第二十六课 光伏发电系统设计 树上鸟教育出品 学电气，就进VIP培训班，狄老师微信/ 太阳能光伏发电知识培训 一、太阳能光伏发电的意义 二、太阳能电池的工作原理及分类 三、BIPV光伏建筑一体化 四、光伏发电系统构成 五、光伏系统的分类 六、光伏项目备案及政策 学电气，就进VIP培训班，狄老师微信/ 一、太阳能光伏发电的意义 太阳能——未来能源的支柱 矿物能源面临枯竭： 中 国 太 阳 能 资 源 资源带号 名称 指标 丰 Ⅰ 资源丰富带 ≥6700MJ/ （m2·a ） 富 Ⅱ 资源较富带 5400~6700MJ/ （m2·a ） Ⅲ 资源一般带 4200~5400MJ/ （m2·a ） Ⅳ 资源贫乏带 ＜4200MJ/ （m2·a ） 西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333 KWh/ ㎡ ，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。 太阳能光伏发电的优缺点 光伏发电的优点： 光伏发电的缺点：  阳光随处可得，不受地域限制；  成本高（当前成本高，行业估 计在2020年可实现平价上网）  太阳能电池可实行从光能到电能的 直接转换  太阳光能量密度低（地面峰值 辐射每平方米1KW）；  使用期长，大于25年  发电时数低；  安全可靠；  无噪声、无污染；  不连续，受天气影响，要求连 续、可调度存在除能问题。  不用水，不消耗燃料；  不需要架设远距离输电线路；  安装简单、方便，建设周期短；  分散建设，就地发电；  便于融资；  便于分步实施。 二、太阳能电池的工作原理及分类 1、太阳能电池的工作原理 光伏效应（光生伏特效应）——把光能直接转换为电能。 2 、太阳能电池的分类 按制造工艺可分为两大类： （1）第一代和第二代太阳能电池：晶体 硅系列（分为单晶硅和多晶硅） （2 ）第三代薄膜型太阳能电池:非晶硅和 铜铟镓硒（CIGS ）系列 a 、单晶硅太阳电池 （Crystalline Silicon ） (I)表面规则稳定，通常 呈黑色 (II) 光电转换率最高，可 达18-19% 左右, 而且其 发电效率稳定可靠。 (Ⅲ) 不能弱光发电。 (Ⅳ) 因单晶硅衬底造价高， 成本较贵。 (Ⅴ) 光电单元间的空隙可 透部分光。 b、多晶硅太阳电池 （Polycrystalline Silicon ） (Ⅰ) 结构通常清晰，不透明 (Ⅱ) 转化率略低于单晶硅太 阳电池，约17-18% ，但 有进一步提高的潜力 (Ⅲ)稳定性不如单晶硅 (Ⅳ) 不能弱光发电 (Ⅴ) 成本低于单晶硅 目前二者价格相差不大。 c. 非晶硅太阳电池 （Amorphous Silicon ） （Ⅰ）具有透光性，透光度可从5% 到 75% , 运用到建筑上的最理想的透光 度为5% （Ⅱ）转化率较低（10%-12% ） （Ⅲ）具备弱光发电的性能，日发电 时间可以从早上6 点延续到晚上7 点 （Ⅳ ）材料和制造工艺成本低，易于 形成大规模生产 （Ⅴ ）承受的工作温度比晶体硅要高 非晶硅电池与晶体硅电池性能对照表 非晶硅薄膜电池 晶体硅电池 a-Si 多晶硅 单晶硅 电池时代类别 第三代电池 第二代电池 第一代电池 制造成本 低 较高 高 转化率 10～12％ 17～18％ 18～19％ 原材料来源 广泛 较缺 紧缺 发电性能 弱光发电 强光 强光 日发电时间 10～13小时 6～8小时 4～6小时 透光度 半透明、透明 不透明 不透明 颜色 多样化 浅蓝 深蓝 非晶硅电池与晶体硅电池性能对照表（续） 非晶硅薄膜电池 晶体硅电池 电池时代类别 第三代电池 第二代电池 第一代电池 使用寿命（年） 25 25 25 随硅元件使用的多少，以及纯度的改变， 电池板块 规格不一 单件功率不确定。同样面积的板块功率 可以变化。 非晶硅电池串联后不会 晶体硅电池如果其中一小部分被遮挡， 因为遮挡产生热岛效应，会产生热岛效应，这将极大的降低整个 故障率 它们不会因不能产生电 组件的功率输出，意味着被遮挡的电池 流而被反偏。故障率极 把功率以热的方式耗尽，时间过长就导 低。 致故障并有可能导致整个组件的损坏 d.铜铟镓硒( ＣＩＧＳ) ，原料 稀缺，毒性和环境污染 硅太阳能电池板的生产流程 熔化浇铸 层压 制电池过程 封装 非晶硅太阳能电池 板的生产流程 1.SnO 刻槽 2 2.a-Si沉积 3.a-Si刻槽 4.AL溅射 5.AL刻槽 6.边绝缘处理 7.超声波焊接 8.层压 非晶硅太阳能电池板结构 3mm超白玻璃 3mm 白玻 (衬底玻璃) 三、BIPV光伏建筑一体化  什么是BIPV？ 光伏建筑一体化即BIPV （Building Integrated PV， PV即Photovolta-ic）。光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电 （光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑－体化(BIPV)不同于光 伏系统附着在建筑上 (BAPV:Building Attached PV)的形式。BIPV技术 是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。 3.1 BIPV光伏组件 BIPV光伏组件的特点:由1块或多块电池板块与玻璃组 合成一个整体板块，可组成多种形式及规格，适合用 在建筑幕墙上。 （1）组合成夹胶玻璃 （2 ）组合成中空玻璃 注：此种结构中空玻璃空气层至少18A 直接粘在玻璃上,此种结构不属于BIPV光伏组件. 2、光伏建筑的形式 1、替代原有建筑材料，实现原有建筑材料的基本功 能，还可以发电；如采光顶、幕墙、百叶等。结构 形式如明框、隐框等 2、附着于建筑材料上，不具备建筑材料的基本功能， 可以发电； 3、以电站形式安装于建筑物楼顶，不具备建筑材料 的基本功能，可以发电 青岛火车站光伏采光顶 —替代原有建筑材料 室内效果 室外效果 附着于建筑材料表面 深圳园博园1MW光伏发电系统 ——附着于建筑材料表面 遮阳百叶 屋顶光伏发电系统（现浇条型基础） 屋顶光伏发电系统（预制混凝土压块） 四、光伏发电系统构成 4.1光伏发电系统的构成和设备选型 太阳能光伏发电系统的分类及构成 Ⅰ按照应用的基本形式： 独立发电系统： 单一的没有与电网相连接的太阳能光伏发电系统 微网发电系统： 独立运行并配有自己电网未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统 并网发电系统： 公共电网相连接并向电网输送电能的太阳能光伏发电系统 Ⅱ 按照系统功能 : 不可调度式并网光伏发电系统和可调度式并网光伏发电系统 Ⅲ 并网发电系统的组成 并网光伏发电系统主要由光伏方阵、并网逆变器、输配电系统及远程监测 通信系统四大部分构成。 系统包括太阳电池组件、直流电缆、汇流箱、直流配电柜、逆变升压设备 或逆变加升压设备、交流电缆、10kV配电母线光伏发电分系统原理框图 DC 直流配电 逆变器 太阳能电池 汇流箱 柜 板方阵 交 流 电网 配 电 柜 太 阳 能 电 DC 直流配电 逆变器 / 汇流箱 箱 池板方阵 柜 4.3、光伏发电系统的设备选型 I 光伏电池组件选择 光伏电池类型选择 目前工程选用中主要以晶硅类光伏电池为主。 晶硅类电池又分为单晶硅电池组件和多晶硅电 池组件。 光伏电池组件选择 光伏电池组件是太阳能光伏发电系统的核 心部件，其各项参数指标的优劣直接影响着整 个光伏发电系统的发电性能。 a.光伏电池组件的串、并联设计 光伏方阵由光伏电池组件经串联、并联组成，一个 光伏发电单元系统，包括1台逆变器与对应的n组太阳 电池组串、直流连接电缆等 光伏电池组件串联的数量由并网逆变器的最高输入 电压和最低工作电压、以及光伏电池组件允许的最大 系统电压所确定，串联后称为光伏电池组串。 光伏电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。 （1）计算串联数量： 计算公式： N ≤ Vdcmax /Voc ×96％ N ＞Vdcmin/Vmp ×96％ 式中：Vdcmax——逆变器绝对最大输入电压； Vdcmin——逆变器绝对最小输入电压； Voc——电池组件开路电压； Vmp——电池组件最佳工作电压。 （2）太阳电池组串的并联路数计算 逆变器的最大输入功率 逆变器的MPPT 数量及每路MPPT接入数量 b.在光伏发电单元系统设计时，应遵循以下 原则： （1）光伏电池组件串联形成的组串，其输 出端电压的变化范围必须与逆变器的输入电 压范围相符合。 （2）并联连接的全部光伏电池组串的总功率 应不大于逆变器的额定功率。 （3）光伏电池组件串联形成光伏组串后，光 伏组串的最高输出电压不允许超过光伏电池 组件自身要求的最高允许系统电压。 II逆变器的选择 逆变器也称逆变电源，是将直流电能转换成交流电能的变流装置。 逆变器的选型考虑的指标 (1) 可靠性和可恢复性 逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功 能。 (2) 逆变器输出效率 大功率逆变器在满载时，效率必须在98~99 ％以上。 (3) 逆变器输出波形 输出电流波形良好，波形畸变以及频率波动低于门槛值 (4) 逆变器输入直流电压的范围 要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳能光伏电池的端电压随负载 和日照强度的变化范围比较大。就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内正常 工作，并保证交流输出电压稳定。 逆变器主要技术指标还有： 额定容量；输出功率因数；额定输入电压、电 流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；总谐波 畸变率；畸变因数；峰值子数等。 Ⅲ.直流防雷汇流箱及直流配电设计 （了解） 在光伏发电系统中，直流系统的设计非常重要，选择合适的汇 流箱、优化直流系统设计可提高系统效率，降低发电成本 a、直流防雷汇流箱： 汇流箱可以直接对不同输入组串的电流进行监测和比较，这样就 可以利用光伏组串电流的监测实现组件监控，可靠地检测出各路光 伏组串可能发生的故障。其原理图如下： b、直流防雷配电柜 在直流防雷配电柜内对每回进线加设电流监测元件，在有效控制 成本的前提下，实现对单台光伏阵列汇流箱的输出电流进行监测。 直流汇流箱原理图 4.4太阳能光伏方阵监控系统 I、监控系统的基本结构 大型光伏电站监控系统由监控中心、光纤环网、监控子网、通 信单元、测控终端、安保技防单元等部分组成。 监控中心是整个监控系统的核心。监控中心通过通信系统与各现 场系统进行信息交互，完成运行监测、命令下达、数据分析、状 态显示、统计分析等功能，并接受调度指令，进行光伏电站的有 功/无功功率控制 (了解）。 4.4 太阳能电池方阵的安装设计 a.设计原则 （1）结合当地气候资源及项目现场实际进行设计 （2）成本、维护及其他 b.安装方式 固定式安装方式通常有一定的倾角，安装倾角的最佳选择取决于诸多因素，如 地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例和特定的场地条件等。 最佳安装倾角可采用专业系统设计软件进行优化设计来确定，它应是系统全年发 电量最大时的倾角。 （以下安装方式不予考虑） 水平单轴跟踪安装，通过其在东西方向上的旋转，以保证每一时刻太阳光与光伏 电池板面的法线夹角为最小值，以此来获得较大的发电量。 倾斜单轴跟踪安装，是在固定太阳电池面板倾角的基础，围绕该倾斜的轴旋转追 踪太阳方位角，以获取更大的发电量。 双轴跟踪安装，通过其对太阳光线的实时跟踪，以保证每一时刻太阳光线都与太 阳电池板面垂直，以此来获得最大的发电量。 c.装机容量 确定安装方式后，可根据屋顶面积核算装机容量 （1）安装倾角 结合现场实际情况、装机容量要求，选择适合项目的倾角； 若选择当地最佳倾角可借助Retscreen； （2）方阵间距设计 太阳能方阵必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，一般的确定原则是：冬至日当天早 晨9:00至下午3:00的时间段内，太阳能电池方阵不应被遮挡。阴影遮挡在一年的冬至日 最长，因而在参考冬至日计算冬至日阴影长度即可满足要求。 可借助谷歌SketchUp软件模拟光照条件，可直观的画出方阵的间距，也能画出方阵 被遮挡的区域。 （3）组串设计 根据光伏设计规范上计算公式 （Ⅰ）计算串联数量： 计算公式： N ≤ Vdcmax /Voc ×96％ N ＞Vdcmin/Vmp×96％ 式中：Vdcmax——逆变器绝对最大输入电压； Vdcmin——逆变器绝对最小输入电压； Voc——电池组件开路电压； Vmp——电池组件最佳工作电压。 （Ⅱ）太阳电池组串的并联路数计算 逆变器的最大输入功率 逆变器的MPPT 数量及每路MPPT接入数量 为尽量提高太阳能利用率，尽量选择启动电压低，承受电压高产品；即发电时间 早，停机时间晚，输入组串多，系统电压高。 逆变器安装位置 d.光伏直流电缆的选型 组串输出电缆可选择4/6平方毫米光伏直流电缆，具体结合安装现场的远近， 汇流箱（如有）YJV-1/0.6kV-2*X电缆 逆变器出线电缆，结合计算电流及压降选型 电缆型号及要求应与本建筑物电气防火要求一致， e.电缆敷设 结合现场穿管、穿桥架敷设； f.接入设备 结合现场实际及供电系统特点，合理选择适合项目要求的并网接入设备， 接入方案需得到当地供电公司要求； 4.5光伏阵列在能量转换过程中的损失包括： (1)线) 组件的匹配损失折减 （3）逆变器损耗 (4) 尘土覆盖折减 (5) 工作温度损耗折减 (6) 其他因素折减等 故系统总效率为： η ＝η ×η ×η ×…η 总

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