12 kW光伏电站组件安装方式比较

史 君

(东南大学太阳能研究中心，南京 210009)

12 kW光伏电站组件安装方式比较

史 君

(东南大学太阳能研究中心，南京 210009)

光伏电站的设计过程中，不同的组件安装方式在支结构设计的优劣、系统整体发电效率的高低等方面都会产生不同的效果。文中通过对12 kW光伏电站的两种不同的组件安装方式的比较，分析其在结构设计、发电效率两方面的优劣势，以便能够正确选择出最佳安装方案，完成整个项目设计。

组件安装方式支架结构；二极管；热斑效应

0 引 言

案例为12 kW分布式太阳能光伏电站的设计方案，采用就地发电、就地并网，自发自用，余电上网模式。太阳能电池阵列所发出的直流电经12 kW组串型逆变器逆变成与市电一致的交流电后，经过并网开关柜的检测控制，将整个光伏并网系统接入380 V低压交流电网，光伏电有限供给用户负载使用，剩余电量上传电网。

1 太阳能电池阵列安装角度计算及安装位置选择

1.1 建设地点情况分析

建设地点在城市中心地段一栋19层办公楼楼顶，项目所在地属于D类地区(D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区)。屋顶四周女儿墙高度为2 m,建筑周围不存在其他阴影遮挡，屋顶中间部位设有配电房、散热室、风机等其他设施，南面部分闲置屋面预留做为光伏电站建设地点，如图1所示。

1.2 并网光伏系统效率估算

系统总效率为：η总=η1×η2=85%×95%=81%，此结果为交流发电量实际值与直流发电量额定值之间的比值。其中，η1为组件发电效率(存在组件之间电流失配损失)；η2为逆变器转换效率(存在逆变器逆变效率损失)。

1.3 倾斜面光伏阵列倾角的设定

通过PVSTSTEM的阴影计算软件测算，南京地区的分布式电站基本是自发自用，且负载多为全年性负载，经实际勘察、软件测算PVSTSTEM可知，倾角以30°为宜(如图2所示)。

1.4 基础设计

由图1显示，电站南、东、西三面都有等高女儿墙环绕，为了避免三面女儿墙对光伏阵列的遮阴,光伏电池组件阵列应与南、东、西、三面女儿墙保持适当距离， 间距应不小于D:D=0.707H/tan〔arcsin(0.648cosΦ-0.399sinΦ)〕， 得：D=2 410 mm，取为2.41 m。

由于项目地的女儿墙北面2.41 m处存在高于屋面约15 cm的管道，不适宜基础施工的定位，故光伏阵列退至管道之后，距离女儿墙3.6 m处。东、西两面距电站位置则均应≥2.41 m。

图1 12 kW太阳能光伏电站屋顶平面图

图2 PVSYSTEM最佳倾角测算结果

2 太阳能组件选型及两种组件安装方案比较

2.1 两种方案组件选型

根据业主要求及现场勘察实际状况，决定选择两种方案：第一种方案为300 W组件(72P，组件尺寸1956*994*45，质量23.5 kg)；第二种方案为250 W(60 P,组件尺寸1650*994*40，质量19 kg)组件。

2.2 两种方案组件安装方式结构分析比较

考虑到女儿墙强高度较高(2 m),南面光伏电站预留位置宽度有限(7.1 m),安装地点为19层楼顶且场地周围无其他高楼环绕，风压较大，基础高度设计为0.7 m, 光伏阵列距离地面高度为0.73 m,距离南面女儿墙距离为3.6 m。为给设备间南面预留足够距离的检修和运输通道，支架设计为一排，不将光伏组件设计为前后排形式(前后排形式需在前后两排之间留出避免阴影遮挡的空间)。两种方案设计如图3、图4所示，水泥基础设计方案如图5所示。

图3、图4、图5显示，两种设计方案占用空间面积相近，水泥基础两两之间的间隔为2.2 m一组，第一种方案，由于主梁之间的两块组件的衔接点(中间压块位置)在主梁中间，且方案一的组件质量较大，与次梁的4个接触点的压力也较大，故方案一的次梁载荷应力较大；比较而言，方案二的次梁载荷应力较小，且载荷作用较为分散，主梁的载荷在中部会出现最大载荷，略高于方案一。

从图3、图4、图5可以看出，第一种方案，由于纵向在钢架结构上只安放一块电池，此种设计方案整体性强，在安装便捷和抗风强度两方面优于方案二。

图3 300 W组件安装设计方案

图4 250 W组件安装设计方案

图5 水泥基础设计方案

2.3 两种方案组件安装方式电气接入比较

两种方案的技术参数参照国家相关规范和标准，结合甲方的要求及场地情况设置[1-2]。

2.3.1 第一种方案技术参数见表1。

表1 300 W组件安装设计方案电气接入设计技术参数

表1显示，12 kWP太阳能光伏电阵列单元设计为2列支路并联，每并联支路串联20块组件，分别接入组串型逆变器MPPT两个接入端。

2.3.2 第二种方案技术参数见表2。

表2显示，12 kWP太阳能光伏电阵列单元设计为2列支路并联，每并联支路串联24块组件，分别接入组串型逆变器MPPT两个接入端。

表2 250 W组件安装设计方案电气接入设计技术参数

在电气接入时，主流晶硅组件一般由60片或72片电池片串联而成，此两种电气连接方式均可以达到MPPT的最佳工作电压，所以在无阴影遮挡时电气接入方面并无明显优劣之分。但当组件中的单个太阳电池被遮挡时，将被当作负载消耗其他电池所产生的电量，被遮蔽的太阳电池此时会发热，称为热斑效应[3]。热斑效应会严重影响组件的输出功率，同时会破坏太阳电池的性能，原则上每个电池片应并联一个旁路二极管，以便更好保护并减少在非正常状态下无效电池片数目，但因为旁路二极管价格成本的影响和暗电流损耗以及工作状态下压降的存在，目前由60/72电池片封装成的多晶硅组件，每20/24电池可并联一个旁路二极管。当光伏组件被阴影遮挡50%时，纵向安装的光伏组件不仅不会输出功率，还会产生热斑效应。而在同样比例的阴影遮挡下，横向安装的光伏组件依然正常工作，功率等比例下降，无热斑效应[3]，系统整体发电效率提高。从这方面看，方案二优于方案一。

3 结束语

案例显示，两种设计方案占用空间面积基本相等，第一种方案在安装便捷和抗风整体性两方面优于方案二，第二种方案在避免产生热斑效应、提高系统整体发电效率方面优于方案一。综合现场情况，将支架设计为一排(而不是将光伏组件设计为前后排形式)，充分规避了南面的阴影遮挡，消除了遮挡给电气接入造成负面影响和潜在风险，保证了系统整体发电效率，鉴于整体设计的考虑，本项目最终优选方案一。

[1] 瞿义勇.民用建筑电气设计规范[M].北京：机械工业出版社，2010：63-75.

[2] GB/T 19939-2005.光伏系统并网技术要求[S]. 国家标准化管理委员会，2005.

[3] 王 军，王 鹤，杨 宏，等.太阳电池热斑现象的研究[J].电源技术应用，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-)，江苏省南京市，学士，助理工程师，主要从事光伏系统工程设计及施工管理。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.011

TK511.5

B

1009-3230(2015)04-0043-04