2021年咨询工程师继续教育讲义-新能源专业—太阳能

新能源专业—太阳能
目录
1第一节太阳能概述
2第二节我国太阳能资源的分布和特点
3第三节太阳能资源的测量
4第四节光资源数据统计分析方法和光资源评估
01 太阳能概述
1 太阳能原理
太阳能一般指太阳光的辐射能量。

在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

2 太阳能利用分类
1、光伏板组件。

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成
2、太阳热能。

现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。

3 人类利用历史
人类利用太阳能已有3000多年的历史。

将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史
近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。

该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。

20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。

第一阶段（1900-1920）在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置;
第二阶段（1920-1945）在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。

第三阶段（1945-1965）在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展。

第四阶段（1965-1973）：这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

第五阶段（1973-1980）：“石油危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。

从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。

第六阶段（1980-1992）70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。

世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。

导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；
第七阶段（1992- 至今）：由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。

世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。

4 太阳能利用的优缺点
优点：
（1）普遍：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。

（2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

（3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

（4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

缺点：
（1）分散性；（2）不稳定性；（3）效率低和成本高
02 我国太阳能资源的分布和特点
根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区：
一类地区：包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地；
二类地区：包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地；
三类地区：包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地；
四类地区：包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地；
五类地区：包括四川、贵州两省。

根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区：
一类地区：包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地，一类地区：为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680～8400 MJ/ m2，相当于日辐射量5.1～6.4KWh/ m2 ；
二类地区：包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地，为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850-6680 MJ/ m2，相当于日辐射量4.5～5.1KWh/ m2 ；
三类地区：包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地，为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000-5850 MJ/ m2，相当于日辐射量3.8～4.5KWh/ m2；
四类地区：包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地，四类地区：是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200～5000 MJ/ m2，相当于日辐射量3.2～3.8KWh/ m2 ；
五类地区：包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐
射总量3350～4200 MJ/ m2，相当于日辐射量只有2.5～3.2KWh/ m2。

03 太阳能资源的测量
1太阳能资源观测站址要求
a 应在开展太阳能利用的当地选择观测地点口
b 测量仪器感应面上方应无任何障碍物，观测站周边任何障碍物的影子不应投射在测量仪器感应面上，测量仪器不应靠近浅色墙面或其他易于反射阳光的物体，也不应暴露在人工辐射源之下。

应是观测维护人员易于到达的地方。

c 不应有高度角超过5°的障碍物，特别是在全年之中日出日落时的方位角范围内。

2 测量仪器
2.1测量仪器组成
测量太阳能资源（总辐射）的仪器包括总辐射表和采集器，总辐射表由感应件、玻璃罩和附件组成。

2.2 总辐射表
a）光谱范围:0.30μm～3.0μm；
b）灵敏度:7μV·W-1 ·m-2～14μV·W-1 ·m-2；
c）响应时间:不大于60s（99%响应）；
d）年稳定性:不大于5%；
e）余弦响应:太阳高度角为10°时，余弦响应误差不大于10%;太阳高度角为30°时，余弦响应误差不大于5%。

2.3采集器
测量准确度应高于0.5%，应能连续采集各种辐射值的辐照度，累计并存储时、日辐照量，并能挑出该日最大辐照度与出现时刻。

3 总辐射表的安装与维护
1安装
a）水平安装
总辐射表应牢固安装在距地面约1.50m专用的台柱上，下部牢固埋入地中，即使台柱受到严重冲击振动（如大风等），也不改变仪器的水平状态。

仪器安装后，用导线将接线柱、记录仪表连接.接线柱朝北，有一根连接机体，用于连接电缆的屏蔽层。

b）倾斜安装
必要时可将总辐射表朝南倾斜安置，其感应面的倾斜角可为观测点所在纬度的角度，也可将总辐射表朝南垂直地面10°立面安装。

2 维护
每日上、下午至少各一次对总辐射表进行以下检查和维护:
a）仪器是否水平，倾斜角是否正常，感应面与玻璃罩是否完好等。

b）仪器是否清洁。

c）玻璃罩不能进水，罩内也不应有水汽凝结物。

检查干燥器内硅胶是否变潮（由蓝色变成红色或自色），如变潮应及时更换。

d）总辐射表防水性能较好，但如遇强雷暴等恶劣天气时，应加强巡视，发现问题及时处理。

总辐射表应有法定计量机构给出的检定证书方可使用，通常检定周期为2年。

4 测量数据的采集
1数据采集时间
总辐射测量通常采用地方平均太阳时，每天从日出开始到日落连续测量。

2 数据采集方法
辐射测量通常采集到的数据是电压值
3自动数据采集
辐射量采样速率为每分钟6次，去掉1个最大值和1个最小值，用余下的4个样本求出平均值，作为该分钟的平均值，平均观测值再乘以60s为该分钟的辐照量。

5测量数据的处理
1测量数据处理原则
a）不应对原始数据作任何删改或增减。

b）及时发现并处理纪录缺漏和失真，及时检修或更换仪器，并记录相应时间和说明原因。

2观测记录的质量检查
太阳能资源观测站对观测记录的质量检查，以本站本月记录为主。

检查方法包括极值检查、相关性检查等。

3观测记录的复制备份
观测记录经质量检查处理后，应复制备份，永久保存。

4测量数据的统计
A 日辐照量的统计
B 辐照量月值的统计
C 辐照度的记录和挑选
D 缺测数据的处理
04 光资源数据统计分析方法和光资源评估
0 概述
光伏发电站设计首先需要分析站址所在地区的太阳能资源概况，并对该地区太阳能资源的丰富程度进行初步评价，同时分析相关的地理条件和气候特征，为站址选择和技术方案初步确定提供参考依据。

当对光伏发电站进行太阳能总辐射量及其变化趋势等太阳能资源分析时，应选择站址所在地附近有太阳辐射长期观测记录的气象站作为参考气象站。

当利用
现场观测数据进行太阳能资源分析时，现场观测数据应连续，且不应少于一年。

1参考气象站基本条件和数据采集
a参考气象站应具有连续10年以上的太阳辐射长期观测记录。

b参考气象站所在地与光伏发电站站址所在地的气候特征、地理特征应基本一致。

c参考气象站的辐射观测资料与光伏发电站站址现场太阳辐射观测装置的同期辐射观测资料应具有较好的相关性。

d参考的气象站应采集的内容。

2太阳辐射现场观测站基本要求
a在光伏发电站站址处宜设置太阳能辐射现场观测站，观测内容应包括总辐射量、直射辐射量、散射辐射量、最大辐照度、气温、湿度、风速、风向等的实测时间序列数据，且应按照现行行业标准规定进行安装和实时观测记录。

现场观测站的观测装置包括日照辐射表、测温探头、风速传感器、风向传感器、控制盒等。

观测装置的安装位置需要视野开阔，且在一年当中日出和日没方位不能有大于5°的遮挡物。

b对于按最佳固定倾角布置光伏方阵的大型光伏发电站，宜增设在设计确定的最佳固定倾角面上的日照辐射观测项目。

c对于有斜单轴或平单轴跟踪装置的大型光伏发电站，宜增设在设计确定的斜单轴或平单轴跟踪受光面上的日照辐射观测项目。

d对于高倍聚光光伏发电站，应增设法向直接辐射辐照度（DNI）的观测项目。

e现场实时观测数据宜采用有线或无线通信信道直接传送。

3 太阳辐射观测数据验证与分析
验证
1:对太阳辐射观测数据应进行完整性检验；
2:对太阳辐射观测数据应依据日天文辐射量等进行合理性检验；
3:太阳辐射观测数据经完整性和合理性检验后，其中不合理和缺测的数据应进行修正，并补充完整。

分析
光伏发电站太阳能资源分析宜包括下列内容:
1 长时间序列的年总辐射量变化和各月总辐射量年际变化。

2 10年以上的年总辐射量平均值和月总辐射量平均值。

3 最近三年内连续12个月各月辐射量日变化及各月典型日辐射量小时变化。

4 总辐射最大辐照度。

4太阳能资源等级评价
太阳能资源等级采用太阳能总辐射年辐射量、稳定度和直射比这三个指标对太阳能资源（总辐射）进行分级。

总量等级：太阳总辐射年辐射量划分为四个等级：最丰富（A）、很丰富（B）、丰富（C）、一般（D）。

）、欠稳定（D）。

,。

主要内容
第一节光伏电站建设程序
第二节光伏发电站设计
第三节光伏电站的投资及财务评价分析
第一节光伏电站建设程序
1.项目前期考察
对项目地形及屋顶资源、周边环境条件（交通、物资采购、市场的劳动力、道路、水电）、电网结构及年负荷量、消耗负荷能力、接入系统的电压等级、接入间隔核实、送出线路长度廊道的条件、和当地电网公司的政策等。

2.项目建设前期资料及批复文件
第一阶段：可研阶段
第二阶段：获得项目建设地县级相关部门的批复文件
第三阶段：获得项目建设地区级（市）相关部门的批复文件
第四阶段：获得自治区（省）相关部门的批复文件
3. 项目施工图设计
1、现场测绘、地勘、勘界、提资设计要求。

2、接入系统报告编制并上会评审。

3、出施工总图蓝图。

4、各专业进行图纸绘制（结构、土建、电器等等）。

5、出各产品技术规范书（做为设备采购招标依据）。

6、和各厂家签订技术协议。

7、现场技术交底、图纸会审。

8、送出线路初设代可研评审上会出电网意见。

4.项目实施建设
1、物资招标采购
2、发电区建设工作：
3、生活区工作
4、外围线路建设，对侧站设备安装及对侧站对点对调、省调地调的调度调试等等。

5、所有设备的电缆敷设连接并做实验。

6、保护定值计算、设备的命名。

5.竣工前验收
自治区（省）电力建设工程质量监督站验收（消缺并闭环）。

省电力建设调试所安评、技术监督验收（消缺并闭环）。

当地消防大队验收并出具报告。

电网公司验收（消缺并闭环）。

电站调试方案（电力公司审核）。

第二节光伏发电站设计
1.基本规定
一、光伏发电站设计应综合考虑日照条件、土地和建筑条件、安装和运输条件等因素，并应满足安全可靠、经济适用、环保、美观、便于安装和维护的要求。

二、光伏发电站设计在满足安全性和可靠性的同时，应优先采用新技术、新工艺、新设备、新材料。

三、大、中型光伏发电站内宜装设太阳能辐射现场观测装置。

四、光伏发电站的系统配置应保证输出电力的电能质量符合国家现行相关标准的规定。

五、接入公用电网的光伏发电站应安装经当地质量技术监管机构认可的电能计量装置，并经校验合格后投入使用。

六、建筑物上安装的光伏发电系统，不得降低相邻建筑物的日照标准。

七、在既有建筑物上增设光伏发电系统，必须进行建筑物结构和电气的安全复核，并应满足建筑结构及电气的安全性要求。

八、光伏发电站设计时应对站址及其周围区域的工程地质情况进行勘探和调查，查明站址的地形地貌特征、结构和主要地层的分布及物理力学性质、地下水条件等。

九、光伏发电站中的所有设备和部件，应符合国家现行相关标准的规定，主要设备应通过国家批准的认证机构的产品认证。

2.站址选择
一、光伏发电站的站址选择应根据国家可再生能源中长期发展规划、地区自然条件、太阳能资源、交通运输、接入电网、地区经济发展规划、其他设施等因素全面考虑。

二、光伏发电站选址时，应结合电网结构、电力负荷、交通、运输、环境保护要求，拟订初步方案，通过全面的技术经济比较和经济效益分析，提出论证和评价。

三、光伏发电站防洪设计应符合相关要求
四、地面光伏发电站站址宜选择在地势平坦的地区或北高南低的坡度地区。

五、选择站址时，应避开空气经常受悬浮物严重污染的地区。

六、选择站址时，应避开危岩、泥石流、岩溶发育、滑坡的地段和地震断裂地带等地质灾害易发区。

七、光伏发电站宜建在地震烈度为9度及以下地区。

八、光伏发电站站址应避让重点保护的文化遗址，不应设在有开采价值的露天矿藏或地下浅层矿区上。

九、光伏发电站站址选择应利用非可耕地和劣地，不应破坏原有水系，做好植被保护，减少土石方开挖量，并应节约用地，减少房屋拆迁和人口迁移。

十、光伏发电站站址选择应考虑电站达到规划容量时接入电力系统的出线走廊。

十一、条件合适时，可在风电场内建设光伏发电站。

3.太阳能资源分析
3.1一般规定
一、光伏发电站设计应对站址所在地的区域太阳能资源基本状况进行分析，
并对相关的地理条件和气候特征进行适应性分析。

二、当对光伏发电站进行太阳能总辐射量及其变化趋势等太阳能资源分析时，应选择站址所在地附近有太阳辐射长期观测记录的气象站作为参考气象站。

三、当利用现场观测数据进行太阳能资源分析时，现场观测数据应连续，且不应少于一年。

四、大型光伏发电站建设前期宜先在站址所在地设立太阳辐射现场观测站，现场观测记录的周期不应少于一个完整年。

3.2参考气象站基本条件和数据采集
一、参考气象站应具有连续10年以上的太阳辐射长期观测记录。

二、参考气象站所在地与光伏发电站站址所在地的气候特征、地理特征应基本一致。

三、参考气象站的辐射观测资料与光伏发电站站址现场太阳辐射观测装置的同期辐射观测资料应具有较好的相关性。

4.光伏发电系统
4.1一般规定
一、大、中型地面光伏发电站的发电系统宜采用多级汇流、分散逆变、集中并网系统；分散逆变后宜就地升压，升压后集电线路回路数及电压等级应经技术经济比较后确定。

二、光伏发电系统中，同一个逆变器接入的光伏组件串的电压、方阵朝向、安装倾角宜一致。

三、光伏发电系统直流侧的设计电压应高于光伏组件串在当地昼夜间极端气温下的最大开路电压，系统中所采用的设备和材料的最高允许电压应不低于该设计电压。

四、光伏发电系统中逆变器的配置容量应与光伏方阵的安装容量相匹配，逆变器允许的最大直流输人功率应不小于其对应的光伏方阵的实际最大直流输出功率。

五、光伏组件串的最大功率工作电压变化范围应在逆变器的最大功率跟踪电压范围内。

六、独立光伏发电系统的安装容量应根据负载所需电能和当地日照条件来确定。

七、光伏方阵设计应便于光伏组件表面的清洗，当站址所在地的大气环境较差、组件表面污染较严重且又无自洁能力时，应设置清洗系统或配置清洗设备。

4.2光伏发电系统分类
一、光伏发电系统按是否接入公共电网可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统。

二、并网光伏发电系统按接入并网点的不同可分为用户侧光伏发电系统和电网侧光伏发电系统。

三、光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统：
1.小型光伏发电系统：安装容量小于或等于1MWp。

2.中型光伏发电系统：安装容量大于1MWp和小于或等于30MWp。

3.大型光伏发电系统：安装容量大于30MWp。

四、光伏发电系统按是否与建筑结合可分为与建筑结合的光伏发电系统和地面光伏发电系统。

4.3主要设备选择
一、光伏组件可分为晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件和聚光光伏组件三种类型。

二、光伏组件应根据类型、峰值功率、转换效率、温度系数、组件尺寸和重量、功率辐照度特性等技术条件进行选择。

三、光伏组件应按太阳辐照度、工作温度等使用环境条件进行性能参数校验。

四、光伏组件的类型应按下列条件选择：
1.依据太阳辐射量、气候特征、场地面积等因素，经技术经济比较确定。

2.太阳辐射量较高、直射分量较大的地区宜选用晶体硅光伏组件或聚光光伏组件。

3.太阳辐射量较低、散射分量较大、环境温度较高的地区宜选用薄膜光伏组件。

4.在与建筑相结合的光伏发电系统中，当技术经济合理时，宜选用与建筑结构相协调的光伏组件。

建材型的光伏组件，应符合相应建筑材料或构件的技术要求。

五、用于并网光伏发电系统的逆变器性能应符合接入公用电网相关技术要求的规定，并具有有功功率和无功功率连续可调功能。

用于大、中型光伏发电站的
逆变器还应具有低电压穿越功能。

六、逆变器应按型式、容量、相数、频率、冷却方式、功率因数、过载能力、温升、效率、输入输出电压、最大功率点跟踪（MPPT），保护和监测功能、通信接口、防护等级等技术条件进行选择。

七、逆变器应按环境温度、相对湿度、海拔高度、地震烈度、污秽等级等使用环境条件进行校验。

八、湿热带、工业污秽严重和沿海滩涂地区使用的逆变器，应考虑潮湿、污秽及盐雾的影响。

九、海拔高度在2000m及以上高原地区使用的逆变器，应选用高原型（G）产品或采取降容使用措施。

十、汇流箱应依据型式、绝缘水平、电压、温升、防护等级、输入输出回路数、输入输出额定电流等技术条件进行选择。

十一、汇流箱应按环境温度、相对湿度、海拔高度、污秽等级、地震烈度等使用环境条件进行性能参数校验。

十二、汇流箱应具有下列保护功能：
1.应设置防雷保护装置。

2.汇流箱的输入回路宜具有防逆流及过流保护；对于多级汇流光伏发电系统，如果前级已有防逆流保护，则后级可不做防逆流保护。

3.汇流箱的输出回路应具有隔离保护措施。

4.宜设置监测装置。

十三、室外汇流箱应有防腐、防锈、防暴晒等措施，汇流箱箱体的防护等级不低于IP54。

4.4光伏方阵
一、光伏方阵可分为固定式和跟踪式两类，选择何种方式应根据安装容量、安装场地面积和特点、负荷的类别和运行管理方式，由技术经济比较确定。

二、光伏方阵中，同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致，光伏组件串的串联数应按下列公式计算。

三、光伏方阵采用固定式布置时，最佳倾角应结合站址当地的多年月平均辐照度、直射分量辐照度、散射分量辐照度、风速、雨水、积雪等气候条件进行设计，并宜符合下列要求：
1.对于并网光伏发电系统，倾角宜使光伏方阵的倾斜面上受到的全年辐照量最大。

2.对于独立光伏发电系统，倾角宜使光伏方阵的最低辐照度月份倾斜面上受到较大的辐照量。

3.对于有特殊要求或土地成本较高的光伏发电站，可根据实际需要，经技术经济比较后确定光伏方阵的设计倾角和阵列行距。

4.5储能系统
一、独立光伏发电站应配置恰当容量的储能装置，并满足向负载提供持续、稳定电力的要求。

并网光伏发电站可根据实际需要配置恰当容量的储能装置。

二、独立光伏发电站配置的储能系统容量应根据当地日照条件、连续阴雨天数、负载的电能需要和所配储能电池的技术特性来确定。

三、用于光伏发电站的储能电池宜根据储能效率、循环寿命、能量密度、功率密度、响应时间、环境适应能力、充放电效率、自放电率、深放电能力等技术条件进行选择。

四、光伏发电站储能系统应采用在线检测装置进行智能化实时检测，应具有在线识别电池组落后单体、判断储能电池整体性能、充放电管理等功能，宜具有人机界面和通讯接口。

五、光伏发电站储能系统宜选用大容量单体储能电池，减少并联数，并宜采用储能电池组分组控制充放电。

六、充电控制器应依据型式、额定电压、额定电流、输人功率、温升、防护等级、输人输出回路数、充放电电压、保护功能等技术条件进行选择。

七、充电控制器应按环境温度、相对湿度、海拔高度、地震烈度等使用环境条件进行校验。

八、充电控制器应具有短路保护、过负荷保护、蓄电池过充（放）保护、欠（过）压保护及防雷保护功能，必要时应具备温度补偿、数据采集和通信功能。