光伏发电系统

1、太阳能光伏发电系统的介绍
1.1太阳能光伏系统简介
从人类历史上而言，正因为有太阳的存在，所以在地球上才会拥有人类赖以生存的环境和人类能够出现并得以繁衍生存的原因，可见其对人类的发展有着十分重大的影响作用。

随着人类科学技术的不断发展，人们对太阳能源的利用不再局限于传统的耕种作物的光合作用，而是将其直接转换成为热能和电能等。

利用太阳能时，可以避免对环境的污染，不需要消耗地球上已有的资源，无论是安全性还是可靠性上，都是人类能源利用的首选。

从人类长远的发展战略而言，有效利用太阳能也有利于保护生态环境，产生更多的经济效益。

利用光伏发电系统，能够将太阳能进行有效的转换，从而为整个人类的生产生活提供清洁的电能，对人类社会的发展有着十分重要的影响意义。

经过长时间的研究和发展，我国已经形成了完整的太阳能电池组件的生产供应链，包括了电池组件的生产、制造、组装等各个环节。

我国一直重视对太阳能的利用，经过多年的努力，如今已经拥有世界上先进的光伏发电技术，并出口至全球各地，打造出具有竞争优势的中国品牌。

一般情况下，按照光伏发电系统不同的功能系统组成，可以将整个系统具体划分为太阳能电池、控制器、蓄电池以及逆变器。

按照其和电网是否连接的状态进行划分，又可以将其划分成为和电网连接或独立式的发电方式。

其中，独立式的发电方式主要是应用于农村民用方面，以家庭或村为单位，满足于用电需求量较少的情况，或者是十分偏远的地区，全国电网难以覆盖的地方，可以利用光伏发电来解决用电问题。

除此之外，和整个用电网络连接在一起的是并网式的光伏发电系统，这能够补充我国电能的不足，为我国工业和经济发展提供更加强力的基础保障。

我国长时间内都在大力发展清洁能源，水力发电、太阳能发电、潮汐发电等多找清洁能源发电方式的年发电量在总发电量中所占的比例越来越大。

1.2太阳能光伏发电系统类型
按照光伏发电系统的结构形式和区域范围的不同，可以将其分为并网、微网以及独立发电系统这三种。

其中的独立发电系统是单独的光伏发电系统，能够提供给个别用户的供电；微网发电系统是一个较小连网系统，在一个村或区域范围内相对独立的连网系统；并网发电系统则是和整个电网系统进行统一连接，从而可以实现互补。

（1）离网光伏蓄电系统该系统相对简单，具有非常好的适应性，在不同的环境下都可以起到较好的作用效果。

但该系统也有一定不足，由于所使用的蓄电池较大，因而不便于安放和搬运，且维护难度相对较大，因而也在一定程度上限制了它的使用。

（2）光伏并网发电系统无论是采用何种安装方式的发电系统，由于自身的发电量都要依靠于太阳的光能辐射，因此随着太阳照射角度以及昼夜交替的影响，其发电能力也会较大的波动，仅依靠自己的电量储存等很可能难以满足用电需求，这时候就需要通过市电进行购电。

但是当电能充裕，而用电需求量不大的情况下，就需要将多余的电力卖出，从而实现更好的经济效益。

图1.1光伏并网发电系统图
（3）A, B两者混合系统为了更好适应现代市场的发展需求，可以将前面两种系统进行结合，从而构成混合系统，能够根据电网的具体电价来调整发电的方案，从而实现较高的经济效益。

但是该系统必须要形成一定的规模，且造价相对较高，运行成本也难以控制。

1.3太阳能光伏发电系统
1.3.1太阳能光伏发电系统工作原理
太阳能发电的工作原理是利用电池组件的半导体界面光生伏特效应将光能转换成为电能，要顺利将光能转换成为电能，并实现较高的转换效率，就必须要有具有性能可靠的电池制配。

将太阳能电池串联之后，就能够形成覆盖一定面积的组件，在封装后与功率控制器统一装配，就能够形成一个完整系统的光伏发电系统装置。

该系统具有安全可靠的有点，由于是利用阳光进行发电，因而不会形成噪声污染，只需要利用输电线路就可以直接将电能输送出去。

根据光电发电系统的原理，绘制出相应的模拟原理电路图，具体见图1.3.1所示：
DC-AC
U d
I d
i o1
u o
u REF
+
-
R L
u F
u o1
滤波器
控制电路
n 1n 2
n 3
U S
R S
+
-
T
i o
图1.3.1光伏发电系统的模拟原理电路图
1.3.2太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统的组成部分相对简单，根据实际的功能需要，一般情况下只需要有太阳能电池板、控制器以及蓄电池共同组成，如果输出的电源电压为110V 或是220V 时，就需要再配置出逆变器来进行调控。

各个组成部分及功能作用具体如下：
（1）太阳能电池板 太阳能光伏发电系统中造价最高的核心部分就是太阳能电池板，它直接决定整个系统的光能转化效率。

除了进行太阳能的转换外，还具备了将电能输送以及推动负载的功能。

也正是如此，太阳能电池板对整个光伏发电系统的成本的运行的质量有着决定性的作用，需要重点关注太阳能电池的质量和可靠性。

图1.3.2.1太阳能电池板
（2）太阳能控制器 为了实现整个太阳能光伏系统的正常工作，就需要利用太阳能控制器通过对蓄电池进行过充电及放点的保护来确保整个系统的运行安全。

由于太阳能光伏系统需要经历昼夜的温差变化，因而当出现温差较大的情况下，就可以利用太阳能控制器来进行温度补偿，从而确保整个系统的安全性。

（3）蓄电池 一般情况下，太阳能光伏电池将光能转换成为12V 或24V 的电能，就需要蓄电池进行储存，并根据用电需求的大小来适时进行释放。

（4）逆变器在现代的工业生产和生活之中，许多时候都需要220V、110V的交流电源，但是太阳能光伏系统所提供的是DC12V、DC24V以及DC48V的电能，就必须要他通过逆变器来将系统生成的直流电流进行转换，转换成为满足电压需求的电能。

但是也有个别的情况下，需要利用电压负载，但这种降压并非是简单的转换，需要将DC24V的电压通过逆变器转换成为DC5V的电能。

图1.3.2.2
2、光伏发电系统总体方案设计及发电量计算
2.1、光伏发电系统构成
结合此次工程的具体情况，综合考虑当地的各项因素后决定采用不可调度式的光伏发电系统，太阳能电池板接收光能后转换成为直流电能，利用三相逆变器再将其转换成为三相交流电，并根据所连接的公共电网的需求利用升压变电气将其转换成为交流电，从而可以直接和公共电网之间进行输送电。

此次设计研究的光伏并网发电系统为50MWp，根据情况将其具体划分为50个发电单元，每一个单元为1MWp，各个单元具体包含了如下各个配件和相关单元：2台500KW逆变器、1台1000kVA的升压变压器、配电监控单元以及1MWp 光伏方阵等，其中除了光伏方阵之外的所有设备都会安装在配电室之中。

经过就地配电室中的逆变器之后，能够将生成的直流电转换成为35kV的交流电，并最终经由高压电缆传送至主控室母线后接入到并网点之中。

这样就行了一个完整的发电、输送电的完整过程，通过该光伏并网发电系统提供出35kV的交流电。

2.2、光伏组件选型
2.2.1光伏组件种类的确定
随着现代材料技术的不断发展，太阳能电池的生产材料种类也越来越多，他们的各种特点也有较大的区别，可以将其划分为单晶硅、多晶硅以及非晶硅这三类。

不同电池的成本、可靠性、转换效率、技术壁垒等性能参数都有一定的差别，但是从整体上而言，所有的电池都具有公害较小的特点，具体的参数详见下表：
电池原料转换
效率
制造
能耗
成本资源可靠性公害
技术
壁垒
单晶硅13-20% 高高中高小中多晶硅10-18% 中中中中小高非晶硅8-12% 低低丰富中低小高
表2.2.1
在全球范围内我国的太阳能电池生产制造工艺技术相对先进成熟，并以多晶硅和单晶硅电池为主，且生产工艺成熟先进，能够以相对较低的成本进行规模化的生产制造。

图2.2.1各种太阳能电池市场份额
（资料来源《2007年中国光伏发展报告》）年中国光伏发展报告》
从上图可以看出，在2007年的中国太阳能电池市场份额之中，主要以单晶硅和多晶硅电池为主，在市场中的份额分别为43.4%、46.5%，在市场中的累计市场占有额为89.9%。

这主要是单晶硅和多晶硅不但拥有非常的性能优势，同时也具有较好的价格优势。

通过上面的分析和研究可以看出，各个太阳能组件都有着自己的特点和不
足，而随着现代生产生意和技术的发展，太阳能电池生产的价格也在逐渐降低，在市场中获得了越来越的份额，更具有市场竞争力。

正因为如此，此次所研究设计的系统也采用多晶硅电池组件，选用CSI阿特斯所生产的CS6P-245P。

经过调查了解，该组件不但价格低廉，而且具有非常好的可靠性，特别是能够提供长达20-25年的保质期，能够在长时间内保证该系统的稳定运行。

而无论是中小型独立的太阳能电站还是大型长期的并网系统，该组件都有着较好的适应性，且经过了北美的UL1703及IS09001等质量体系的认证，质量有着较好的保证。

太阳能光伏组件
结合技术特性和市场应用效果,进一步分析该光伏电池组件的特点：
（1）外观设计新颖，从而加强了玻璃和边框之间的密封，提升了电池的防水性能。

（2）每个电池板都由60多片多晶电池片共同组成，这些电池片具有更高的效能。

（3）所有边框都选择新型的优质材料，即铝合金边框，这样能够增强它的抗压抗变形能力，抵御强风及冰冻等所引起的负荷。

（4）为了满足不同施工环境和设备的安装需求，在组件的边框都设有安装孔，方便进行安装。

（5）由于玻璃既需要良好的透光性，同时还需要较强的抗冲击力，该组件的玻璃为高透光率的低铁玻璃。

（6）和传统的电池板不同的是，该组件选择的是优质的背板和EVA材料。

通过综合比较，光伏电站中拟选用多晶硅光伏组件。

2.2.2电池组件型号的确定
我国国内的太阳能电池组件生产工艺相对成熟，不但拥有非常丰富的种类，而且各种参数齐全，适用于不同系统之中，特别是对于大型的GW级光伏电站，就应当选用单位面积容量相对较大的电池组件。

通过对市场上已有的大容量电池组件进行综合分析，从中选取出具有可靠产品质量及成熟电池生产工艺的电池组件，并根据此次所研究系统的世纪需求，从180、210、245Wp 中进行选择。

经过统计分析，得到的电池组件技术参数详见下表：
表2.2.2.1
初选电池组件组成的50MWp光伏电站组件数量比较
表2.2.2.2
通过表表2.2.2.1和表表2.2.2.2具体参数的对比分析，可知：
（1）根据综合性能的对比分析，最终确定选择方案三种的245Wp ，不但拥有较好的工作指标。

（2）从整个电池组件的故障率来考虑，由于利用245Wp 组件可以使用相对较少的组件，在电池组件可靠性能够保证的情况下，更少的组件连接点，那么就能够保证更低的故障率。

从整体而言，使用越少的线缆，除了生产更低，还能够显著降低整个系统的损耗。

(3)即便是选定的CSP60-P-245多晶硅的电池组件具有较好的性能和质量，但是为了满足此次的工程实践要求，需要进一步提出加强电池板抗风沙的能力，以应对当地的强风沙气候。

CSP6P-245P 电池组件各项性能指标如下:
太阳电池组件技术参数
组件测试条件：辐射度10002/m w ，组件温度25℃，AM=1.5
峰值功率温度系数-0.43%/℃
开路电压温度系数-0.34%/℃
短路电流温度系数+0.065%/℃
表2.2.2.3 电池组件具体参数
2.3、光伏阵列运行方式的设计
2.3.1、阵列安装方式选择
由于地球的自转及公转作用，使得太阳照射到地面的角度会时时发生变化，且随着气候和环境的变化，太阳光的辐射量也有较大差异，这就需要采用合适的阵列安装方式。

根据不同的地理区域，选择更为合适的安装支架及方式，如固定式、双跟踪式以及单轴跟踪等，从而可以最大限度接受太阳光辐射量，实现最大的电能输出。

（1)固定式
目前较为常用且技术更为成熟的光伏组件安装方式是固定式，这种安装方式具有较好的安全性，且成本相对较低。

根据我国所处的维度情况，在春分和秋分时候正午时太阳和地面的倾角，就是地面的维度。

由于自球围绕太阳进行公转，因此尽可能在每年调整两次角度，分别在春分-夏至-秋分和秋分-冬至-春分时采用较小和较大的倾角，以实现对太阳光能的最大化利用。

图2.3.1.1固定式安装
（2)单轴跟踪
尽管固定式的光伏组件安装能够在一年中通过调节倾角来提高对太阳光能的利用效率，但是对每一天而言，太阳光的照射角度也在时时发生变化，此时就需要利用单轴自动跟踪器。

根据具体的应用研究可以看出，采用单轴跟踪的方式进行光伏组件的安装，每天大约可以提升20%-35%的发电量。

若单轴的转轴与地面形成一定的倾角，那么就可以提升高达35%的发电量，这种安装方式也被称为是极轴单轴跟踪方式。

但是采用这种安装方式也有一定的不足，由于其特有的安装方式，使其抗风性能较差，因而对于常年多风地区不适宜采用该种方式，或考虑采用水平单轴的跟踪方式。

图2.3.1.2水平单轴跟踪
图2.3.1.3极轴单轴跟踪
（3)双轴跟踪
仅仅依靠单轴跟踪，只是能够实现倾角随着太阳光照射角度的变化而变化，但是由于太阳光照射的方位角也会发生一定的变化，因而可以采用双轴跟踪的方
式，最大限度实现对太阳能光的利用率。

但是由于各个地区的气候不同，而云层会严重影响到阳光照射到地面所带来的光能量，采用双轴跟踪的方式可以将光伏发电系统的发电量提高20%-25%，而在晴朗少云的地区，则能够提高355-45%.
图2.3.1.4双轴跟踪
在选择不同的安装方式时，需要综合考虑安装地区的气候及能够接收到更多的太阳辐射量，实现最大的经济效益，同时也要考虑整个系统的日常运营和维护，具体如下：
（1)虽然采用自动跟踪系统时能够更好实现对太阳光辐射的利用，但是由于我国大面积的太阳能发电厂都集中在多风沙地区，而该项技术尚不成熟会因为沙尘的原因而形成非常高的故障率，如此就不得不增加成本投入来使其正常运营，且严重影响使用寿命，和固定式的相较而言还不到25%。

（2)和安装的成本相对比，由于相关技术的不成熟，采用自动跟踪式系统提升的总发电量与安装和运营的成本对比而言，经济效益偏低，性价比不高。

（3）不同安装方式的经济比较如下：
文固定式斜单轴跟踪方式双轴跟踪方式发电量（%）100 127.25 131
占地面积（万2
m） 2.2 4.6 4.9 支架造价0.7元/Wp 3.1元/Wp 4.4元/Wp
支架费用（万元）70 310 440
估算电缆费用（万元）65 135 145
表2.3.1
综合分析考虑之后，充分考虑到安装费用、运营成本、发电量等相关因素后，决定采用固定式。

2.3.2、光伏阵列最佳倾角的计算
由于采用的是固定式的安装方式，因而必须要调整好最佳的安装倾角，在不考虑调整倾角的情况下实现全年最大的发电量。

通过软件计算后，发现在所安装区域的倾角设置为42°时，就能够实现全面1990kWh/m2的最大太阳辐射能。

因而将安装角度设置为正南方向、倾角42°。

具体参数如下表所示：
表2.3.2
2.3.3、光伏阵列间距设计
在确定了倾角和方位角的情况下，综合考虑前后排阴影问题（如图 2.3.3
所示），计算的原则具体为：
冬至日当天早晨9:00至下午3 : 00的时间段内，光伏阵列不应被该档。

计算公式如式3.3.3:
图2.3.3 光伏阵列前、后排的遮挡阴影计算示意图
)]cos cos cos sin (sin tan[arcsin cos sin cos ωδϕδϕγ
β
β++=L L D （3.3.3） 式中：D 为光伏阵列间距m ； L 为光伏阵列斜面长度m ；
β为光伏阵列倾角deg ；
ϕ为当地纬度deg ； γ为太阳方位角deg ；
δ为太阳赤纬角deg ；
ω为太阳时角deg 。

其中L=3912mm ， 42=β， 65.42=ϕ，
5.23-=δ，计算的D=
6.42m ，考虑实际安装方便，光伏阵列间距确定为6.5m 。

光伏阵列排列方式：20件光伏组件为一串，两串并列固定在一组支架上。

2.6 光伏阵列设计及布置方案
2.6.1、太阳能电池组件的串、并联设计
（1) 确定太阳能电池组件串联数量的因素主要有最低工作电压、最高输入电压、最大系统电压以及逆变器的额定容量。

（2) 此次所选择的 500kW 逆变器的最高允许输入电压max Vdc 为880V ，输入电压 MPPT 工作范围为450～820V 。

太阳能电池组件开路电压Voc 为37.1V ，最佳工作点电压Vmp 为30.0v ，开路电压温度系数为－0.34%/℃。

（3) 电池组件串联数量计算 计算公式：
INT(Vdcmin/Vmp)≤N≤INT(Vdcmax/Voc)
式中：Vdcmax——逆变器输入直流侧最大电压；
Vdcmin——逆变器输入直流侧最小电压；
Voc——电池组件开路电压；
Vmp——电池组件最佳工作电压；
N——电池组件串联数。

带入数据：INT(450/30.0)≤N≤INT(820/37.1)
经计算得到N值的取值范围为[]22,15。

（4)输出可能的最低电压条件
①日出、日落、云层较厚等太阳辐射强度低的时候。

②组件工作温度最高。

（5)输出可能的最高电压条件
①太阳辐射强度最大；
②在冬季的中午至下午这一组件工作温度相对较低的时候。

综合考虑前述的各种因素后，最终在取值范围内确定了串联组数为20，即N。

20
=
每一路组件串联的额定功率容量Wp
⨯
=。

对应于所选 500kW
245=
W4900
20
p
逆变器的额定功率计算，需要并联的路数04
=
500=
N路，取 103 路，
102
.
90
.4/
1MWp 需 206 路， 4120块组件。

此次采用的光伏并网发电系统为50MWp，最终确定出需要由700组汇流箱组成，每一个汇流箱包含了16组太阳能电池串联支路，每个串联支路由20块光伏组件组成，一共需要20.6万个。

2.6.2 单元光伏阵列排布设计
由于此次采用的固定式的安装方式，在选择排列方式的时候，主要有如下两种方案：第一种方案，将20块光伏组件分成1排20列，所有组件横向放置，并按照4排20列的方式进行横向叠加；第二种方案则是将组件纵向放置后按照2排20列组件进行纵向叠加。

经过综合对比分析之后，确定选择第二种安装方案，采用该方案能够用到更少的电缆，无论是施工难度还是工程造价都相对较低。

图2.6.2单支架方阵面组件排列
2.6.3 方阵布置设计
在进行仿真布置设计的时候，需要优化各个阵列单元之间的距离，从而在占用较少面积的情况下拥有更高的发电量。

此次每一个1MWp光伏发电系统方阵都设置逆变升压变电室，每个方阵都包含206个祖传，每一列和每一行分别设置14个、8个支架。

为了方便后续对逆变器的检修维护，预留出检修通道，而将逆变器放置在1MWp分系统中央位置，这样就减少对电缆的使用和线损。

2.6.
3.1 1MWp太阳能方阵布置示意图2.6.3.2 1MW多晶硅光伏系统原理图
2.7、年上网电量估算
2.7.1、并网光伏发电系统的总效率
在估算系统总效率的时候，要综合考虑光伏阵列、逆变器以及交流并网这三部分的效率。

（1）光伏阵列效率1η：一般在85%～90%。

综合各项以上各因素，取1η=88.6% （2）逆变器的转换效率2η：一般在94%～96%。

对于大型并网逆变器，取
2η=95％。

（3）交流并网效率3η：一般情况下取3η=94～96%，本次测算采用95%。

最后计算出系统的总效率为：
η=η1×η2×η3=88.6%×95%×95%=80%
2.7.2、光伏电站发电量的测算
经过最终的技术对比和经济对比，此次光伏电站的总容量是50.47MWp ，采用固定式的安装方式，具体参数为0°方位角和42°倾角。

逆变器选用500kW 逆变器，共计100台。

需要由700组汇流箱组成，每一个汇流箱包含了16组太阳能电池串联支路，每个串联支路由20块光伏组件组成，一共需要20.6万个。

通过各个参数来估算出该系统的月发电量和全年发电总量，计算出全年发电量为0.794×105万kWh 。

随着使用年下的增加，晶体硅光伏组件会随着使用和环境的影响而出现一定的衰减，按照0.8%/年的衰减速度，25年后，衰减率增加至20%，在考虑衰减率的情况下计算出具体各年的发电量。

25年各年发电量测算表（单位：万kWh/年）
经过最终的计算，得出该系统25年能够获得总发电量能够达到1.806×105万kWh。

年均发电量约为7226.84万kWh/年。