光伏发电系统方案专业设计书.docx

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光伏发电系统方案专业设计书

光伏发电工程

项

目

方

案

设

计

书

一、概述

1.1项目概况

1）建设规模：

光伏系统用来供给小区道路亮化用电及楼宇亮化用电。

该系统设计使用最大负荷50KVA，为保证系统在连续阴雨天或其它太阳辐射不足情况下正常使用，系统接入市电作为辅助能源，提高系统的稳定性能。

为减少系统因直流端电流过大造成的线路损耗，系统采用220V直流接入逆变输出三相380V/220V交流。

针对固定式安装电池板，采用最佳倾角进行安装，石家庄地区最佳角度为46度（朝向正南），控制柜、逆变器及蓄电池储能系统均须安放于在室内。

1.2编制依据

本初步设计说明书主要根据下列文件和资料进行编制的：

1）GB50054《低压配电设计规范》；

2）GB50057《建筑物防雷设计规范》；

3）GB31／T316—2004《城市环境照明规范》；

4）GBJl33—90《民用建筑照明设计标准》；

5）JGG／T16—921《民用建筑电气设计规范》；

6）GBJ１6—87《建筑设计防火规范》；

7）《中华人民共和国可再生能源法》；

8）国家发展改革委《可再生能源发电有关管理规定》；

二、建设地址资源简述

2.1日照资源

我国属世界上太阳能资源丰富的国家之一，全年辐射总量在917～2333kWh/㎡年之间。

全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。

我国的太阳能资源按日照时间和太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：

一类地区:

全年日照时数达到3200～3300小时的地区，主要包括青藏高原、甘肃省北部、宁夏北部和新疆南部等地。

二类地区:

全年日照时数达到3000～3200小时的地区，主要包括河北省西北部、山西省北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃省中部、青海省东部、西藏东南部和新疆南部等地。

三类地区:

全年日照时数达到2200～3000小时的地区，主要包括山东省、河南省、河北省东南部、山西省南部、新疆北部、吉林省、辽宁省、云南省、陕西省、甘肃省东南部、广东省南部、福建省南部、江苏省北部和安徽省北部等地。

四类地区:

全年日照时数达到1400～2200小时的地区，主要是长江中下游，福建省、浙江省和广东省的一部分地区，此类地区的特点是：

春夏多雨或阴天，秋冬季太阳能资源较丰富。

五类地区:

全年日照时数达到1000～1400小时的地区，主要包括四川省、贵州省两省。

此区是我国太阳能资源较少的地区。

一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。

四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

如图2-1

图2-1全国太阳能资源分布图

2.2接入系统条件

本工程采用低压交流380V输出的方式。

用户可以直接在交流输出端通过配电接入负载即可。

该系统灵活方便，并配备了市电进行补充，保证系统安全稳定运行。

三、总体方案设计

3.1光伏工艺部分

3.1.1设计依据

Ø建筑结构平、立、剖面图，电气施工图等资料。

Ø国家颁布的有关的技术标准及行业技术标准、法规及规范的有效版本。

3.1.2设计原则

本项目装机容量55.35kW，采用单晶硅太阳能电池组件270块固定式安装，安装倾角为朝南46度。

3.1.3设计内容

本项目光伏工艺设计内容包括太阳电池组件的选型，光伏阵列设计，系统效率分析，系统发电量计算，光伏工艺总平面布置，支架设计。

3.2太阳电池组件选型

太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。

工作原理的基础是半导体p-n结光生伏打效应，简言之，就是当物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

当太阳光或其它光照射半导体p-n结时，就会在p-n结的两边出现电压，叫做光生电压。

这种现象就是著名的光生伏打效应。

使p-n结短路，就会产生电流。

太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。

它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。

太阳能电池单体工作电压为0.45～0.50伏，工作电流为20mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。

将姗能电池单体进行串联并联和封装后，就成为太阳能电池组件。

太阳能电池再经过串联，并联装在支架上，就构成了大阳能电池方阵。

它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源，它也可以输出几百瓦，几千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。

太阳能电池的电气特性与参数：

图3-1太阳能电池的伏安特性图3-1

从图中可得当太阳能电池组件短路时，即负载v=0时，此时的电流为短路电流Isc，当电路开路时，I=0，此时的电压为开路电压VOC。

当太阳能电池两端的电压从0上升时，例如逐渐增加负载电阻，在光辐射恒定的条件下，开始太阳能电池的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。

当电池电压增加到一定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个最大值，即最大功率点，之后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为0，输出电压达到最大值开路电压。

太阳能电池的伏安特性还与温度有关系，随着温度的上升开路电压减小，在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。

在衡量太阳能电池组件的性能时需用到峰值功率，其单位是峰瓦（Wp）。

在标准条件下（光谱幅照度1000W/mq，光谱AM1.5，电池温度25℃），太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率。

目前整个光伏发电的行业使用的均为硅太阳能电池。

以硅材料作为基体的太阳能电池。

如单晶硅太阳电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等。

制作多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的太阳级硅即可。

而太阳级硅由冶金级规用简单的工艺就可以加工制成。

多晶硅材料又有带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等。

用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。

1）单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。

这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。

为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。

单晶硅太阳能电池的制造成本较高，但光电转化效率也最高，国际公认最高效率在AM1.5条件下为24％，地面用大量生产的在AM1条件下多在11—18％之间。

目前单晶硅的转化效率是其他晶硅材料中最高的。

2）多晶硅太阳能电池

目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。

这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，但转化率较单晶硅电池比低很多。

3）非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。

非晶硅太阳电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫PIN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的I层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。

此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。

同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。

现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2.4伏。

非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换率偏低，且不够稳定，所以尚未大量用作大型太阳能电源，多半用于如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。

综上所述在晶体硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，而且由于目前单晶硅材料价格已经多晶硅材料相差不大，在光伏系统中被大量使用，该系统中设计使用单晶硅光伏电池组件，单块功率200W，电池片效率高达17.8%。

参数如下表：

表3-1光伏组件参数一览表

序号

项目

内容

1

型式

常规单晶硅组件

2

型号

HG205S

3

尺寸结构

1580×808×50（mm）

4

在AM1.5、1000W/m2的辐照度、25℃的电池温度下的峰值参数：

4.1

标准功率

200W

4.2

峰值电压

37.5V

4.3

峰值电流

5.33A

4.4

短路电流

5.66A

4.5

开路电压

45V

4.6

系统电压

1000V

5

峰值电流温度系数

0.017%/℃

6

峰值电压温度系数

-0.34%/℃

7

短路电流温度系数

0.017%/℃

8

开路电压温度系数

-0.34%/℃

9

温度范围

-40/℃～+85℃

10

功率误差范围

±3%

11

表面最大承压

5400Pa

12

承受冰雹

直径25mm的冰球，试验速度23m/s

13

接线盒类型

BOX07

14

接线盒防护等级

IP65

15

电池片效率

17.8%

16

组件效率

15.6%

17

保证值

15.3%

框架结构

铝合金

18

背面材料

TPT

19

重量

16.2KG

3.2.1电池组件性能

目前我公司开发研制的HG系列太阳电池组件，最大功率组件为280多瓦，最小功率组件为1.5W，主要应用在光伏工程、节能建筑、通讯、电力电子、太阳能灯具等领域。

产品结构：

标准晶体硅太阳电池组件采用的封装结构为：

由低铁钢化玻璃一EVA一太阳电池一EVA一TPT层叠封装后，再组装铝合金边框和接线盒。

产品特点：

●按国际电工委员会IEC61215：

1993标准进行设计，并经过充分的试验论证，确保组件的质量、电性能和寿命要求；

●组件的标称工作电压和标称输出功率可按不同的要求设计，满足不同用户的需求；

●采用绒面低铁钢化玻璃（又称为白玻璃），厚度3.2mm,透光率达89％以上，电池组件整体有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动和其他应力，并具有优良的防腐、防风、防水和防雹能力；

●采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的优质EVA（乙烯－醋酸乙烯共聚物）膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。

具有高透光率（胶膜固化后透光率≥89.5％）和抗老化能力；

●TPT（聚氟乙烯复合膜）：

用于太阳电池组件封装的TPT至少应该有三层结构：

外层保护层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF需经表面处理和EVA具有良好的粘接性能。

电池组件的绝缘强度大于100MΩ；

●专用太阳能电池组件优质密封硅胶，增加组件的绝缘性能和防止湿气进入组件，保证组件寿命；

●组件在-40℃的低温下和85℃的高温下可正常工作；产品使用寿命长：

≥25年，功率衰减小；

●密封防水多功能接线盒，防护等级达到IP65，内装旁路二极管，有效防止热斑效应造成的电池烧毁等质量事故；

●阳极氧化铝边框和出厂所携带的接线盒确保安装简便快捷。

3.3光伏阵列设计

3.3.1光伏阵列倾角确定

本项目所在地地理坐标为：

北纬38.54度，东经121度。

（1）不同朝向与倾角安装的太阳电池的发电量比较（见图示）:

假定向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量为100，则其它朝向全年发电量均有不同程度的减少。

（2）光伏组件安装方向应一致，朝向正南，有利于最大收集太阳辐射。

（3）离网发电太阳电池方阵的安装倾角与并网不同，并网光伏发电考虑的应该是取全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度，而对于离网光伏系统来讲，着重考虑的是随着季节性日照量的变化保持整个光伏系统的发电均衡性来考虑。

根据石家庄当地的气象和地理资料,可以求出全年能均衡接收到太阳辐射量所对应的角度即为方阵最佳倾角。

（4）本工程在考虑发电效率的情况下，选择朝向南方安装，最佳倾角经过计算为46度。

3.3.2支撑结构

支撑结构是支撑固定太阳能电池板并且使其有一定倾斜角度，同时具防风沙雨水能力，以及具有一定的防腐性能。

支撑结构与基础通过预埋件连接，型钢之间用紧固件连接，便于安装和维护。

太阳能电池方阵支架选用钢、铝材制造,其强度达到可承受10级大风的能力。

太阳能电池方阵支架的金属表面，必须进行热镀锌处理，以防止风沙雨水的冲刷和生锈腐蚀。

太阳能电池方阵支架的连接件，包括组件和支架的连接件、支架与螺栓的连接件以及螺栓与方阵场的连接件，均以电镀钢材或不锈钢材制造。

如下图为支架连接图:

图3-3-1组件阵列排布示意图（平地安放形式）

图3-3-2组件阵列间距排布示意图（立杆安放形式）

3.4系统效率分析

离网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、控制逆变器效率、蓄电池储能充放电效率等三部分组成。

（1）光伏阵列效率η1：

光伏阵列在1000W/㎡太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。

光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：

组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，设计效率取95%。

（2）控制、逆变器转换效率η2：

离网逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，效率取90%。

（3）蓄电池充放电效率η3：

控制器给蓄电池充电到蓄电池放电的过程中，有一定的效率损失，其中其中有效的效率取90%。

（4）系统总效率为：

η总＝η1×η2×η3＝95%×90%×90%≈77.7%

四、电气部分

4.1概述

系统采用220V直流接入逆变输出单相220V交流。

发电系统可应满足40KW负荷日用电12小时。

为保证系统在连续阴雨天或其它太阳辐射不足情况下正常使用，系统接入市电作为辅助能源。

保证用电负荷全天候不断电。

设计蓄电池容量满足负荷在当天充电当天使用蓄电池的电，不设置连续阴雨天的要求。

4.1.1设计依据

国家及地方现行的有关设计规范和标准∶

《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008

《供配电系统设计规范》GB50052-95

《低压配电设计规范》GB50054-95

《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93

《电力工程电缆设计规范》GB50217-94

《建筑物防雷设计规范》GB50057-94

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004

《建筑电气工程施工质量验收规范》GB50303-2002

《交流电气装置的接地》DL621-1997

4.2系统方案设计选型

本太阳能光伏发电工程拟定总装机容量约为55.35KWp，由270块、205Wp/块的单晶硅太阳电池组件组成。

依据负荷分布的位置多地点的特点，按几何图形划分不规则子系统按模块化型式建设。

根据光伏发电系统装机容量和供电系统实际接线情况，设计如下接入系统方案：

太阳能光伏发电通常有两种利用方式：

一种是依靠蓄电池来进行能量的存储，即所谓的独立发电方式；另一种是不使用蓄电池，直接与公用电网并接，即并网方式。

4.2.1独立光伏发电方式

独立发电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。

独立发电系统一般由太阳板、控制器、蓄电池、逆变器等组成。

独立系统一般也称为离网系统，多用在偏远地区、电网敷设较困难的地区以及需要夜间供电的光伏发电项目中，也用于太阳能路灯、草坪灯、监控摄像头等系统中作为独立电源使用。

图4-1独立光伏系统示意图

4.2.2并网发电方式

并网发电系统一般由太阳组件、并网逆变器等组成。

通常还包括数据采集系统、数据交换、参数显示和监控设备等。

并网发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到公用电网中，无需蓄电池进行储能，相比较而言，并网发电较便宜，而且完全无污染。

并网发电系统采用的并网逆变器拥有自动相位和电压跟踪装置，能够非常好的配合电网的微小相位和电压波动，不会对电网造成影响。

目前国际上90%以上的太阳能系统采用并网发电，并网发电是太阳能发电系统的趋势所在。

图4-2并网光伏系统示意图

光伏发电并网模式的分类：

光伏并网发电方式又分为低压配电侧和高压输电侧发电并网模式。

1、低压配电侧并网

（1）配电侧并网的光伏发电处在负荷中心，可以起到消峰（PeakShaving）的作用，是“黄金电力”；

（2）在配电网接入不超过15-20%的光伏发电系统，不需要对电网进行任何改造，也不存在电力送出（逆流）和电网能力的问题，对于电网公司仅仅是负荷管理；

（3）配电侧并网的光伏发电的经济效益明显，“自发自用”（NetMetering）运行方式相当于电力公司以销售电价购买光伏电量;

（4）光伏发电电力就地使用，减少了大量的传输、变电损耗。

2、高压输电侧并网

（1）在发电侧并网；

（2）电流是单方向的；

（3）不能自发自用，需要给出“上网电价”，电网公司以高电价收购光伏发电的电量，用户缴纳常规低价电费。

4.2.3光伏发电工程采用离网光伏发电的形式

1）该工程的用电负荷为小区内亮化用电；

2）光伏发电电量就地使用，减少了大量的传输、变电损耗；

3）

光伏发电装机总容量55.35kwp，就近逆变后直接接入负载输入端，蓄电池容量与光伏系统的容量相匹配，另逆变器配备市电旁路作为对光伏发电的补充。

4.3电气主接线

本太阳能光伏发电工程拟定总装机容量为55.35Wp，由270块，205Wp/块的单晶硅太阳能电池组件组成。

因为控制器为MPPT结构，所以每台设备连接的组串是一定的，按照每个组件串列串联,9块太阳能电池组件为一组，所以总计756块太阳能电池组件共计输入30个串列，每个串列分别接入8路直流汇流箱的一路，共计需要4台直流汇流箱，4台直流汇流箱接入控制器、逆变器后通过用电方的交流配电柜即可得到负荷所需要的用电。

整个系统共分两个相同的配置。

图4-3光伏组件接线图

4.4主要设备选型

4.4.1控制器

该控制器具有太阳能电池阵列接反、夜间防反充电、蓄电池过充电、蓄电池过放电、过载、短路等保护和报警功能。

其特点采用了共负极控制方式，多路太阳能电池方阵输入控制；微电脑芯片智能控制，充放电各参数点可设定，适应不同场合的需求；各路充电压检测具有“回差”控制功能，可防止开关进入振荡状态；控制电路与主电路完全隔离，具有极高的抗干扰能力；采用LCD液晶显示屏，中英文菜单显示；具有历史记录功能和密码保护功能；具有电量AH累计功能，包括光伏发电量、负载用电量、蓄电池电量的累计功能；保护功能齐全，具有多种保护及告警功能；具有RS485/232通讯接口，便于远程遥信、遥控；具有多种故障报警无源输出接点功能；具有时钟显示功能；具有温度补偿功能等特点。

采用阶梯式逐级限流充电模式，依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制太阳能电池方阵的依次接通或切离，实现蓄电池组的安全快速充电功能。

下为控制器的主要参数表：

表4-1控制器技术参数

性能指标

SD220300

额定电压（V）

DC220

额定电流（A）

300

最大光伏组件功率（KWp）

66

光伏阵列输入控制路数

10

每路光伏阵列最大电流（A）

30

蓄电池过放保护点（可设置V）

198

蓄电池过放恢复点（可设置V）

226

蓄电池过充保护点（可设置V）

264

负载过压保护点（可设置V）

320

负载过压恢复点（可设置V）

280

空载电流（mA）

<50

电压降落

光伏阵列与蓄电池（V）

1.35

蓄电池与负载（V）

0.1

温度补偿系数（mv/℃）

0~5（可设置）

使用环境温度（℃）

-20~+50

使用海拔高度（m）

≤5000（海拔超过1000米需按照GB/T3859.2规定降额使用。

）

防护等级

IP20

尺寸（宽×高×深）（mm）

600×1200×600

4.4.2逆变器

该逆变器具有市电互补特性，性能可靠，地区适应性强，温度范围宽（-35℃～+55℃）。

其关键元器件（如大功率的MOS器件，控制芯片）均采用国际知名品牌：

三菱、富士、西门子、IR等产品，保障了灯具的使用寿命，有效的降低了产品故障率，通过近几年来大批量的应用推广取得了良好的信誉和质量保证。

在任何情况下,对蓄电池的过充电或过放电都会缩短蓄电池的使用寿命。

产品质量稳定,可靠性高,可适应各种恶劣场所。

每款控制、逆变器都能很好的实现时控+市电切换。

我们完美的把光控、市电切换结合为一体，可以准确、高效控制负载的工作时间。

为本光伏系统设计选用的市电互补太阳能光伏控制、逆变器，用单片机来实现PWM脉宽调制控制方式，使系统的充电效率大大提高，可靠性高。

具有太阳能电池组件、蓄电池反接保护、短路保护、反接保护功能；具有防止蓄电池通过太阳能电池组件反向放电的保护功能；具有蓄电池充满断开（HVD）和欠压断开（LVD）功能；具有分析、识别太阳能与市电工作点的切换功能，即在太阳能无法提供电能的条件下，迅速切换为市电，响应时间为20S秒；具有空载电流小等特点。

其控制器、逆变器参数表如下：

表4-2逆变器技术参数

性能指标

SN22060K3SD1

直流输入

输入额定电压（V）

DC220

输入额定电流（A）

296

允许输入电压范围（V）

180-300

交流输出

额定容量（KVA）

60

输出额定功率（KW）

48

输出额定电压及频率

AC380/220V，50Hz（三相四线制）

输出额定电流（A）

91.2

输出电压精度（V）

94%

输出频率精度（Hz）

AC380V±3%

波形失真率（线性负载）

50±0.05

动态响应（负载0~100％）

≤5%

功率因数

5%

过载能力

0.8

峰值系数

150%,10秒

逆变效率（80%阻性负载）

3:

01

三相负载不平衡能力

≤20％

使用环境温度（℃）

-20~50

防护等级

IP20

海拔高度（m）

≤5000（海拔超过1000米需按照GB/T3859.2规定降额使用。

）

尺寸

立式（宽×高×深）mm

800×2260×600

4.4.3蓄电池

根据负载的用电需求，我公司通过专业的离网光伏系统设计软件计算得出，对于55.35KWp的系统，与之匹配的蓄电池容量为规格3000AH。

对于太阳能离网发电系统产品来讲，蓄电池的性能好坏直接影响光伏系统的综合成本，性能出众的太阳能专用蓄电池，使用寿命是普通蓄电池的两倍以上。

采用性能优良的蓄电池不但能降低蓄电池维护成本，又能减少资源的浪费。

另外，由于同时也降低了废旧蓄电池对环境污染的概率。

所以针对太阳能离网光伏系统的工作环境特性，我公司采用的是国内著名品牌的全密封深循环铅酸蓄电池，是太阳能风能专用的储能电池，电池供应商不但严格按照ISO14001国际环境体系和ISO9001质量管理体系控制生产，而且产品必需通过了国际电工认证（CE）、德国安全认证（VDS）或UL认证和国家权威检测，该产品符合国家技术标准，具有使用寿命长、低温性能好、维护简单、贫液结构等特点，同时还具有优良的恢复性能和优异的循环使用