首页！欧陆娱乐！首页探讨太阳能光伏发电系统的设计与施工  探讨太阳能光伏发电系统的设计与施工  Summary：目前，我国电力能源的供给方式仍然以火电为主，这种发电方式不仅给自然生态环境施加了压力，并且能源消耗量也与日俱增，而利用太阳能这种清洁无污染的可再生能源进行发电，则扭转了这一局面，随着太阳能利用效率的提升，在发电领域被普遍推广和应用。据测算数据表明：太阳辐射到地球大气层的能量值高达173000TW，如果换算成原煤，每秒钟所产生的能量与500万吨原煤释放的能量相当。可见，太阳能具有巨大的开发和挖掘潜力。尤其在近几年，太阳能光伏发电系统的研发技术日渐成熟，利用该技...

　　_62_3与施工  Summary：目前，我国电力能源的供给方式仍然以火电为主，这种发电方式不仅给自然生态环境施加了压力，并且能源消耗量也与日俱增，而利用太阳能这种清洁无污染的可再生能源进行发电，则扭转了这一局面，随着太阳能利用效率的提升，在发电领域被普遍推广和应用。据测算数据表明：太阳辐射到地球大气层的能量值高达173000TW，如果换算成原煤，每秒钟所产生的能量与500万吨原煤释放的能量相当。可见，太阳能具有巨大的开发和挖掘潜力。尤其在近几年，太阳能光伏发电系统的研发技术日渐成熟，利用该技术可以将太阳能这种清洁能源，转化成为可供使用的直流电能，这就为社会各领域提供了生产与生活所必需的电力能源。基于此，本文将着重围绕太阳能光伏发电系统的结构组成、设计思路以及施工技术要点予以全面阐述。Keys：太阳能；光伏发电；设计理论；施工技术要点太阳能光伏发电系统主要是基于光生伏打原理而研发出的一种规模化、清洁化的发电系统，该系统通过吸收太阳能，使系统中的半导体能够拥有相反极性的载流子，并可以在外电路位置形成驱动系统运行的稳定电流，进而实现太阳能与电能的转化过程。该系统具有能量储备功能，白天可以集聚大量的能量，并储存在系统内部，一旦遇到阴雨天，系统中储备的太阳能可以快速转化成为电能而直接传输给终端用户，因此，该系统能够反复、持续不断的为广大用户提供充足的电力能源。1.太阳能光伏发电系统的结构组成太阳能光伏发电系统一般由三部分构成，分别是电池方阵、控制器与逆变器。其中，核心结构为电池方阵，主要负责吸收和储备太阳能，目前，多以固定式平板方阵为主。控制器主要对光伏发电系统的各个部件进行有效控制，同时，也兼具向逆变器供应电力能源的控制功能。而逆变器则是将接收到的太阳辐射能量所转变成的直流电，再通过逆变功能将其转化成可以供终端用户直接使用的交流电。1.1太阳能电池方阵  目前，利用太阳能电池方阵对太阳能进行转换的主要方式包括两种，即光-热-电的间接转换模式，以及光-电的直接转换模式，间接转换模式需要经过热量转换步骤，系统吸收和储备的太阳能只能先转变成为热能，再由热能向电能转换。其工作原理主要是借助于工质蒸汽，这种蒸汽可以给汽轮机提供动力，使之运转，然后产生出源源不断的电能。但是，这种间接转换电能的方式投入成本较高，而且，产生的电力能源有限，据初步估算，建一座太阳能热电站所投入的资金量约为火电站投入资金量的5—10倍，因此，光—热—电转换方式的应用范围具有一定的局限性。而光—电直接转换模式则省略了热能的转换步骤，因此，相比于间接转换模式，光—电直接转换模式则一步到位，直接根据光生伏打效应将太阳能转换成为电能。其主要工作原理是借助于光生伏打效应，使电池方阵产生一定的电动势，这时，可以将电池方阵看作一个能量转换器，利用这种转换器可以快速完成太阳能与电能的转换过程。这种转换械需要使用一些特殊材质的电池，目前，使用频率较高的电池主要包括单晶硅、多晶硅以及非晶硅太阳能电池，这三种电池的优缺点如表1所示。表1：单晶硅、多晶硅与非晶硅太阳能电池优缺点种类电池类型商用效率实验室效率优点缺点晶硅电池单晶硅14%-17%23%效率高，技术成熟原料成本高多晶硅13%-15%20.3%效率高，技术成熟原料成本较高非晶硅5%-8%13%弱光效应好，成本较低转化率较低从表1当中可以看出，单晶硅与多晶硅电池的光电转化效应较高，并且这种技术类型研发与制造工艺比较成熟，与非晶硅电池相比，其性能比较稳定，使用寿命较长，因此，在太阳能光伏发电领域，单晶硅与多晶硅的应用频率相对较高。1.2控制器   太阳能控制器的功能发挥主要依托于中央处理单元以及A/D模数转换器，并且要求CPU微处理器具有较快的处理速度，A/D模数转换器具有较高的处理精度，只有兼具这两项功能，控制器才可以正常完成识别、监控等任务，进而为系统检定工作提供更加精准确凿的数据。与此同时，太阳能控制器也兼具串行通信数据的传输功能，借助于这种功能可以对多个光伏系统子站进行远程控制与管理。控制器常用的电压等级包括6个档位，即12V、24V、48V、110V、220V、500V。太阳控制器在对整个光伏系统进行有效控制的同时，还具有过充电与过放电保护功能，在控制器的保护之下，太阳能电池的使用寿命将大幅延长[1]。1.3逆变器终端用户所使用的电力能源多为交流电，而经过太阳能光伏系统转变成为的电能一般为直流电，这需要一个中间介质的支撑，才能实现直流电与交流电的过渡转换过程，其中扮演这一重要的角色便是逆变器。由于逆变器的种类较多，为了确认逆变器的类型，可以按照运行方式对其进行划分，即包括独立运行逆变器与并网运行逆变器。顾名思议，独立运行不逆变器属于一个独立单元，专门负责完成独立负载的供电任务，而并网运行逆变器需要在并网状态下才能发挥逆变功能。通过对两种逆变器功能优势的比对可以看出，受到诸多外界不可预知因素的影响，逆变器在运转过程中极易出现故障隐患，进而影响终端供电效果，因此，太阳阳光伏系统选择的逆变器应当具有良好的抗干扰能力与环境适应能力，这样才能保证电力能源的正常供给。2.太阳能光伏发电系统的设计思路下面以并网运行的太阳能光伏发电系统为例，对太阳能光伏发电系统的设计思路进行重点阐述与说明。2.1遵循的设计原则在研发太阳能光伏系统时，设计人员应当遵循安全性、实用性与扩充性原则，所谓安全性是指系统应当具备较为完善的电网保护、自我防护、负载保护等功能，以确保项目投产以后能够安全稳定运行。实用性主要是指系统当中的各个组件应当是国际上认可的实用型、先进型产品，进而使光伏发电系统的使用性能更加稳定，维护难度大幅降低。而扩充性则是指太阳能光伏发电系统应当具有较强的扩容功能，即便添加更多数量的光伏电源，也能够与整个网络兼容，并且无需改动系统的其它设置，这就大幅减少了系统扩容资金。遵循以上原则，在设计并网太阳能光伏发电系统时，多采用多晶硅电池，该电池具有光电转换效率高、寿命长、性价比高等特点。其电池组件当中含有乙烯-醋酸乙烯共聚物，这种胶膜具有良好的抗老化性能，而且透光率与机械强度相对较高。另外，多晶硅电池组件当中配置了多功能接线盒，这种接线盒采用三路二极管的连接方式，具有抗风、防雷、防火、防腐等功能。2.2并网太阳能光伏发电系统效率计算方法在计算系统发电效率时，主要涉及三个重要指标，分别是光伏阵列效率、逆变器效率以及交流并网效率，可以用、、来表示，其中，所代表的光伏阵列效率，这一效率值主要是当太阳辐射强度为1000W/m2时，直流输出功率的实际值与标称功率的比值。需要注意的是，能量转换过程实际上也伴随着能量损耗，一般情况下，能量损耗量大概在15%左右，比如系统内部各个组件相互匹配时产生的能量损失、空气漂浮物或者尘埃颗粒覆盖在系统表面而产生的能量损耗、一些冗余的太阳辐射能量损耗、温度变化幅度大产生的能量损耗、在跟踪最大功率点时发生的精度偏差以及线路在使用状态下产生的能量损耗等。因此，在剔除这些能量损失以后，光伏阵列效率的取值一般按照85%来计算。所代表的逆变器转换效率主要是指逆变器输出的交流电功率和直流输入功率的比值，取值一般按照95%计算。而所代表的交流交网效率是指升压变压器效率，取值一般按照95%计算。在确定这三项系统效率的取值范围以后，可以将这三个效率值的乘积作为太阳能光伏发电系统的总效率，即，当系统总效率确定以后，应当计算出太阳电池方阵平面与水平地面之间的夹角。2.3倾斜角度计算方法   在构建太阳能光伏发电系统时，首先需要计算出太阳电池方阵平面与水平地面之间的夹角，然后根据计算结果来确定最佳的倾斜角度，以确保系统能够吸收更多的太阳能，进而提高发电效率。在计算倾斜角时，应当确定正南方向的方位角为0°，当倾斜角从0°的水平位置逐步开始递增时，将慢慢向最大值接近，在倾斜角慢慢变大的过程中，太阳的辐射量慢逐渐递减。尤其在倾斜角达到50°—60°之间时，太阳辐射量骤降，这时，系统的发电量也将达到最小值。通过对倾斜角、太阳能辐射量以及发电量三者关系的分析可以看出，要想得到最大的发电量，应当选择一个最佳的倾斜角度，以保证吸收的太阳能最多。另外，在确定最佳倾斜角时，应当综合考虑当地的地理环境以及所处位置的纬度。比如以24°—25°的纬度地区为例，主要涉及我国的广东、广西以及福建沿海地区，在上述这些地区安装太阳能光伏发电系统，最佳的倾斜角度为36°，在这种情况下，系统所接收的太阳辐射能最大，而电能也将达到最大值[2]。2.4太阳能电池组件串并联

　　首先，需要结合一个真实的应用案例，在该案例当中，所采用的并网逆变器的功率为250KW，工作直流电压值在400Vdc—880Vdc之间，由此可以计算出串联情况下，系统组件的数量约为24块，当组件数量确定以后，可以利用数学计算式将单列串联的功率计算出来，如果用P来代表功率，则最终的计算结果为4140Wp。根据该计算结果可以确定组件数量为60或者61列，如果取60列，则实际功率为248.400kwp，当得出实际功率以后，并联支路的列数也可以通过数学计算式得到最终的结果，即240列。所需的电池组件为4320块，在这种情况下，系统的实际功率值将达到993.600kwp。如果并联组件数量取61列，那么则需要4392块电池组件，而系统的实际功率也将达到1010.160kwp。由于在设计之初，需要保证太阳能光伏发电站的实际功率达到5MWp，因此，为了达到这一数值，可以选择3组功率为993.600kwp的电池组件与2组功率为1010.160kwp的电池组件，5组电池组件的合值为5.00112MWp，这也完全符合之前的设计初衷。2.5太阳能光伏电池组件阵列间距设计太阳能光伏发电系统的显著特点是最大限度的吸收太阳辐射能，进而能够产生的最大的发电收益。基于这一特点的考虑，在求解组件阵列间距时，设计人员应当充分考虑到阵列之间的遮阴效应，因此，彼此之间的最小间隔距离D，应按下式计算：D＞0.707H/tan[arcsin（0.648cosΦ-0.399sinΦ）]在上述计算式中，系统所处区域的地理纬度用Φ来表示，其中，如果处在南半球区域，计算数值为负、如果处在北半球区域，计算数值为正，而阵列前排最高点与后排组件最低位置间的高度差则用H表示。比如D的计算数值为5025mm，那么光伏电池组件阵列的间隔距离约为5.5m，在布置太阳能电池时，如果阵列间距始终保持在5.5m的距离，那么，整个太阳能光伏发电系统吸收太阳能的效果也将达到最佳状态。3.太阳能光伏发电系统的施工技术要点3.1太阳能光伏发电系统的土建设计与施工土建设计主要包括5MWp光伏电站围墙设计与方阵支架基础设计。围墙属于光伏发电系统的外围防护结构，由于该结构处于系统的最外侧，因此，设计人员应当遵循美观、经济、安全、实用的原则，砌筑围墙的材料可以选择方砖以及铁栅栏相结合的方式，砌筑高度在2m左右。其中，方砖砌筑高度约为0.5m，铁栅栏的高度约为1.5m。为了保证围墙具有足够的稳定性，每间隔4m的距离应当设置镀锌钢管立柱。需要注意的是，围墙与太阳能光伏电池方阵的间隔距离不得小于6m。另外，为了便于工作人员出入，应当在围墙的一侧设置一到两个栅栏门。在设计方阵支架基础时，应当考虑太阳电池组件的数量，通常情况下，方阵支架基础用等级为C25的水泥予以固定，每一个基础的水泥用量保证在0.06m3左右，然后将支架与基础用螺栓进行紧固连接，连接时，应当随时对支架的垂直度等参数进行校正，太阳能光伏方阵支架基础如图1所示。图1：太阳能光伏方阵支架基础示意图   在混凝土浇筑工序结束后，为了提升支架基础混凝土的强度，需要通过洒水的方式来对浇筑成品进行养护，养护时间视所在施工地点的气候条件而定，对于南方多雨地区来说，养护时间以5天为宜，而对于北方少雨地区来说，养护时间以7天为宜，为了保证养护效果，防止混凝土出现开裂等现象，施工人员可以采取苫盖草帘的方式进行保护，当混凝土强度达到设计标准以后，再进行机架安装工作。在安装机架时，需要注意以下几个问

　　：第一，机架倾斜角应当与设计标准相符，机架底部的水平误差值应当在3mm以内，如果超出允许误差，则需要通过增设铁质垫块的方式，对水平高度进行调整。第二，机架的整体结构固定以后，应当保证结构的稳定性，并对表面平整度进行测定。另外，为了增强机架与混凝土之间的连接可靠性，施工人员可以采取增设防松垫片的方式予以调整。第三，光伏发电系统内部一般都会装有电池方阵的跟踪装置，为了保证这一装置始终具有良好的向日能力，技术人员需要定期对该装置的各项性能指标进行检查和校验，检查周期以15天到30天为宜。第四，由于一年四季的太阳光照不同，这就会影响系统吸收太阳能的能力，针对这种情况，技术人员应当根据季节的变化情况，随时对机架与地面之间夹角进行微调，以改善和提高发电效率。3.2太阳能电池组件安装施工当太阳能光伏方阵支架固定以后，随即进入到组件安装工序，根据组件数量的多少，安装施工量也有所不同。首先，在安装组件之前，需要对组件的规格、尺寸等参数进行测量和检定，检定合格后方可进入下一道工序。对于工作参数相同的组件，施工人员应将其安装到相同的方阵当中，这样一来，由于组件的各项性能参数相同，在组件启用以后，相互之间可以形成一种默契的协作效应，进而能够获得最佳的发电效率。在安装支架顶部的面板时，为了避免面板受损，施工人员应当轻拿轻放，以保证面板的完好性。如果面板与机架之间接合度较差，则需要利用铁质的垫片将底部垫起。安装时，可以先完成边框连接工序，在这道工序当中，应当保证螺栓与连接件的紧固性，但是，施工人员需要调整好螺栓与连接件之间的紧固度，防止螺栓过紧而使面板受损。在安装接线盒等面板组件时，应当提前做好防水保护，避免雨水与接线盒直接接触，如果所在地区的气温较低，施工人员应当做好防霜保护，以确保面板及相关组件能够安全稳定运行[3]。3.3系统线缆布设   在布设系统线缆时，线缆的连接工序应在室外完成，当各个线路连接完毕，则需要将线路移至室内，然后按照设计图纸要求进行现场布线工作。在墙角以及支架拐点处，线路不得与拐点棱角相接触，以避免线路受损。当一个区域的线路布设完毕，施工人员应当检查该区域的线路是否采取了有效的固定措施，以防止线路移动而对面板产生牵引作用。然后对线路的松紧度进行检查和调节，防止过紧或者过松等情况的发生。由于线路的外露接头极易被氧化，因此，施工人员需要做好线路接头位置的保护工作。如果回线与馈线处于同一电路，这两条线路应当进行绞合连接，这样可以有效防止外界电磁波的干扰。3.4系统防雷接地保护施工   对于雷雨天气较多的地区来说，如果太阳能光伏发电系统的防雷保护措施不到位，那么，极易给系统造成破坏性损害，甚至在用的一些设备设施极有可能出现报废的情况，为了避免这种情况的发生，延长系统的使用寿命，当系统各组件安装完毕，需要增设防雷接地设备。其中，在选择地线埋设位置时，尽量选择一些土层较厚的区域，并且事先对土壤的干湿状态进行检测，保证土壤具有一定的湿度，然后利用挖掘设备或者人工挖掘的方式，向下挖掘1-2m的深度，作为埋设地线的线坑，同时需要保证接地电阻在4Ω以上。针对系统直流侧防雷，可以将电缆与太阳能电池阵列串接到一起，并将引线接到防雷机柜当中，一旦出现雷雨天气，机柜中的防雷装置可以直接为系统提供防雷保护，进而将系统的受损概率降到最低点。结束语：在资源能源日渐减少的严峻形势下，太阳能这种可再生清洁能源的利用空间越来越大，尤其在电力能源开发领域，太阳能光伏发电已经逐渐成为该领域一项主流技术。因此，广大技术研发人员应当始终秉持“与时俱进”的态度，不断对这种新型的应用技术进行创新和改进，使太阳能得到充分利用的同时，为社会各领域提供更多优质的电力能源，Reference：[1]闫艳,张雷.太阳能光伏发电系统的设计与施工[J].中国新技术新产品,2021(18):118-120.[2]姜浩浩,金光,郭少朋.浅谈太阳能光伏发电技术现状[J].黑龙江工业学院学报(综合版),2021,21(10):83-87.[3]金贵燕.太阳能光伏阵列及光伏发电技术[J].光源与照明,2021(09):40-41. -

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