史 君

(東南大學(xué)太陽(yáng)能研究中心，南京 210009)

12 kW光伏電站組件安裝方式比較

史 君

(東南大學(xué)太陽(yáng)能研究中心，南京 210009)

光伏電站的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同的組件安裝方式在支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、系統(tǒng)整體發(fā)電效率的高低等方面都會(huì)產(chǎn)生不同的效果。文中通過(guò)對(duì)12 kW光伏電站的兩種不同的組件安裝方式的比較，分析其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)電效率兩方面的優(yōu)劣勢(shì)，以便能夠正確選擇出最佳安裝方案，完成整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

組件安裝方式支架結(jié)構(gòu)；二極管；熱斑效應(yīng)

0 引 言

案例為12 kW分布式太陽(yáng)能光伏電站的設(shè)計(jì)方案，采用就地發(fā)電、就地并網(wǎng)，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式。太陽(yáng)能電池陣列所發(fā)出的直流電經(jīng)12 kW組串型逆變器逆變成與市電一致的交流電后，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜的檢測(cè)控制，將整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入380 V低壓交流電網(wǎng)，光伏電有限供給用戶(hù)負(fù)載使用，剩余電量上傳電網(wǎng)。

1 太陽(yáng)能電池陣列安裝角度計(jì)算及安裝位置選擇

1.1 建設(shè)地點(diǎn)情況分析

建設(shè)地點(diǎn)在城市中心地段一棟19層辦公樓樓頂，項(xiàng)目所在地屬于D類(lèi)地區(qū)(D類(lèi)指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū))。屋頂四周女兒墻高度為2 m,建筑周?chē)淮嬖谄渌幱罢趽?，屋頂中間部位設(shè)有配電房、散熱室、風(fēng)機(jī)等其他設(shè)施，南面部分閑置屋面預(yù)留做為光伏電站建設(shè)地點(diǎn)，如圖1所示。

1.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)效率估算

系統(tǒng)總效率為：η總=η1×η2=85%×95%=81%，此結(jié)果為交流發(fā)電量實(shí)際值與直流發(fā)電量額定值之間的比值。其中，η1為組件發(fā)電效率(存在組件之間電流失配損失)；η2為逆變器轉(zhuǎn)換效率(存在逆變器逆變效率損失)。

1.3 傾斜面光伏陣列傾角的設(shè)定

通過(guò)PVSTSTEM的陰影計(jì)算軟件測(cè)算，南京地區(qū)的分布式電站基本是自發(fā)自用，且負(fù)載多為全年性負(fù)載，經(jīng)實(shí)際勘察、軟件測(cè)算PVSTSTEM可知，傾角以30°為宜(如圖2所示)。

1.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由圖1顯示，電站南、東、西三面都有等高女兒墻環(huán)繞，為了避免三面女兒墻對(duì)光伏陣列的遮陰,光伏電池組件陣列應(yīng)與南、東、西、三面女兒墻保持適當(dāng)距離， 間距應(yīng)不小于D:D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)〕， 得：D=2 410 mm，取為2.41 m。

由于項(xiàng)目地的女兒墻北面2.41 m處存在高于屋面約15 cm的管道，不適宜基礎(chǔ)施工的定位，故光伏陣列退至管道之后，距離女兒墻3.6 m處。東、西兩面距電站位置則均應(yīng)≥2.41 m。

圖1 12 kW太陽(yáng)能光伏電站屋頂平面圖

圖2 PVSYSTEM最佳傾角測(cè)算結(jié)果

2 太陽(yáng)能組件選型及兩種組件安裝方案比較

2.1 兩種方案組件選型

根據(jù)業(yè)主要求及現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)際狀況，決定選擇兩種方案：第一種方案為300 W組件(72P，組件尺寸1956*994*45，質(zhì)量23.5 kg)；第二種方案為250 W(60 P,組件尺寸1650*994*40，質(zhì)量19 kg)組件。

2.2 兩種方案組件安裝方式結(jié)構(gòu)分析比較

考慮到女兒墻強(qiáng)高度較高(2 m),南面光伏電站預(yù)留位置寬度有限(7.1 m),安裝地點(diǎn)為19層樓頂且場(chǎng)地周?chē)鸁o(wú)其他高樓環(huán)繞，風(fēng)壓較大，基礎(chǔ)高度設(shè)計(jì)為0.7 m, 光伏陣列距離地面高度為0.73 m,距離南面女兒墻距離為3.6 m。為給設(shè)備間南面預(yù)留足夠距離的檢修和運(yùn)輸通道，支架設(shè)計(jì)為一排，不將光伏組件設(shè)計(jì)為前后排形式(前后排形式需在前后兩排之間留出避免陰影遮擋的空間)。兩種方案設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示，水泥基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖3、圖4、圖5顯示，兩種設(shè)計(jì)方案占用空間面積相近，水泥基礎(chǔ)兩兩之間的間隔為2.2 m一組，第一種方案，由于主梁之間的兩塊組件的銜接點(diǎn)(中間壓塊位置)在主梁中間，且方案一的組件質(zhì)量較大，與次梁的4個(gè)接觸點(diǎn)的壓力也較大，故方案一的次梁載荷應(yīng)力較大；比較而言，方案二的次梁載荷應(yīng)力較小，且載荷作用較為分散，主梁的載荷在中部會(huì)出現(xiàn)最大載荷，略高于方案一。

從圖3、圖4、圖5可以看出，第一種方案，由于縱向在鋼架結(jié)構(gòu)上只安放一塊電池，此種設(shè)計(jì)方案整體性強(qiáng)，在安裝便捷和抗風(fēng)強(qiáng)度兩方面優(yōu)于方案二。

圖3 300 W組件安裝設(shè)計(jì)方案

圖4 250 W組件安裝設(shè)計(jì)方案

圖5 水泥基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

2.3 兩種方案組件安裝方式電氣接入比較

兩種方案的技術(shù)參數(shù)參照國(guó)家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合甲方的要求及場(chǎng)地情況設(shè)置[1-2]。

2.3.1 第一種方案技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 300 W組件安裝設(shè)計(jì)方案電氣接入設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

表1顯示，12 kWP太陽(yáng)能光伏電陣列單元設(shè)計(jì)為2列支路并聯(lián)，每并聯(lián)支路串聯(lián)20塊組件，分別接入組串型逆變器MPPT兩個(gè)接入端。

2.3.2 第二種方案技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2顯示，12 kWP太陽(yáng)能光伏電陣列單元設(shè)計(jì)為2列支路并聯(lián)，每并聯(lián)支路串聯(lián)24塊組件，分別接入組串型逆變器MPPT兩個(gè)接入端。

表2 250 W組件安裝設(shè)計(jì)方案電氣接入設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

在電氣接入時(shí)，主流晶硅組件一般由60片或72片電池片串聯(lián)而成，此兩種電氣連接方式均可以達(dá)到MPPT的最佳工作電壓，所以在無(wú)陰影遮擋時(shí)電氣接入方面并無(wú)明顯優(yōu)劣之分。但當(dāng)組件中的單個(gè)太陽(yáng)電池被遮擋時(shí)，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他電池所產(chǎn)生的電量，被遮蔽的太陽(yáng)電池此時(shí)會(huì)發(fā)熱，稱(chēng)為熱斑效應(yīng)[3]。熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響組件的輸出功率，同時(shí)會(huì)破壞太陽(yáng)電池的性能，原則上每個(gè)電池片應(yīng)并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，以便更好保護(hù)并減少在非正常狀態(tài)下無(wú)效電池片數(shù)目，但因?yàn)榕月范O管價(jià)格成本的影響和暗電流損耗以及工作狀態(tài)下壓降的存在，目前由60/72電池片封裝成的多晶硅組件，每20/24電池可并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。當(dāng)光伏組件被陰影遮擋50%時(shí)，縱向安裝的光伏組件不僅不會(huì)輸出功率，還會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)。而在同樣比例的陰影遮擋下，橫向安裝的光伏組件依然正常工作，功率等比例下降，無(wú)熱斑效應(yīng)[3]，系統(tǒng)整體發(fā)電效率提高。從這方面看，方案二優(yōu)于方案一。

3 結(jié)束語(yǔ)

案例顯示，兩種設(shè)計(jì)方案占用空間面積基本相等，第一種方案在安裝便捷和抗風(fēng)整體性?xún)煞矫鎯?yōu)于方案二，第二種方案在避免產(chǎn)生熱斑效應(yīng)、提高系統(tǒng)整體發(fā)電效率方面優(yōu)于方案一。綜合現(xiàn)場(chǎng)情況，將支架設(shè)計(jì)為一排(而不是將光伏組件設(shè)計(jì)為前后排形式)，充分規(guī)避了南面的陰影遮擋，消除了遮擋給電氣接入造成負(fù)面影響和潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證了系統(tǒng)整體發(fā)電效率，鑒于整體設(shè)計(jì)的考慮，本項(xiàng)目最終優(yōu)選方案一。

[1] 瞿義勇.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：63-75.

[2] GB/T 19939-2005.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005.

[3] 王 軍，王 鶴，楊 宏，等.太陽(yáng)電池?zé)岚攥F(xiàn)象的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2008,4:48-51.

Comparison of 12 kW Photovoltaic Power Plant Components Installation Mode

SHI Jun

(Solar Energy Research Center，Southeast University，Nanjing 210009, China)

In the design process of photovoltaic power plants，different components are installed in the structure design of the whole system, power generation efficiency and other aspects will produce different results. This article through to 12 kW photovoltaic power station of the comparison of two different component installation, analysis its structure design, the advantages and disadvantages of two aspects of power generation efficiency, in order to correctly choose the best installation plan, complete the whole project design.

Component installation; Frame structure; Diode; Hot spot effect

2015-03-15

2015-03-25

史 君(1987-)，江蘇省南京市，學(xué)士，助理工程師，主要從事光伏系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)及施工管理。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.011

TK511.5

B

1009-3230(2015)04-0043-04