光伏系统设计思路及注意事项

赵 洁

（苏州中来民生能源有限公司上海分公司，上海 201613）

0 引 言

近年来，我国国民环保意识的提高和环保政策的扶持，使得我国的新能源开发产业得到较大发展。新能源主要是以太阳能为主的清洁能源，此外还有风能、水能、潮汐能等。太阳能在一定程度上取之不尽用之不竭，开发较为容易，其余能源容易受到地形、地貌以及季节等因素限制，而太阳能受其余因素影响小。我国的太阳能资源较为丰富，60%的国土每年日照量超过2 200 h，每年的太阳能辐射总量超过5 020 000 J/m2， 经过有效开发可以满足人民生活生产所需。

1 光伏发电系统概述

1.1 光伏电池的技术原理

太阳能光伏电池主要依靠太阳能光伏技术发电，其内部构成主要是一个半导体。光伏电池利用半导体效应将太阳能转化为电能，再通过部分电路将电能储存或直接给设备供电。太阳能电池制作的原料是硅与其余合金材料，且采用的硅原料必须是经过提纯处理的高纯度硅，将其制作成半导体，利用半导体的PN 结的光伏效应完成光能与电能的转换。当太阳能照射太阳能电池板后会使半导体的PN 结吸收光子，进而产生光生电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，两种电子的极性相反，慢慢堆积就会产生光生电压，从而完成光能到电能的转换，再将太阳能电池板的两端连接负载产生电流[1]。

1.2 光伏系统的组成和分类

光伏发电系统主要是利用太阳能光伏电池板将太阳能转化为电能后储存。一般的太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、逆变器、控制器、蓄电池及电池充放电控制器等组件组成。在整个光伏发电系统中，太阳能电池板及相关组件都是核心部件，其性能将会直接影响整个光伏发电系统的效率。电池充放电控制器具有控制系统充放电状态的功能，而逆变器的功能是将光伏效应产生的直流电转变为交流电。拥有逆变器的光伏发电系统产生的电流可以直接供给负载，供设备运作。光伏发电系统是我国大力研发的重要系统。根据系统结构，它可以分为两种类型，分别是并网式光伏发电系统和独立式光伏发电系统，具体如图1 和图2 所示。两种系统各有优势，独立式光伏发电系统可以设置在偏远山区吸收太阳能发电，而并网式光伏发电系统可以直接将电能输送至电力系统为负载供给电能。经过研究，可将独立式光伏发电系统与并网式光伏发电系统结合，创造混合式光伏发电 系统[2]。

图1 并网运行太阳能光伏系统设计图

图2 独立式太阳能光伏系统设计图

2 光伏发电系统的设计思路

2.1 系统容量设计

2.1.1 明确研究的地理位置

在设计光伏发电系统时应该考察周围环境，确定周围环境的地理位置，根据当地情况设计合理的方案。研究基地的选取对于整个光伏发电系统的设计影响较大，地理位置不同，光照强度不同，光伏发电系统的发电量也会受到影响。此外，在完成光伏发电系统的设计时，需要考虑太阳光照射的方位角等问题。本文选取江苏省苏州市作为研究基地，地理位置较高，日照充足，每年平均日照时间超过1 662 h，平均气温可达20.7 ℃，便于光伏发电系统的研究[3]。

2.1.2 选择合适的负载

为保证整个系统设计具有一定的科学性和实用性，应以保证系统可靠性为前提，降低系统的消费成本，所以应该选择合适的用电负载。研究人员应该先了解选取的负载功率、用途、用电时间以及每个负载对电源电压的要求，然后进行相关配件的设计。负载的用途不同，其工作的时间以及功率都不同，所以应该做好相关选型。在计算整个系统的发电量时，对于无法确定影响的因素采用系数代替，测量准确后再进行计算。在进行光伏发电系统的容量计算时，需要知晓系统内全部负载的连续工作时间和额定功率等数据，并且充分了解系统太阳能电池组件的地理位置以及当地的气候条件。光伏发电系统受到地理条件的限制，系统的组件额定输出功率并不等于实际输出功率，所以应该利用峰值预先估计实际日均输出功率（光伏系统的输出功率等于每日峰值小时数与峰值功率相乘）。系统尤其受到外界环境和自身性能的影响，在实际情况下每日组件发电的安时数并不等于理想条件下的安时数，所以会采用降低10%安时数的方式修正周围环境和自身性能的影响。系统并联的组件数为日平均负载与组件日均输出之比，串联的组件数为系统电压与组件电压之比，整个系统的组件数应为串联组件数与并联组件数相乘。

2.1.3 应该做好太阳能电池板方位角的设计

设计系统时，应该保证太阳能电池板的倾斜角可以让每年太阳能光伏发电系统的发电量达到最大。太阳能电池板的方位角选取对于太阳能光伏发电系统的发电量影响较大，因为倾斜角会直接影响电池板的光照强度。太阳能电池板的倾斜角度一般根据当地纬度进行计算，采用计算机可以实现精度的最大化。根据相关研究可知：当研究基地的纬度小于25°时，倾斜角选取当地纬度；当地纬度在26°～40°时，在当地纬度的基础上加5°～10°；当41°～55°时，太阳能电池板的倾斜角等于当地纬度加10°～15°；如果当地纬度高于55°，倾斜角应选取当地纬度加15°～20°。

2.1.4 应该做好太阳能电池组件的设计工作

本文研究的光伏发电系统最重要的部件是太阳能电池板，其组件的设计将会直接影响太阳能光伏系统的工作效率。在对太阳能电池板进行设计时，应该让其每年的发电量与每年整个系统全部负载的用电量相等。首先应该根据现有数据计算太阳能电池板的功率，其次选取符合要求的电池器件得到更多的数据，如电池的尺寸等，最后根据选取组件的功率、工作电流以及每日发电量等数据计算电池器件的串并联数量。

2.2 系统布置设计

2.2.1 系统组件施工

根据太阳能电池板容量及配置的相关计算选取负载，完成系统组件设计，制定施工方案。需要选型的部件包括电极引出线、各设备之间的连接线等，其计算结果影响蓄电池组的串并联方式。在进行方案设计时应该考虑施工的可行性。设计团队可以采用“思维模拟施工”，分析每个步骤的可行性。采用思维模拟施工的方式可以具体分析每个步骤的可行性，具体到对每条导线的连接以及连接螺母如何拧紧等操作，保证施工方案的可行性。在进行思维施工模拟时应该准确记录每个步骤以及每个步骤应该用到的工具。

2.2.2 电池板布置设计

太阳能电池板的布置方式一般有5 种，每种都有优缺点。一般会选择空旷地区建设地基以及支架组织制作太阳能方阵。采用这种方式便于太阳能光伏发电系统的安装与维修，缺点是采用这种方式会浪费大量的土地资源。采用楼顶的钢结构布置电池板，优点是可以有效节省资源，省去围护的钢结构，缺点是安装以及维护的难度较大，且需要钢结构具有较好的性能，可以为太阳能电池板抗风。将太阳能电池板作为太阳能电池遮阳板，既可以吸收太阳光又可以发挥遮阳的作用，给人们提供遮阳的场所，但是整体施工难度较大。此外，该系统的发电效率受到地理位置的影响较大，发电效率不高。将太阳能电池板作为幕墙以及天窗使用可节约成本，可以与建筑实现完美结合，真正实现一板多用。太阳能电池板作为幕墙使用时，周围不可以采用边框和接线盒连接，而需要选用玻璃封装，缺点是太阳能电池板的角度被严格控制，不可以根据阳光照射方向调整倾斜角，施工难度较大，周围系统的设计以及布线设计都会受到周围环境的影响。最后是将太阳能电池板布置在屋顶做成发电屋顶。这种方式将太阳能电池板与建筑完美融合，不占用其余土地资源，但是施工难度较大，且与建筑结合的结构比较固定，不便于光伏发电系统实现高效发电[4]。

3 光伏发电系统的注意事项

3.1 电池板组件安装注意事项

电池板在安装设计时应该注意按照计算的数量考虑组件的串并联连接，使其数目符合系统的需求，避免太阳能电池板的闲置。在布置电池板方阵时，应该按照电池板对电池板的串并联数目进行科学安排，通过合理的安排协调接线方式保证布线简便、美观。如果将太阳能电池板与建筑相结合制作成遮阳板、屋顶、天窗，需要做好相应的排水设计。因为电池板长时间工作可能会散发热量，在外界气温较高时热量可能会因为长久无法散热，致使电路功率发生变化，所以应该做好散热设计，使太阳能电池板可以及时散热，保证太阳能电池板的使用性能。在对太阳能电池板支架结构进行设计时，应该以安装方便、保证太阳能电池板正常工作为前提。如果采用钢结构制作太阳能电池板的支架结构需要其能抵抗10 级风力的破坏，为提高系统的发电效率，可以在对电池板的支架结构进行设计时采用双轴舵机等设备，使太阳能电池板根据日光轨迹计算倾斜角，提高太阳光吸收效率和发电量[5]。

3.2 蓄电池组件安装注意事项

在对蓄电池组件进行安装设计时，应该注意周围环境必须通风良好，不可长时间接受阳光直射，且室内温度适宜，不可过低或过高。为避免蓄电池短路放电威胁人类生命，应该在蓄电池机组与地面之间加装绝缘装置。本系统中蓄电池可以分为酸性电池和碱性电池。两种电池安装应该距离太阳能电池方阵近些，减少不必要的线路损失。但是，两种电池不可放置在同一空间内。每个蓄电池组间应该预留部分空余，便于维修人员进行后期维修[6]。

4 结 论

光伏发电系统是现代我国大力发展的新型能源系统，具有较好的应用前景。目前，该系统已经得到广大人民群众的认可，得到了部分实践，研究的重点转为提高太阳能至电能的转换率以及提高太阳光吸收效率。因此，研究人员应该做好相关系统设计，提高系统的发电量。