太阳能光伏发电系统应用论文

太阳能长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖的8．3％面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。今年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。该电站使用的涡轮机不是新的，而是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机，装机容量仅100千瓦，但发电成本仅0．5美分／千瓦小时，效率高达40％—50％。俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。对于淡水资源缺乏的国家来说，太阳池还有另一项不可多得的好处：据专家测算，在近海浅水区建一个面积2163平方千米、深米的太阳池，可为10吉瓦的发电机组供热，并可每年产淡水2立方千米。在欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在（尤如夹层玻璃）双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾早在九九年，政府已批出了首个太阳能计划，在澳洲政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元，是目前为止世界上最庞大的太阳能计划。太阳能发电计划共分两期，受惠的除了民居外，还包括25个灌溉系统、97个净水及分配系统、68间学校和社区中心，及35间诊所。由此看来，全人类梦寐以求的太阳能时代实际上已近在眼前，包括到太空去收集太阳能，把它传输到地球，使之变为电力，以解决人类面临的能源危机。随着科学技术的进步，这已不是一个梦想。由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站，最近将在太空组装，不久将开始向地面供电。在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地，该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体，一期工程完成后可达到年产3兆瓦多晶硅太阳能电池的能力，填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白，并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。但从整体上分析，国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。经粗略统计表明，国内目前仅建有5个（单晶硅）太阳能电池生产厂，年产量约有兆瓦（注：1兆瓦（MW）为1000千瓦），工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达％，比目前平均转换效率提高了3个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就完全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。目前国家计委和国家科委对发展太阳能技术及其应用给予了大力的支持，国内已有多家企业涉足。北新集团是最早率先组织专家对国内、国际太阳能光伏发电产业进行调查的单位之一。于1998年在国内首家引进了76千瓦国际上先进的屋面太阳能发电系统，至今一直运行稳定、效果良好。这套系统日均发电量为12千瓦时以上，可满足1个小康之家用电要求。该集团还与瑞士的ATLANTIS公司合资组建了北京-阿脱兰太阳能科技有限公司，合资生产太阳能光伏发电组件和屋面发电组件两大系列、多个品种的光伏发电产品，并将这一世界领先的太阳能利用新技术引入了中国。河北振海铝业集团公司是德国皮尔金顿（Piikington）太阳能国际有限公司在中国独家总代理，现已投入生产世界先进的太阳能电池玻璃封装设备和配套材料，如德国凯米特化学制品有限公司的优质湿法玻璃层压设备、湿法灌浆液（封装介质）等。振海集团的基地于1999年11月已在我国率先安装了100多平方米的光电玻璃幕墙示范建筑物，现已竣工投入应用，其运行使用效果良好，已成国内一大景观及太阳能光伏发电工程的典范。太阳能集热管是清华大学的一项专利技术，经清华阳光公司的产业化生产，目前其年产量为世界第一，其产品性能为世界领先，清华阳光公司的晒乐牌太阳能集热管及集热装置，用六七年时间完成了小试、中试到大规模生产，目前已经建成世界上生产规模最大的集热管生产厂，每年可生产500万支全世界集热效率最高的全玻璃真空集热管，预计这个项目的经营额再过不久将达到10亿元。

一、项目概括项目简介及选址本项目电站选址地位于湖南省湘潭市雨湖区的响塘学校屋顶上，经过去现场实地的了解和勘测后，此学习周围无森林无高大树木，附近也无任何其他房屋，距离其最近的房屋也有数十米的距离，该屋顶无女儿墙无其他建造物，是一个平面的屋顶，其屋长为43米，宽为32米。本项目将在此学校屋顶上建造一个100kw的并网型光伏电站，实施全额上网措施。选址卫星图如图1-1所示，选址平面图如图1-2所示。 图1-1 选址地卫星图 图1-2 选址平面图 项目位置及气象情况经过百度地图的计算，得出了此地经纬度为：北纬，东经为，是属于亚热带温湿气候区，典型的冬冷夏热气温，年降雨量充足达1450毫米，最高气温为夏季的度，最低气温为冬季的度，年均气温17度。该项目所在地最高海拔为793米，最低海拔达米，总的平均海拔为米。该地年总辐射量经过PVsyst软件的计算后，得出了的值，不是特别高，属于第三类资源区，但建设一个电站也不是特别亏。湘潭市地理位置图如图1-3所示。 图1-3湘潭市地理位置 图1-4年均总辐射值项目设计依据本项目设计依据如下：《光伏发电站设计规范》GB50794-2012《电力工程电缆设计规范》GB50217-1994《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5《光伏发电站接入电力系统技术规范》GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统设计规范》GB/T5086-2013《光伏(PV)系统电网接口特性》GB/T20046-2006《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-19933《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000二、电站系统设计组件选型组件是电站中造价最高的设备，投资一个电站几乎一半的钱是砸这组件上去了，为此我们选择的组件一定要是最适合本电站的，不管是组件效率还是组件的其他参数在同功率组件下都应该保持最佳，这样才不会亏本。组件的类型有很多，以不同的材料来说，组件又分为了晶硅组件、薄膜组件，在电站中使用最多的便是晶硅型组件，而晶硅型组件又分为单晶硅和多晶硅，它们都是市场上十分热门的组价。单晶硅的效率比多晶硅高了很多，其使用寿命时间也长了不少，但价格方面却比多晶硅高了很多，但考虑到平价上网的时代，单晶硅的价格远远不如过去那样昂贵，所以本电站选取的组件为单晶型组件。表2-1伏组件对比表组件品牌及型号 晶科Swan Bifacial 400 72H 晶科Swan Bifacial 405 72H 晶澳JAM72S10 400MR最大功率(Pmax) 400Wp 405Wp 400Wp最佳工作电压(Vmp) 41V 组件转换效率(%) 最佳工作电流(Imp) 开路电压(Voc) 49V 短路电流(Isc) 工作温度范围(℃) -40℃~+85℃ -40℃~+85℃ -40℃~+85℃最大系统电压 1000/1500V DC(IEC/UL) 1000/1500VDC(IEC/UL) 1000/1500VDC (IEC)最大额定熔丝电流 20A 20A 20A输出功率公差 0~+5W 0~+5W 0~+3%最大功率(Pmax)的温度系数 ℃ ℃ ℃开路电压(Voc)的温度系数 ℃ ℃ ℃短路电流(Isc)的温度系数 ℃ ℃ ℃名义电池工作温度(NOCT) 45±2℃ 45±2℃ 45±2℃组件尺寸：长*宽*厚（mm） 2031*1008*30mm 2031*1008*30mm 2015*996*40mm电池片数 72 72 72第一款组件晶科Swan Bifacial 400 72H和第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H的型号牌子都一样，除功率和其效率有点差距之外，其他的参数基本一样，但其第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H组件的效率高，相同尺寸不同效率下，选择第二款组件更好。第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款组件里效率最高的组件，比第一款和第二款分别高了和，并且尺寸和部分温度系数也是3款里面最小的，开路电压和工作电压以及短路电流等参数也是3款组件中最高的，从数据上来看，第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款里最棒的组件。综合上面的分析，本项目最终选择第3款组件晶澳JAM72S10 400MR作为本项目的组件使用型号。组件图如图2-1所示。 图2-1 组件图最佳倾斜角和方位角设计本电站建造在平面屋顶上，该屋顶无任何的倾角，由于组件是依靠着太阳光发电，但每时每刻太阳都是在运动着，为此便会与组件形成一个角度，该角度影响着组件的发电量，对于采取固定支架安装方式的电站来说，选择一个最合适的角度能够让电站发电量达到最高，因此最佳倾角这个概念便被引出了。对于本电站而言，根据其PVsyst软件的计算后，得出了湘潭最佳倾角为18度时，方位为0度时，电站一年下来的发电量能够达到最高。PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图如图2-2所示。图2-2 PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图组件排布方式本项目选址地屋顶长43米，宽为29米，采取横向排布方式无法摆下其电站中的整个阵列，因此本项目组件方式采取竖向排布，中间间距20mm。如图2-3所示。 图2-3 组件排列方式组件间距设计 太阳照射到一个物体上时，由于该物体遮住了光，使得光不能直射到地上时，该物体便会产生一个阴影投射到地上，而电站中的组件也类似于此，前一个组件因光产生的阴影投射到另一个组件上时，被照射的组件便会受到影响，进而影响整个电站，这对于电站来说是一个严重的问题，因此在设计其组件之间的间距时，一定要保证阴影的距离不会触及组件。 图2-4间距图在公式2-1中：L是阵列倾斜面长度（4050mm）D是阵列之间间距β是阵列倾斜角(18°）为当地纬度（°）把以上数值代入公式后计算得：2-5组件计算图根据结果，当电站中的子方阵间距大于2119mm时，子方阵与子方阵便不会受到影响。 图2-6方阵间距图逆变器选型逆变器是电站中其转换电流的设备，十分的重要，而逆变器的种类比较多，对于本项目电站来说，选择组串式逆变器最佳，因此本项目选择了3款市场上热卖的组串式逆变器。表2-2 逆变器参数对比表逆变器品牌及型号 华为SUN2000-100KTL-C1 华为SUN2000-110KTL-C1 固德威HT 100K最大输入功率 100Kw 110Kw 150Kw中国效率 最大直流输入电压（V） 1100V 1100V 1100V各MPPT最大输入电流（A） 26A 26A 电压范围（V） 200 V ~ 1000 V 200 V ~ 1000 V 200V ~ 1000V额定输入电压（V） 600V 600V 600VMPPT数量/输入路数 10/20 10/20 10/2额定输出功率（KW） 100K W 110K W 100K W最大视在功率 110000 VA 121000 VA 110000 VA最大有功功率 (cosφ=1) 110KW 121K W 110KW额定输出电压 3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE380, 3L/N/PE 或 3L/PE输出电压频率 50 Hz，60Hz 50 Hz，60Hz 50 Hz最大输出电流（A） A 167A功率因数 超前— 滞后 超前—滞后 （超前—滞后）最大总谐波失真 ＜3% ＜3% <3%输入直流开关 支持 支持 支持防孤岛保护 支持 支持 支持输出过流保护 支持 支持 支持输入反接保护 支持 支持 支持组串故障检测 支持 支持 支持直流浪涌保护 Type II Class II 具备交流浪涌保护 Type II Class II 具备绝缘阻抗检测 支持 支持 支持残余电流监测 支持 支持 支持尺寸（宽 x 高 x 厚） 1,035 x 700 x 365 mm 1,035 x 700 x 365 mm 1005*676*340重量（kg） 85kg 85kg 工作温度（°C） -25°C~60°C -25°C~60°C -25~60℃3款逆变器的功率均在100kw以上，其效率也都是一模一样，均只有，其额定输出电压也都为600V，对于本电站来说，这3款逆变器都能使用，但可惜本电站只会从中选择一个最合适的品牌。第一款逆变器华为SUN2000-100KTL-C1和第二款逆变器华为SUN2000-110KTL-C1是同种类同型号，但不同功率的逆变器，这两款逆变器大部分数据都一模一样，但第二款逆变器功率比第一款逆变器功率高了10k，比本电站的容量也高了10k，并且价格了略微高了那么点，选用第一款逆变器不仅省钱而且还不会造成功率闲置无处使用，最大发挥逆变器的作用，因此第1款比第2款逆变器好。第三款逆变器是固德威HT 100K，它的最大输入功率高达150kw，明明是一个100kw的逆变器，但其输入功率却不同我们往常见的逆变器一样，它居然还高了50k，如果选用这款逆变器，那么阵列输入的功率超过100都能承受。虽然最大输入功率很恐怖，但其他参数正常，对比第一款逆变器，仅只是部分参数略微差了点，总体是几乎没什么太大的差别。本项目根据上述的分析和对其逆变器的需求，最终选择了固德威HT 100K型逆变器为本电站逆变器。光伏阵列布置设计串并联设计图2-7串并联计算公式2-3、2-4中：Kv——光伏组件的开路电压温度系数——光伏组件的工作电压系数——光伏组件工作环境极限高温（℃)60Vpm——光伏组件的工作电压（V）——逆变器MPPT电压最大值（V）1000VMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）200Voc——光伏组件开路电压（V）——光伏组件串联数（取整）t——光伏组件工作环境极端低温（℃）——逆变器允许的最大直流输入电压（V）1100把以上数值代入公式中计算可得：≤N≤21 经计算，本电站最终选取20块组件为一阵列。如图2-6组件串并联设计图。 图2-8组件串并联设计图项目方阵排布据的结果，每一个阵列共有20块组件，单块组件的功率是400w，一个阵列便是8kw，而本电站的总容量为100kw，总计是需要13个阵列。本电站建设地屋顶长43米，宽为32米，可以完整的摆放电站中的所有子方阵。如图2-9所示。 图2-9项目方阵排布图 基础与支架设计水泥墩设计本电站所建地点是公办学校，属于公共建筑，如果使用其打孔安装方式，便有可能使得其屋顶因时间长久而漏水，一旦漏水便需要进行维修，这也是得花费一些金钱，又因是学校，开工去维修可能将使部分学生要做停课处理，因此为了避免这个麻烦，本电站还是选择最常见的水泥墩来做基础设计。考虑到学校有许多的学生，突然出现了事故，作为电站建设者肯定会有责任，因此为了避免组件出现任何事故，特地将水泥墩设计为一个正方形，其长宽高都为500mm，这样的重量大大降低了事故的发生率。如图2-10水泥墩设计图和2-11电站整体水泥墩设计所示。 图2-10水泥墩设计图2-11电站整体水泥墩设计图支架设计都已经把基础设计水泥墩做好了，那么接下来则是考虑水泥墩上的支撑设备支架，对于支架的设计最重要的一点就是在选材上，一般电站中的支架会持续使用到电站报废为止，使用时间长达二十多年三十多年甚至更久，对此支架的选型便是十分的重要，其使用寿命必须得长，抗腐蚀能力强。如图2-12支架设计图所示。 图2-12支架设计图配电箱选型配电箱在光伏电站里又分为直流配电箱和交流配电箱，对于本电站来说，是选择其交流配电箱。配电箱的容量是根据其逆变器的容量选择，必定不能小于其逆变器的容量，否则可能会出现配电箱过压的情况，然后给电站造成事故危险。配电箱具备配电、汇电、护电等多种功能，是本电站必须要又的设备，经过配电箱型号的对比，本电站最终选择了昌松100kw光伏交流逆变器。表2-3配电箱参数项目名称 昌松100kw光伏交流配电箱项目型号 100kw交流配电箱额定功率 100KW额定电流 780A额定频率 50Hz海拔高度 2500m环境温度 -25~55℃环境湿度 2%~95％，无凝霜电缆选配电站分为两类电，一类是直流电，必须使用直流电缆运输；一类是交流电，必须使用交流电缆运输，切记不可以乱搭配使用，否则将会造成电缆出线问题，电站设备出现问题。直流电缆选型一般都是选择PV1-F-1*4mm²光伏专用直流电缆交流电缆：P：逆变器功率100KWU：交流电电压380VCOSΦ：功率因数Ω=976W线损率：976/100000=<2%，符合光伏电缆设计要求。据其计算结果和下图电缆参数表，本电站最终选择ZRC-YJV22 7Omm2交流电缆。如图2-13电缆参数图所示。 图2-13 电缆参数图防雷接地设计防雷接地是绝大多数光伏电站都必须要做的，目的就是防止雷击破幻电站，损坏人民的生命以及财产，特别是对于本电站而言，建设点是在学校，而学校不仅人多而且易燃物也多，一旦雷击劈到电站上，给电站造成了任何事故，都有可能把整个学校给毁了，为此本电站一定需要做好防雷接地设计。本电站防雷方式采取常用的避雷针进行避雷，接地则是为电站中各个设备接地端做好接地连接。 图2-14防雷接地设计图电气系统设计及图纸本电站装机总容量为100kw，由260块光伏组件组成，形成了13个阵列，每个阵列20块组件，然后连接至逆变器，逆变器变电后接入配电箱，最后再连接国家电网。 图2-15电气系统设计图三、电站成本与收益电站项目设备清单根据当地市场的物价，预估出了一个本电站预计投资表。表3-1设备清单表序号 设备 型号 单位 数量 单价（元） 价格（万元）1 组件 晶澳JAM72S10 400MR 块 260 逆变器 固德威HT 100K 台 1 直流电缆 PV1-F-1*4mm² 米 1500 交流电缆 ZRC-YJV22 70mm2 米 100 72 支架 ＼ 套 39 556 水泥墩 500*500*500mm 个 78 250 配电箱 昌松100kw光伏交流配电箱 台 1 运输费 ＼ 总 18 1000 其他 ＼ ＼ ＼ ＼ 人工费 ＼ ＼ ＼ ＼ 7合计：万元电站年发电量计算本电站总容量为100kw，而电站选址地的年总辐射量为，首先发电量便达到了89328度电。 （式3-1）Q=100**度Q——电站首年发电量W——本项目电站总容量（85KW）T——许昌市年日照小时数（）——系统综合效率（）任何设备一旦使用，便就开始慢慢磨损了，其效率也是一年比一年差，即便是光伏组件也不例外。组件首年使用一年后，为了适应其环境，自身的效率瞬间就降低，而后的每年则是降低，将至80%左右时，光伏组件也是已经运行了25年。 表3-2电站发电量发电年数 功率衰减 年末功率 年发电量(kWh) 累计发电量(kWh)第1年 第2年 第3年 第4年 第5年 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年 电站预估收益计算根据湖南省的标准电价，我们电站发的每度电能够有元收入，持续运行25年后，将会获得*元，也就是90多万，减去我们为电站投资的万，我们25年内能够获得大约50万的纯利润收入参考文献[1]王思钦.分布式光伏发电系统电能计量方案[J].农村电工,2019,27(09):37.[2]谷欣龙.光伏发电与并网技术分析[J].科技资讯,2019,17(24):31+33.[3]黄超辉,陈勇,任守宏.基于应用的光伏电站电缆优化设计[J].电子工业专用设备,2019,48(03):67-71.[4]余茂全,张磊.基于PVSYST的光伏发电系统仿真研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2019,19(02):35-39.[5]谭阳.家用太阳能分布式光伏并网发电系统研究[J].电子制作,2019(09):94-95+91.[6]石培进.发展分布式光伏电站的可行性分析[J].山东工业技术,2019(12):183.[7]蒋飞. 光伏发电项目的投资决策方法研究[D].华东理工大学,2013.[8]陈坤. 光伏发电系统MPPT控制算法研究[D].重庆大学,2013.[9]徐瑞东. 光伏发电系统运行理论与关键技术研究[D].中国矿业大学,2012.[10]任苗苗. 光伏发电三相并网逆变器的研究[D].兰州交通大学,2012.