載和滿載時的噪聲應(yīng)小于等于65dB。9.電磁干擾和噪聲5支架系統(tǒng)支架分類安裝角度設(shè)計支架的安裝方式

光伏支架可以分為固定式、傾角可調(diào)式和自動跟蹤式。自動跟蹤支架可以分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。其中單軸跟蹤又可以細(xì)分為平單軸、斜單軸和方位角單軸跟蹤三種。

（1）桁架式固定支架桁架式固定支架為前后立柱形式，支架的主要零部件有前立柱、后立柱、橫梁、斜支撐、導(dǎo)軌和后支撐等，如圖1-18所示。這些部件一般采用C形鋼來制作。在某些場合，也有使用鋁合金材料來制作導(dǎo)軌。圖1-18桁架式固定支架桁架式固定支架受力形式明確、加工制作簡單，適用于地形較為平坦的地區(qū)。1.固定式支架固定式支架安裝完成后傾角和方位角不能調(diào)整。固定式支架的結(jié)構(gòu)多樣，較為常用的有桁架式、單排立柱、單立柱三種。（2）單排立柱固定支架單排立柱支架只有一排基礎(chǔ)，節(jié)省土建工程量、對地表的擾動相對桁架式支架要小，因此在國外應(yīng)用較多。這種支架的主要零部件有立柱、斜支撐、橫梁和導(dǎo)軌等，如圖1-19所示。其中，立柱可以采用C形鋼、H形鋼或方鋼管等材料，斜支撐、橫梁和導(dǎo)軌可以采用C形鋼等材料。由于只有單排基礎(chǔ)，因此這種支架對地形的適應(yīng)能力比桁架式固定支架強(qiáng)。

圖1-19單排立柱固定支架（3）單立柱固定支架單立柱支架就是支架只有一個立柱。由于只有一個立柱，單套支架上可以布置的光伏組件數(shù)量通常較少。這種支架的主要零部件有立柱、縱梁、橫梁和導(dǎo)軌等，如圖1-20所示。其中立柱可采用預(yù)制水泥管樁，管樁頂部留有預(yù)埋件；縱梁和橫梁由于懸挑較多，一般采用方鋼管；導(dǎo)軌采用C形鋼或鋁合金。這種支架主要用于地下水位較高的沿海灘涂地區(qū)，支架立柱采用打樁機(jī)打人，施工速度較快。圖1-20單立柱固定支架2.傾角可調(diào)式支架

固定式支架的傾角是不可調(diào)節(jié)的，而傾角可調(diào)式支架的傾角則可以手動調(diào)節(jié)。為了使傾角可以調(diào)節(jié)，支架一般圍繞某個軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到某個預(yù)定的角度時，用螺栓等零件固定起來，如圖1-21所示。傾角可調(diào)支架一般按季度調(diào)節(jié)，傾角一般設(shè)為三擋，最大傾角按冬季（11月至次年1月）接收到的總輻射量最大來確定，中間傾角按春季（2月至4月）和秋季（8月至10月）接收到的總輻射量最大來確定，最小傾角則按夏季（5月至7月）接收到的總輻射量最大來確定。傾角可調(diào)式支架一般為單排立柱結(jié)構(gòu)，為了便于傾角調(diào)整，單個支架可安裝的光伏組件數(shù)量不能太多，通常安裝的組件數(shù)量正好構(gòu)成一個組串。圖1-21傾角可調(diào)節(jié)支架

（1）單軸跟蹤支架單軸跟蹤又分為平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架和方位角單軸跟蹤支架。平單軸跟蹤支架是指支架圍繞一根水平方向的軸跟蹤太陽旋轉(zhuǎn)，這個水平的軸可以是南北方向也可以是東西方向。軸向為南北方向時的發(fā)電量較高，因此平單軸跟蹤支架的軸一般為南北方向。這種支架的最大特點是采用連桿將若干排支架連接起來，用單個電動推桿推動若干排支架同步旋轉(zhuǎn)，如圖1-22所示。圖1-22平單軸跟蹤支架3.跟蹤式支架

跟蹤式支架分為單軸跟蹤支架和雙軸跟蹤支架。

斜單軸跟蹤支架是指一種圍繞一根南北向傾斜的軸旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的支架，如圖1-23所示。在中高緯度地區(qū)，與平單軸跟蹤系統(tǒng)相比，斜單軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量有較大幅度的提高。當(dāng)然，由于旋轉(zhuǎn)軸呈傾斜狀態(tài)，斜單軸跟蹤支架的造價也高于平單軸支架。斜單軸跟蹤支架一般采用三點式支撐結(jié)構(gòu)，具體的傳動結(jié)構(gòu)和控制方法也有很多種。

圖1-23斜單軸跟蹤支架

方位角單軸跟蹤支架可以看成是將一個固定式支架安裝在一個旋轉(zhuǎn)的基座上構(gòu)成的，如圖1-24所示。這種支架在跟蹤時，方陣面與水平面的夾角保持不變，變化的是方陣面的方位角。

圖1-24方位角單軸跟蹤支架（2）雙軸跟蹤支架雙軸跟蹤支架可以看成是一個傾角可以自動調(diào)節(jié)的支架安裝在一個旋轉(zhuǎn)的基座上，如圖1-25所示。所謂雙軸，就是指支架可以沿2個獨立的軸旋轉(zhuǎn)，一般一個軸可以使支架的方位角自由旋轉(zhuǎn)，另一個軸可以使支架的傾角自由旋轉(zhuǎn)。這樣，雙軸跟蹤支架始終可以保持與太陽光線垂直，是所有跟蹤支架中發(fā)電量最高的。

圖1-25雙軸跟蹤支架太陽能電池組件的方位角與傾斜角選定是太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計時最重要的因素之一。1)太陽電池組件（方陣）的方位角太陽電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽電池單位容量的發(fā)電量最大。如果受太陽電池設(shè)置場所如屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時，則應(yīng)考慮與它們的方位角一到，以求充分利用現(xiàn)有的地形和有效面積，并盡量避開周圍建、構(gòu)筑物或樹木等產(chǎn)生的陰影。只要在正南±20°之內(nèi)，都不會對發(fā)電量有太大影響，條件允許的話，應(yīng)盡可能偏西南20°之內(nèi)，使太陽能發(fā)電量的峰值出現(xiàn)在中午稍過后某時，這樣有利冬季多發(fā)電。有些太陽能光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，當(dāng)正南方向太陽電池鋪設(shè)面積不夠大時，也可將太陽電池鋪設(shè)在正東、正西方向。

2)太陽電池組件（方陣）的傾斜角傾斜角是地平面（水平面）與太陽電池組件之間的夾角。傾斜角為0°時表示太陽電池組件為水平設(shè)置，傾斜角為90°時表示太陽能電池組件為垂直設(shè)置。太陽電池傾斜角的選擇最理想的傾斜角是使太陽電池年發(fā)電量盡可能大，而冬季和夏季發(fā)電量差異盡可能小時的傾斜角。一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鰹楫?dāng)?shù)靥栯姵亟M件安裝的傾斜角。當(dāng)然如果能夠采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，可以進(jìn)行太陽能傾斜角的優(yōu)化計算，使兩者能夠兼顧就更好了，這對于高緯度地區(qū)尤為重要。

如果沒有條件對傾斜角進(jìn)行計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定太陽能電池的傾斜角：緯度為0°~25°時，傾斜角等于緯度；緯度為26°~40°時，傾斜角等于緯度加上5°~10°；緯度為41°~55°時，傾斜角等于緯度加上10°~15°；緯度為55°以上時，傾斜角等于緯度加上15°~20°。系統(tǒng)設(shè)計時要考慮照顧冬天，按冬天時能得到最大發(fā)電量的傾斜角確定，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥冉嵌却笠恍６鴮τ谥饕獮楣夥?、制冷空調(diào)等夏季負(fù)載供電的光伏系統(tǒng)，則應(yīng)考慮為夏季負(fù)載提供最大發(fā)電量，其傾斜角應(yīng)該比當(dāng)?shù)鼐暥鹊慕嵌刃∫恍?.屋頂類支架的安裝

屋頂類支架的安裝要根據(jù)不同的屋頂結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計，對于斜面屋頂可設(shè)計與屋頂斜面平行的支架，支架的高度離屋頂面10cm左右，以利于太陽能電池組件的通風(fēng)散熱，也可以根據(jù)最佳傾斜角角度設(shè)計成前低后高的支架，以滿足電池組件的太陽能最大接收量。平面屋頂一般要設(shè)計成三角形支架，支架傾斜面角度為太陽電池的最佳接收傾斜角，三種支架設(shè)計示意如圖1-26所示。圖1-26屋頂支架設(shè)計示意圖2.地面方陣支架的安裝地面用光伏方陣支架安裝方式可采用固定式、可調(diào)式和自動跟蹤式等。地面安裝的方陣支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度，滿足光伏方陣靜載荷(如積雪重量)和動載荷(如臺風(fēng))的要求，保證方陣安裝安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角鋼和槽鋼制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基礎(chǔ)，方陣組件排列有橫向排列和縱向排列兩種方式。橫向排列一般每列放置3～5塊電池組件，縱向排列每列放置2～4塊電池組件。支架具體尺寸要根據(jù)所選用的電池組件規(guī)格尺寸和排列方式確定。圖1-30為光伏陣列地面固定安裝實例。圖1-30光伏陣列地面固定安裝實例2.地面方陣支架的安裝地面用光伏方陣支架安裝方式可采用固定式、可調(diào)式和自動跟蹤式等。地面安裝的方陣支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)，要有足夠的強(qiáng)度，滿足光伏方陣靜載荷(如積雪重量)和動載荷(如臺風(fēng))的要求，保證方陣安裝安全、牢固、可靠。固定式支架一般都是用角鋼和槽鋼制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基礎(chǔ)，方陣組件排列有橫向排列和縱向排列兩種方式。橫向排列一般每列放置3～5塊電池組件，縱向排列每列放置2～4塊電池組件。支架具體尺寸要根據(jù)所選用的電池組件規(guī)格尺寸和排列方式確定。圖1-30為光伏陣列地面固定安裝實例。圖1-30光伏陣列地面固定安裝實例6任務(wù)實施系統(tǒng)方案設(shè)計設(shè)計依據(jù)與基本原則蓄電池的選型與計算控制器的選型逆變器的選型支架系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)負(fù)載的要求和當(dāng)?shù)靥柲苜Y源及氣象地理條件，綜合考慮各種因素和技術(shù)條件。在充分滿足用戶負(fù)載用電需要的條件下，盡量減少太陽電池和蓄電池的容量，以達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。設(shè)計思路如圖1-32所示。圖1-32家用光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計思路

在設(shè)計太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的配置、選型之前，要充分了解用電負(fù)載的特性。確定負(fù)載是單相電還是三相電，是直流電還是交流電，負(fù)載總功率、用電同時率、工作時間，負(fù)載是感性還是阻性。根據(jù)負(fù)載特性可將負(fù)載分為以下幾類，見圖1-33。圖1-33負(fù)載特性分類

1.用電需求分析

當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)要為多路不同的負(fù)載供電時，就需要先把各路負(fù)載的日耗電量計算并合計出總耗電量，然后以當(dāng)?shù)胤逯等照諏崝?shù)為參數(shù)進(jìn)行計算。統(tǒng)計總耗電量時要對臨時負(fù)荷的接入及預(yù)期負(fù)荷的增長有預(yù)測，留出5%~10%的余量。表1-2為本項目中的家用電器耗電統(tǒng)計，負(fù)載中包括了感性負(fù)載和阻性負(fù)載。表1-2家用電器耗電情況統(tǒng)計電器名稱功率(W)工作時長(h)數(shù)量用電量（W·h)冰箱15051臺750電視15031臺450空調(diào)120032臺2000節(jié)能燈1525盞150熱水器150011臺1000電飯煲65011臺650電腦30041臺1200合計

6200

設(shè)計之前，不論對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，還是光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，最基本的工作之一就是從以下三個方面了解光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時必須要用到的相關(guān)數(shù)據(jù)。本項目地點是山西省太原市。太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，于華北地區(qū)黃河流域中部，地理位置處于東經(jīng)111°30′～113°09′，北緯37°27′～38°25′。太原市屬溫帶季風(fēng)性氣候，年平均降雨量456毫米，年平均氣溫9.5℃，一月份最冷，平均氣溫6.8℃；7月份最熱，平均氣溫23.5℃。全年日照時數(shù)2808小時，屬于太陽能資源較豐富區(qū)域。

2.當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項l件

圖1-34住宅屋頂類型項目中用戶將光伏電站建在屋頂上，屋頂為平面屋頂。

目前陣列安裝位置有在地面上和屋項上兩種，由于一般發(fā)電量不大，屋頂?shù)拿娣e可滿足用戶的要求，同時滿足節(jié)約集約用地的需求，屋頂式安裝的家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。住宅用的屋項有山墻形、四坡到頂?shù)榷喾N，如圖1-34所示。

3.陣列安裝位置的設(shè)計對于家庭電站，采用一種以峰值日照實數(shù)為依據(jù)的多路負(fù)載計算方法。在離網(wǎng)（獨立）光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求而定。負(fù)載電壓要求越高，系統(tǒng)電壓也應(yīng)盡量高。當(dāng)系統(tǒng)中沒有12V直流負(fù)載時，系統(tǒng)電壓最好選擇24V、48V或以上，這樣可以使系統(tǒng)直流電路部分的電流變小。系統(tǒng)電壓越高，系統(tǒng)電流就越小，從而可以使系統(tǒng)及線路損耗變小。項目中用戶的用電負(fù)載沒有12V直流負(fù)載，根據(jù)以上原則，較高的系統(tǒng)電壓可以使直流電路的電流較小，減少損耗，因此設(shè)計本系統(tǒng)電壓為48V。

（1）系統(tǒng)電壓確定①根據(jù)總耗電量，利用公式計算出太陽能電池組件（方陣）需要提供的發(fā)電。這里系統(tǒng)的效率系數(shù)包括：系統(tǒng)效率系數(shù)包括：蓄電池的充電效率，一般取0.9；交流逆變器的轉(zhuǎn)換效率，一般取0.85；太陽電池組件功率衰降、線路損耗、塵埃遮擋等的綜合系數(shù)，一般取0.9。這些系數(shù)可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。②根據(jù)太陽電池組件(方陣)的發(fā)電電流，用下列公式計算其總功率：

電池方陣總功率P=方陣發(fā)電電流×系統(tǒng)直流電壓×系數(shù)1.43（2）電池方陣功率計算:負(fù)載日耗電量（w●h)系統(tǒng)直流電壓×峰值日照時數(shù)（h)×系統(tǒng)效率

方陣發(fā)電電流（A)=系數(shù)1.43是太陽電池組件峰值工作電壓與系統(tǒng)工作電壓的比值。例如，為12v系統(tǒng)工作電壓充電的太陽電池組件的峰值電壓為17～17.5v，為24v系統(tǒng)工作電壓充電的峰值電壓為24V×1.43=34.2V（項目一中介紹過蓄電池和充電電壓的關(guān)系）。太陽電池組件功率=組件峰值電流×組件峰值電壓，因此為方便計算用系統(tǒng)工作電壓乘以1.43就是該組件或整個方陣的峰值電壓近似值。

根據(jù)表1-3統(tǒng)計的日耗電量，考慮增加5%的預(yù)期負(fù)載余量，并確定使用系統(tǒng)工作電壓為48V的逆變器，查詢太原市峰值日照實數(shù)按照4.83小時計算，代入公式計算如下：方陣發(fā)電電流I：

I=（6200Wh×1.05）/（48V×4.83h×0.9×0.85×0.9）=40.78A計算太陽能電池方陣的總功率P：P=40.78A×48V×1.43=2779.14W參數(shù)峰值功率300W峰值電壓36V開路電壓43.2V峰值電流8.33A短路電流9.17A最大系統(tǒng)電壓1000VDC(IEC)/600VDC(UL)表1-4多晶硅電池組件參數(shù)（3）組件選型與陣列確定在本項目中地點在太原市需要兼顧轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計成本等因素?？紤]到多晶硅電池相對于晶體硅電池具有成本低，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)?shù)忍攸c，而非晶電池成本低，但是效率較低，同等發(fā)電功率方陣則需占用較大面積，本項目中家用光伏電站需要占用屋頂面積，因此選擇多晶硅電池組件，其參數(shù)如表1-4所示。

系統(tǒng)工作電壓確定為48V，系統(tǒng)的組件串聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)工作電壓×1.43/組件的峰值電壓。因此選擇2塊組件串聯(lián)，得到每串組件電壓為72V，功率為600W。系統(tǒng)的組件并聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)總功率/每串組件功率，代入計算得到2779.14W/600W=4.63，所以并聯(lián)數(shù)目應(yīng)該選擇5個并聯(lián)數(shù)。實際系統(tǒng)總功率=并聯(lián)數(shù)目×串聯(lián)數(shù)目×單塊電池組件功率，計算得到5×2×300W=3000W。系統(tǒng)配置為300W多晶硅組件10塊，光伏方陣容量為3kW。1.蓄電池容量設(shè)計

蓄電池容量的設(shè)計思想是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。在蓄電池容量設(shè)計時需要引入一個不可缺少的參數(shù)--自給天數(shù)，在設(shè)計中常取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為3～5天；對于負(fù)載對電源要求很嚴(yán)格的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在設(shè)計中常取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為7、14天。