閆 艷 張 雷

（山東省環(huán)能設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 前言

光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能作為原料，達(dá)到安全發(fā)電目的，并不會(huì)對(duì)環(huán)境造成過(guò)大影響，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。而且，光伏發(fā)電價(jià)值得到社會(huì)認(rèn)可，為了使光伏發(fā)電技術(shù)在未來(lái)得到進(jìn)一步升級(jí)，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)地剖析，使設(shè)計(jì)公開(kāi)化，施工透明化，將綠色能源應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 工作原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其是將光生伏打原理作為理論基礎(chǔ)，從而制備吸收太陽(yáng)能，即可轉(zhuǎn)化成電能的太陽(yáng)能電池，以規(guī)?；a(chǎn)的一種發(fā)電系統(tǒng)。在白天，系統(tǒng)中所有光伏電池組件會(huì)吸收太陽(yáng)能，讓半導(dǎo)體構(gòu)成擁有相反極性的載流子，并讓其在靜電場(chǎng)內(nèi)完成分離處理，進(jìn)而被正負(fù)極充分聚集，并在外電路位置形成驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定電流，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與電能轉(zhuǎn)化。產(chǎn)生電能部分會(huì)被外部負(fù)載消耗，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，而部分電能則是以二極管為渠道，為蓄電池組件進(jìn)行充電操作。如果是夜晚、雨天等情況，蓄電池則可以代替光伏電池，繼續(xù)為負(fù)載提供穩(wěn)定電力。其構(gòu)成主要由作為系統(tǒng)重要單元的光伏電池組件，通過(guò)光能吸收，利用光伏效應(yīng)完成能源轉(zhuǎn)化；負(fù)責(zé)將系統(tǒng)生產(chǎn)電能儲(chǔ)存的蓄電池組，如果當(dāng)天光照效果低下，或者負(fù)載實(shí)際需求要超過(guò)電池組件所供應(yīng)電量，蓄電池組負(fù)責(zé)將電能釋放。多是通過(guò)串并聯(lián)蓄電池構(gòu)成；控制器需要控制蓄電池組行為，設(shè)置合適充放電條件，并以負(fù)載實(shí)際需求科學(xué)管理光伏電池與蓄電對(duì)負(fù)載操作，確保光伏電池可以向負(fù)載提供最優(yōu)功率；逆變器負(fù)責(zé)將光伏電池生產(chǎn)電流，或者蓄電池釋放電流，從直流形式轉(zhuǎn)化成交流，從而讓負(fù)載獲得最佳運(yùn)行效果。

1.2 特點(diǎn)

該發(fā)電系統(tǒng)以應(yīng)用形式、規(guī)模等，可以劃分成若干類(lèi)型，例如僅擁有小功率的直流負(fù)載，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)可以有效解決家庭照明的小型系統(tǒng)；光伏電池生產(chǎn)直流電，通過(guò)逆變器處理后，形成在市電電網(wǎng)規(guī)范下交流電，從而為公共電網(wǎng)提供穩(wěn)定電力的并網(wǎng)系統(tǒng)。在這種情況下，生產(chǎn)的所有電能除了交流負(fù)載會(huì)有少量消耗，大多數(shù)電力都會(huì)以反饋方式輸送到電網(wǎng)中；并網(wǎng)混合系統(tǒng)則是將光伏電池、市電等多種電力來(lái)源綜合利用，保證城市生產(chǎn)生活可以獲得穩(wěn)定電力供應(yīng)，即使在市電故障時(shí)，也可以通過(guò)光伏電池維持正常供電。而這種發(fā)電系統(tǒng)相較于化石能源也有較強(qiáng)特點(diǎn)，因?yàn)樯a(chǎn)原來(lái)為太陽(yáng)能，不會(huì)出現(xiàn)化石能源枯竭問(wèn)題。同時(shí)，其生產(chǎn)具有安全性，不會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境。在陽(yáng)光充足地區(qū)可以獲得最佳發(fā)電效果，即使在一些太陽(yáng)能不充裕地區(qū)，也可以使用該發(fā)電系統(tǒng)作為電力補(bǔ)充應(yīng)用。整體建設(shè)速度較快，在投入應(yīng)用后也可以獲得源源不斷能源?？墒牵淙秉c(diǎn)也是圍繞太陽(yáng)能展開(kāi)：我國(guó)疆域遼闊，導(dǎo)致太陽(yáng)光在我國(guó)存在地理位置差別情況，而且太陽(yáng)能會(huì)在四季交替產(chǎn)生變化，能源生產(chǎn)相對(duì)不穩(wěn)定，現(xiàn)在造價(jià)成本較高。

1.3 應(yīng)用案例

該發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于加油站、風(fēng)景區(qū)等。而通過(guò)其大面積應(yīng)用，也要讓人們生活質(zhì)量穩(wěn)定提升，經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展。最典型的加油站是上海世博園區(qū)附近的太陽(yáng)能加油站。為提升系統(tǒng)安全性，選擇C1D2防爆裝置。而其發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加油站當(dāng)前負(fù)載情況，完成供電系統(tǒng)與市電自動(dòng)切換，保證加油站可以高效應(yīng)用，減少市電使用量。應(yīng)用該發(fā)電系統(tǒng)，加油站每年可以減少超過(guò)3萬(wàn)kW·h耗電量，4年經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)4萬(wàn)元；而且，在北京地區(qū)，當(dāng)?shù)卣畬?duì)風(fēng)景區(qū)路燈也全面采用發(fā)電系統(tǒng)，將原本連接市電路燈更換為太陽(yáng)能路燈，以每晚提供8h照明計(jì)算，每盞路燈每天可以減少4kW·h用電，而以9000盞路燈提供一個(gè)風(fēng)景區(qū)夜間供電，每年可以減少超過(guò)1 200萬(wàn)kW·h耗電量[1]。可以讓北京地區(qū)用節(jié)約力度投入其他行業(yè)生產(chǎn)，穩(wěn)定提升經(jīng)濟(jì)效益。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 收集數(shù)據(jù)與組件選型

在設(shè)計(jì)該發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，一定要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)具體數(shù)據(jù)信息達(dá)到全面收集，包括所處地理的經(jīng)緯度，所在位置實(shí)際海拔。并于當(dāng)?shù)貧庀缶痔崛庀筚Y料，內(nèi)容包括一年不同月份太陽(yáng)輻射情況、年平均氣溫、年均日照，關(guān)注當(dāng)?shù)厥欠裼斜⑻厥鈿庀?，降雪情況等，保證為光伏發(fā)電鋪墊前期道路，提升實(shí)際發(fā)電質(zhì)量；單晶硅擁有較高能量轉(zhuǎn)化效率，市面常見(jiàn)電池會(huì)擁有約15%轉(zhuǎn)化效率，而且生產(chǎn)電力具有較強(qiáng)穩(wěn)定性能，占據(jù)空間較同小，可以要額外投入前期采購(gòu)成本。而多晶硅則會(huì)擁有約13%至15%的轉(zhuǎn)化效率，并于后續(xù)使用中不斷產(chǎn)生發(fā)電衰減，降低太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，可是采購(gòu)成本相對(duì)低廉。2種組件有長(zhǎng)達(dá)25年使用壽命，而功率衰減則低于15%；最常見(jiàn)的并網(wǎng)光伏，其效率受到光伏陣列與逆變器使用效率共同影響。對(duì)光伏陣列η1，即光伏陣列于1000W/m2的太陽(yáng)輻射條件下，直流輸出和標(biāo)稱2種功率之比。而光伏陣列會(huì)于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生一定程度損失，例如組件匹配、部分難利用輻射損失、在運(yùn)行條件下的溫度影響等，所以，在轉(zhuǎn)化效率中多選擇85%作為標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)計(jì)算。而逆變器：則是逆變器向外輸出交流實(shí)際電功率和向內(nèi)輸入的直流功率之比，多以95%效率進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效率如下[2]。

2.2 電池組件與蓄電池組

對(duì)電池組件，要可以滿足基本用電需求。所以，針對(duì)電池組件，需要并聯(lián)數(shù)量可以整理為公式（1）。

對(duì)蓄電池組，需要保證即使在外界太陽(yáng)光照多日低于系統(tǒng)運(yùn)行平均值，依舊可以保持正常輸出電力。所以，其容量可以整理公式（3）。

根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)光照實(shí)際情況，整理蓄電池組所需容量，由此判斷需要多少單體蓄電池，通過(guò)并聯(lián)獲得所需容量。而蓄電池在并聯(lián)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的相互影響，需要采用必要手段減少這種不平衡影響，所以并聯(lián)數(shù)量可以控制在4組以下?，F(xiàn)在常見(jiàn)發(fā)電系統(tǒng)多使用2個(gè)蓄電池組并聯(lián)，即便一組因自身運(yùn)行因素或者外界影響，可以將該組斷開(kāi)維修，啟動(dòng)另外一組，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行[3]。

2.3 安裝傾角

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要保證電池組件在當(dāng)?shù)丨h(huán)境下以最佳傾角進(jìn)行安裝，從而發(fā)揮最大能源轉(zhuǎn)化效率。而最佳傾角實(shí)際計(jì)算相對(duì)煩瑣，在過(guò)去以當(dāng)?shù)鼐暥茸鳛閮A角情況使用，也可以在這種傾角選擇基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)大15 °～20 °。而我國(guó)近些年在信息技術(shù)方面得到世界級(jí)突破，讓各個(gè)領(lǐng)域都可以獲得迅猛發(fā)展，在光伏發(fā)電也有較強(qiáng)應(yīng)用。行業(yè)專(zhuān)家借助計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)完成部分城市地理研究，將電池組件安裝傾角充分整理，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安裝作業(yè)中。例如北京的北緯?39.8°，其最佳傾角就是在?基礎(chǔ)上，增加4°；而上海的北緯31.17°，最佳傾角則為?+3°。在我國(guó)太陽(yáng)能最充足，也是光伏發(fā)電應(yīng)用最廣泛的烏魯木齊，其在北緯43.78°，最佳傾角則為?+12°[4]。

3 施工要點(diǎn)分析

3.1 建設(shè)順序

在光伏發(fā)電建設(shè)中，需要先落實(shí)支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，即確定光伏仿真，用于維護(hù)測(cè)量設(shè)備；再完成選型設(shè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)，選擇合適的直流接線箱；選擇要具體到控制器，要求其和蓄電池產(chǎn)生相互關(guān)系，達(dá)到相互制約目的；最后完成逆變器、交流配電柜等設(shè)計(jì)與選擇，保證發(fā)電系統(tǒng)在后期可以高效生產(chǎn)，可以利用圖1表示該建設(shè)順序[5]。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)順序

3.2 支架基礎(chǔ)

光伏發(fā)電的方陣基座，一般會(huì)通過(guò)混凝土澆筑建成。所以要保證基座和地面之間高度符合建設(shè)規(guī)劃，合理控制水平偏差。使用地腳螺栓對(duì)基座充分固定，避免其在后續(xù)應(yīng)用中產(chǎn)生松動(dòng)，影響正常使用[6]。而螺栓地下埋設(shè)和地面漏出都要以設(shè)計(jì)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，避免對(duì)基座造成不良影響。混凝土澆筑后，要經(jīng)歷5天養(yǎng)護(hù)，使用草簾對(duì)其充分包覆，通過(guò)灑水保證其表面濕潤(rùn)。待混凝土具有符合使用標(biāo)準(zhǔn)的凝固強(qiáng)度，繼續(xù)機(jī)架安裝工作。對(duì)支架安裝要額外注意以下內(nèi)容：1）嚴(yán)格控制機(jī)架方位角，確保傾斜角和設(shè)計(jì)需求相吻合；2）安裝機(jī)架時(shí)，需要保證其底部每米的水平度誤差小于3mm。如果實(shí)際水平度已經(jīng)超過(guò)該范圍，需要通過(guò)增加墊鐵，對(duì)機(jī)架調(diào)平處理；3）機(jī)架固定位置，要保證其表面平整，無(wú)坑洼、凸起等情況，避免在后續(xù)應(yīng)用中造成電池片受損；4）機(jī)架固定位置還要增設(shè)防松墊片，確保機(jī)架和混凝土在連接時(shí)擁有較高可靠性；5）如果發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)有對(duì)日跟蹤電池方陣，需要以一個(gè)月或半個(gè)月的固定時(shí)間，對(duì)跟蹤裝置展開(kāi)細(xì)致檢查，保證裝置在應(yīng)用時(shí)擁有良好向日能力，提升發(fā)電系統(tǒng)綜合素質(zhì)；6）機(jī)架和地面夾角可以選擇固定于某個(gè)角度，減少后續(xù)誤差影響。而季節(jié)發(fā)生變化，會(huì)讓太陽(yáng)光發(fā)生變化，也可以根據(jù)這種情況做好調(diào)整工作，保證面板可以獲得最大限度陽(yáng)光接受，提升每天光照時(shí)間，從而穩(wěn)定提升發(fā)電效率[7]?，F(xiàn)在我國(guó)新疆地區(qū)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，以天為單位，通過(guò)整理其他設(shè)備對(duì)太陽(yáng)光變化收集數(shù)據(jù)信息，采用自動(dòng)化方式調(diào)整面板，讓每天發(fā)電效率達(dá)到最大化。

3.3 組件安裝

對(duì)組件安裝，需要注意以下內(nèi)容：1）展示進(jìn)入安裝前，要求以組件參數(shù)完成實(shí)際測(cè)量，對(duì)所有組件都要進(jìn)行徹底檢查，保證參數(shù)與設(shè)計(jì)需求相符合，提升應(yīng)用效果，并對(duì)組件在開(kāi)路情況的電壓與短路情況的電流經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得，方便以后進(jìn)一步優(yōu)化組件使用；2）如果擁有相似工作參數(shù)組件，建議安裝于相同方陣內(nèi)，保證發(fā)電系統(tǒng)可以獲得最佳發(fā)電效率[8]。而且這種相似工作參數(shù)組件在實(shí)際應(yīng)用中也可以獲得協(xié)同效應(yīng)，讓方陣穩(wěn)定轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能；3）對(duì)面板安裝時(shí)，要額外注意移動(dòng)與安裝時(shí)要輕拿輕放，避免出現(xiàn)人為性磕碰，保證面板無(wú)傷投入應(yīng)用，提升組件生產(chǎn)效率；4）如果面板和下面的固定機(jī)架在安裝時(shí)不緊密，則要利鐵片墊平，確保兩者可以獲得良好連接程度；5）安裝面板時(shí)，需要通過(guò)預(yù)安裝方式完成邊框連接，并注重螺絲連接緊密度，避免過(guò)松過(guò)緊情況發(fā)生，并以使用規(guī)范在擰緊后，略微進(jìn)行放松，保證螺絲使用質(zhì)量；6）組件在機(jī)架進(jìn)行安裝時(shí)，要保證兩者擁有平整性，并要求組件和機(jī)架可以超過(guò)8mm間隙，方便組件散熱，避免因機(jī)架阻隔，組件散熱不均勻，影響其正常使用；7）有關(guān)面板一些設(shè)備，例如接線盒，需要做好防雨保護(hù)，如果當(dāng)?shù)卮嬖跉鉁剡^(guò)低情況，則要進(jìn)行防霜保護(hù)，保證面板使用質(zhì)量[9]。

3.4 線纜布設(shè)

對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的線纜布設(shè)，要先完成室外連接，再將線路移動(dòng)至室內(nèi)完成布設(shè)，并先落實(shí)簡(jiǎn)單布設(shè)內(nèi)容，再完成復(fù)雜布設(shè)，避免因人為因素產(chǎn)生難以察覺(jué)問(wèn)題，影響布設(shè)質(zhì)量，方便及時(shí)處理問(wèn)題，提升線纜使用質(zhì)量。而且，線纜布設(shè)還要注意以下內(nèi)容：1）對(duì)墻、支架等產(chǎn)生鋒利銳角，在其邊緣布設(shè)要注意電纜保護(hù)，避免在移動(dòng)線纜時(shí)被銳角劃破保護(hù)層，影響后續(xù)使用質(zhì)量；2）電纜布設(shè)一定要關(guān)注其走向，避免發(fā)生線路過(guò)于混亂，影響其使用質(zhì)量，做好固定工作，預(yù)防后續(xù)線纜移動(dòng)，對(duì)面板產(chǎn)生牽引，造成面板破壞。也要關(guān)注線纜布設(shè)保持良好松緊度，避免出現(xiàn)過(guò)緊過(guò)松情況，提升后續(xù)使用安全性；線纜接頭位置要注意保護(hù)效果，避免接頭位置產(chǎn)生氧化，降低線纜連接質(zhì)量，關(guān)注其穩(wěn)定性，避免因脫落降低線纜傳輸效果；如果饋線與回線位于同一電路，則要讓兩者有效絞合，減少線纜在系統(tǒng)投入使用后產(chǎn)生的電磁干擾，提升線纜使用安全性。

3.5 防雷防護(hù)

在該發(fā)電系統(tǒng)中，外界環(huán)境會(huì)影響其應(yīng)用安全性。所以，為避免雷暴天氣因雷擊對(duì)器件造成損壞，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)影響，需要額外增加防雷接地安全設(shè)備，保證發(fā)電系統(tǒng)在投入使用后穩(wěn)定。地線作為避雷防雷重要角色，可以在配電室建設(shè)時(shí)，在電廠周邊挑選擁有較厚土層，土壤保持潮濕狀態(tài)位置，下挖1 m～2 m，用于埋線的線坑，可以使用降阻劑為地線提供良好運(yùn)行條件，而引出線建議選擇35mm的銅芯電纜，確保實(shí)際接地電阻低于4Ω；對(duì)直流側(cè)防雷，需要保證電池支架在設(shè)計(jì)與后續(xù)作業(yè)可以擁有良好接地效果。可以將電池陣列和電纜相互連接，并接到防雷機(jī)柜中，利用機(jī)柜內(nèi)部的防雷器裝置，為系統(tǒng)提供多重防雷保護(hù)，從源頭上避免系統(tǒng)在雷暴天氣下，因雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞，提升發(fā)電系統(tǒng)安全性。

4 結(jié)論

我國(guó)能源正處于重大變革時(shí)代，需要利用太陽(yáng)能取代過(guò)去化石能源帶來(lái)電力資源。而光伏發(fā)電綜合能力經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，使我國(guó)成為世界研究太陽(yáng)能應(yīng)用最具有潛力的國(guó)家。雖然當(dāng)前光伏發(fā)電造價(jià)高昂，許多核心科技仍被掌握在以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，但是在我國(guó)各類(lèi)企業(yè)迅速發(fā)展的當(dāng)下，配合政府引導(dǎo)與資金支持，未來(lái)具有自主研發(fā)能力的技術(shù)將會(huì)逐漸提升，會(huì)讓光伏發(fā)電逐漸覆蓋社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，全方位推動(dòng)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。