太阳能光伏发电的设计应用

刘健

摘要：太阳能作为一种绿色、可再生能源，越来越广泛地受到各国政府的关注，太阳能光伏发电技术也逐渐成为国内外研究的热点。太阳能光伏电站的设计方案直接影响到电站的运行性能，电站的运行性能也从很大程度上反映着电站设计方案存在的问题。本文就太阳能光伏发电的设计进行探讨，剖析了太阳能光伏发电系统设计的内容以及程序，以供参考。

关键词：光伏发电系统；优化设计；运行分析

中图分类号：S611 文献标识码： A

引言

在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，地球在长达 50 万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采 40 年左右，天然气约 60 年，煤可望达 200 年。全球能源消耗的年增长率约为 2%，近 35 年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到 2025 年全球能源消耗还将再增加一倍。

一、太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式

太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑，太阳能电池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大规模应用的唯一障碍是其成本高，预计到 21 世纪中叶，太阳能电池发电的成本将会下降到同常规能源发电相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。

目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于生产太阳能电池的原料-硅储量十分丰富、太阳电池转换效率不断提高、生产成本不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

二、太阳能光伏发电系统设计

（一）、太阳能光伏发电系统设计原则

太阳能光伏发电系统可以安装在各种不同的地点和场合，而不同的光伏发电系统由于其安装地点、当地气象参数以及负载情况都有所不同。在设计之前，应该首先收集当地的气象参数，在此基础上估算太阳能光伏电池的发电量；然后进行具体的系统设计、模拟仿真、安装可能性判断和施工问题检查等。

太阳能光伏发电系统设计的总原则是在满足负载供电需要的前提下，通过使用最少的太阳能光伏电池板来尽量减少系统的初始投资，避免由于不恰当系统配置导致的投资增加或不能满足负载需求。 为了有效的节省线缆成本、减少发电量在线缆上的损失，大规模光伏电站一般以 1MWp 为一个小的发电单元，这个小的光伏发电单元叫做子方阵。每个子方阵由若干路太阳能电池组件串并联组成（每个太阳能电池组串由若干个太阳能电池组件串联而成）。光伏组件串经线缆连接进入光伏专用防雷汇流箱，汇流后接入逆变器直流侧进行逆变，逆变后的交流电经由配电柜并入低压电网。对于升压到 10KV或是 35KV 的系统，需要增加升压装置。此外，根据负荷及不同用户对电能质量要求不同，有的还需要增加无功补偿装置及电力监测装置。

（二）、太阳能光伏发电系统设计

1、当地太阳能辐照数据及气象数据收集

在进行光伏发电系统设计前需要对项目建设地太阳能辐照资源及气象资源情况进行了解，以便设计合理、安全、可靠，又尽可能满足负载需求。这些需要收集的基本资料包括：地点、气候、纬度、经度、平均日照、平均温度、降雨量、湿度、浮尘量、风荷载和地质条件等。 在设计计算前，需要收集当地的太阳能辐照及气象资料，包括当地的太阳能辐射量以及温度变化等。一般来说，气象资料无法做出长期观测，只能根据以往 10-20 年的平均值作为设计依据。即使能够从当地气象部门得到的辐照及气象数据资料，一般也只有水平面的太阳辐射量，需要根据理论计算换算出太阳能电池板倾斜面的实际辐射量。另外，由于我国没有充分意识到太阳能辐射资源及气象资源观测的重要性，尤其是对太阳能辐照资源的观测记录更少，这一现实状况会对太阳能电站设计带来相当大的困难。

2、太阳能电池组件选型

太阳能电池组件选择的基本原则：在产品技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站站址的气象条件、地理环境、施工条件、交通运输等实际因素，综合考虑对比确定组件型式。再根据电站所在地的太阳能资源状况和所选用的太阳能电池组件类型，计算出光伏电站的年发电量，最终选择出综合指标最佳的太阳能电池组件。

（三）、并网逆变器

逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，因此逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电; 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

逆变器的总额定容量应根据光伏系统装机容量确定; 独立光伏系统逆变器的总额定容量应根据交流侧负载最大功率及负载性质确定; 并网逆变器的数量应根据光伏系统装机容量及单台并网逆变器额定容量确定。

三、系统运行原理

（一）、并网系统运行原理

太阳能并网发电系统是将太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，而直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21 世纪最具吸引力的能源利用技术。并网系统运行原理图如图1所示。

图1并网系统运行原理图

（二）、独立系统运行原理

独立系统离网型太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池和控制逆变器三部分组成。系统通过太阳能电池板将太阳能转变成电能存储到蓄电池中，再通过控制逆变器将蓄电池中的直流电转换成交流电供用电设备使用。独立系统运行原理图如图2所示。

图2 独立系统运行原理图

四、太阳能光伏发电系统的应用

现阶段太阳能光伏发电系统的应用，主要以小型户光伏发电、屋顶型光伏发电和大型并网型光伏发电的应用进行介绍。

（一）、小户型光伏发电

小户型家用型光伏系统作为非并网光伏发电系统的组成部分之一，广泛应用于较为贫困的山区和农村，以保证他们的用电所需。其优良的性能和可靠性，得到了广大用户的好评。以辽宁某县为例，该地区以安装了353 套独立的家用太阳能光伏发电系统，不但能够满足白天的电能供应，所储存起来的电能还能够满足夜间和天气不好时候的供应。

（二）、屋顶型光伏发电

在太阳能光伏发电系统逐渐得到普及的今天，太阳能屋顶光伏求，还能够充分利用屋顶资源，减少土地资源的占用，降低屋顶的升温，缓解用电高峰等优点。现如今，已有很多城市都在应用太阳能光伏发电照明灯，如对车站、道路或公共场所中的路灯、庭院灯、草坪灯运用太阳能技术，在保证其美观大方的同时，降低了城市中能源的消耗。

结束语

随着人们对绿色能源认识程度的提高, 以及在国家政策的大力推动下, 太阳能光伏发电的应用将日渐广泛, 将来和电网的并网事宜也一定可以得到很好的解决。太阳能光伏发电技术作为21 世纪造福于人类的清洁能源技术，应该得到全世界各国的重视和研究开发，我国应该加大对太阳能光伏发电技术的政策支持，将其更加广泛的应用于各个领域。

参考文献

[1] 周四清，马超群，李林.太阳能光伏产业可持续发展理论研究思考[J].科技 进步与对策，2010.

[2] JGJ 203—2010 民用建筑太阳能系统应用技术规范［S］．