李寧峰，于國才

(國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

太陽能光伏發(fā)電作為國家重點推廣的節(jié)能技術，在今后幾年將取得快速發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有離網光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網發(fā)電光伏系統(tǒng)2種形式[1]。離網光伏發(fā)電系統(tǒng)常用于邊遠地區(qū)的村莊供電、微波中繼站電源、太陽能路燈系統(tǒng)等獨立電源場合，配有蓄電池，可以保證供電的連續(xù)性。并網光伏發(fā)電系統(tǒng)是指可并網運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括帶蓄電池和不帶蓄電池2種方式。帶有蓄電池的并網發(fā)電系統(tǒng)具有可調度性，常安裝在民用建筑上；不帶蓄電池的并網發(fā)電系統(tǒng)不具備可調度性，常用于大型發(fā)電系統(tǒng)?；趯罄m(xù)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)設計、運行提供技術支持和實驗條件支撐，文中的光伏發(fā)電系統(tǒng)設計采用了離網與并網相結合的形式，可視工作需要進行切換。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)構成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏組件、組件支架、防雷系統(tǒng)、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜、并網變壓器等組成，如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)中將光伏組件及支架按屋頂自然條件進行合理布置，形成屋頂光伏陣列，用于太陽能的獲取及光電轉換，然后根據(jù)屋頂光伏系統(tǒng)的特點將光伏組件進行合理串并聯(lián)后，接入防雷匯流箱，根據(jù)光伏逆變器的容量配置分路接入直流配電柜，就完成了光伏直流電源的匯集過程。直流配電柜的出口按額定功率匹配接入并網逆變器，經過逆變器將直流電流轉換為并入電網的交流電流，如逆變器的輸出電壓和并網電壓不相等，就需要經過變壓器轉換為同步的交流電壓后再并入電網。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

2.1 光伏組件的選型

光伏組件按光電池材料不同可分為晶硅組件、薄膜組件及聚光組件。

晶硅組件又細分為單晶組件、多晶組件、高效多晶組件，其光電能量轉換效率在15%～20%之間，整體性價比較高，是目前應用最為廣泛的太陽能光電轉換材料。

薄膜組件具有生產成本低、便于大面積連續(xù)生產、可制成柔性卷曲形狀等特點。目前已能產業(yè)化大規(guī)模生產的薄膜太陽能電池主要有硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池（CIGS）和碲化鎘薄膜電池（CdTe）。薄膜電池轉換率在6%～8%之間，轉化率不高是制約薄膜電池組件發(fā)展的技術瓶頸。

聚光組件的優(yōu)勢在于其采用廉價的光學材料來代替昂貴的硅電池材料，且轉換效率可達到40%，遠高于普通太陽能電池。不足之處是該電池組件需要冷卻裝置，聚光鏡體積較大，整體價格較高。

綜上所述，按經濟、可靠、易擴展的原則，設計擬采用晶硅組件。采用相同功率、不同材料的晶硅組件在同一環(huán)境下進行比較試驗。3個月的試驗顯示，單晶組件的發(fā)電量最高，多晶組件稍低，高效多晶組件接近單晶組件，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同材料光伏組件發(fā)電性能比較

目前單晶組件的價格最高，其次為高效多晶組件和多晶組件?？紤]性價比及設計目的，該設計采用多晶組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉換器件。選用的組件外形尺寸為1665mm×991mm×50mm，單組功率為220 W，具體組件參數(shù)如表2所示。

表2 設計選用的多晶組件技術參數(shù)

2.2 光伏陣列的布局設計

2.2.1 確定光伏陣列的最佳傾角

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角，通過調整組件的放置支架得到。光伏組件支架有可變傾角和固定傾角2種形式。可變傾角適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)；固定傾角支架相對較為簡單，一般按能獲得全年最大輻射量的組件放置角度來制作。該設計規(guī)模較小，主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與驗證，故文中采用固定傾角方式的支架。根據(jù)相關文獻[2]，南京地區(qū)正南向坡面的分月總輻射最佳傾角隨季節(jié)變化而各不相同。全年各月最佳輻射傾角的平均值為26.4°，將該角度設定為放置光伏組件支架的水平傾角。

2.2.2 確定光伏組件陣列間距

光伏陣列間距的確定原則是冬至日當天9:00至15:00，光伏陣列不會相互遮擋，一般按以下方式確定最小間距。

首先按式（1）和式（2）計算出南京地區(qū)太陽高度角α和方位角β[3]。

式中：φ為緯度，南京為北緯32.4°；δ為太陽赤緯，冬至日為-23.5°；ω為時角，9:00時角為45°。通過計算可得：sinα=0.3338 ，可知南京地區(qū)太陽高度角α為19.5°；sinβ=0.6334 ，可知南京地區(qū)太陽方位角β為39.3°。然后由式（3）確定陣列間距：

式中：D為陣列間距；H為陣列高度。因采用固定傾角的支架，由表2已知組件長度為1.665 m，南京地區(qū)光伏最佳傾角為26.4°，陣列高度為：H=1.665×sin26.4=0.74 m，可算得陣列間距D為1.6 m。

因此，光伏陣列支架應按1.6 m的間距來布置，以達到在取得最佳光伏傾角的同時，最大限度地利用有限屋頂面積資源的目的。

2.2.3 光伏組件陣列的布置

設計中可供布置光伏發(fā)電系統(tǒng)的樓頂有效面積為7500m2，長約60 m，寬約15 m，綜合考慮光伏組件外形及間距，可以由南向北擺放5行組件，每行50片，共可放置250片功率為225 W的多晶光伏組件，總功率約56kW。組件布置設計時，要考慮屋面承重、防水，組件抗風、防雷等問題[4]。該設計采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個整體，固定在屋面承重梁上，架體分段與屋面防雷帶相連，解決了承重、防水、抗風、防雷等問題。

2.3 光伏逆變器的選型及分組匹配

設計中采用SG 20KTL并網光伏逆變器，其部分電氣參數(shù)如表3所示。

表3 并網逆變器SG 20KTL電氣參數(shù)

因每片光伏組件輸出電壓只有29.6V，遠低于逆變器需要的直流輸入電壓，所以必須適當串聯(lián)才能滿足逆變器對輸入電壓的要求。串聯(lián)的原則是最高溫度時最佳工作電壓不低于光伏逆變器的MPPT最小電壓，否則會出現(xiàn)功率失真；最低溫時開路電壓不能高于光伏逆變器的最大輸入電壓，否則可能會損壞逆變器。結合所選光伏組件的相關參數(shù)，可以確定光伏組件最大和最小串聯(lián)數(shù)。

組件最小串聯(lián)數(shù)=逆變器最小輸入電壓/組件高溫最優(yōu)輸出電壓=380/29.6=13；組件最大串聯(lián)數(shù)=逆變器最大輸入電壓/組件低溫開路電壓=800/36.7=21。

逆變器選定后，可確定組件的串聯(lián)片數(shù)應在13～21片之間，串聯(lián)后組件滿足了逆變器對輸入直流電壓的要求，還必須將多路串聯(lián)組件再進行合理的并聯(lián)，使組件總功率達到逆變器的設計功率，減少逆變器的資源浪費。

該設計中，組件總功率約56kW，逆變器額定輸出功率為20kW，需將組件平均分為3組接入3臺逆變器，結合組件的屋頂布置情況，及逆變器的功率匹配設計，對原來按面積布置確定的組件數(shù)量進行了微調，最終確定該光伏發(fā)電系統(tǒng)實際組件總數(shù)為240片，總功率54kW。每臺逆變器接入80片組件，分為5個串聯(lián)組，每組16片組件串聯(lián)，工作電壓為473.6V，輸入功率為18kW。

2.4 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

屋頂光伏組件的輸出電流經匯流箱、并網柜、逆變器后，可直接作為電源驅動負荷。亦可切換到外部三相電網，實現(xiàn)小型光伏并網系統(tǒng)的運行。為保證系統(tǒng)安全可靠運行，還需要綜合設計防雷系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等配套設施，如圖2所示。

2.4.1 防雷系統(tǒng)設計

雷電主要有直擊雷和感應雷2種。直擊雷是指直接落到太陽能電池陣列、電氣設備等上面或附近的雷擊，防直擊雷主要依靠避雷針。該系統(tǒng)處于屋頂四周女兒墻的下方，設計采用將光伏系統(tǒng)的所有鋼結構與屋頂?shù)姆览拙W相連，以達到防直擊雷的目的。感應雷主要由電磁感應或靜電現(xiàn)象產生，感應雷產生的電磁浪涌會損壞電氣設備，甚至引起火災，根據(jù)SJ/T1127的相關規(guī)定，該系統(tǒng)通過在直流接口設備、并網逆變器、交流配電柜的各輸入端口設置浪涌保護器來防護侵入系統(tǒng)的感應雷電。

2.4.2 保護及測控系統(tǒng)配置

該設計采用的逆變器具有RS232/RS485和以太網通信功能，系統(tǒng)的電流、電壓、發(fā)電量等參數(shù)可以由通信方式實時獲得，該逆變器還具有對系統(tǒng)直流、交流兩側開關的手動/遙控分斷和保護功能，以及先進的孤島效應檢測和防護功能。逆變器保護范圍以外，如匯流箱的輸入開關、并網變壓器開關等設備，設計中也配置了斷路保護器、狀態(tài)監(jiān)視器等設施，從而保證了全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3 結束語

按方案建設的屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)已正式運行，月均發(fā)電量約6000kW·h，系統(tǒng)負荷切換正常，系統(tǒng)相關防雷、保護、電氣測量等指標均達到了設計要求，為建筑內蓄電池組和照明用電提供了環(huán)保的清潔能源。該屋頂發(fā)電系統(tǒng)的建設實施，為今后大型太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)的研究、設計積累了經驗；也為太陽能光伏系統(tǒng)相關的計量、控制、保護裝置掛網運行提供了便利條件；還在防雷系統(tǒng)設計、支架設計等相關方面獲取了寶貴的實踐經驗。

圖2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結構

[1] 王長貴，崔榮強.新能源發(fā)電技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] 朱超群.南向坡面總輻射最佳傾角的表示式[J].南京大學學報：自然科學，1997，33（4）：623-629.

[3] 王春明，王金全.天和家園43kW屋頂并網光伏發(fā)電系統(tǒng)設計[J].建筑電氣，2007（2）：13-18.

[4] 喜文華.太陽能實用工程技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.