分布式屋頂光伏發電系統設計

摘 要：針對目前光伏發電系統的發展情況，提出了小型分布式平面屋頂光伏發電系統設計過程，介紹了控制器、逆變器的選擇依據。依據不同地理氣候條件和具體用電情況闡述了蓄電池組、光伏方陣容量計算公式，光伏方陣的安裝角度和陣列間距的計算公式。通過上述公式輔以設定參數，實現了整個小型分布式光伏發電系統的優化設計。

關鍵詞：分布式；光伏發電；屋頂

太陽能是綠色清潔能源，太陽能光伏發電把光能直接轉換為電能，既能滿足居民的日常用電需求，又減少了常規化石能源的消耗，對節約資源、保護環境意義重大。分布式光伏發電是指位于用戶附近，所發電能由用戶自用和就地利用，以10kv及以下電壓等級接入公共電網，且單個并網點總裝機容量不超過6MW的光伏發電項目[1]。分布式光伏發電系統的主要特點是白天有太陽光照時通過光伏方陣發電，所發電能經由控制器向蓄電池組充電，蓄電池組充滿電后將盈余電能傳送至公共電網，晚上用電時優先從蓄電池組取能；如晚上蓄電池組儲能不足以支撐負荷時則切換至公共電網，從公共電網中取電。光伏發電系統與公共電網之間電能的進出由電能計量表進行計量，電費由相關計費標準執行。分布式光伏發電系統由光伏方陣、具有雙向換流的控制器、并網逆變器、儲能蓄電池和電能計量表等組成。

1 設計參數設定

南昌地區普通家庭負載一般包括：6個20W電燈，每日工作4小時；1臺120W電視機，每日工作5小時；1臺100W的電腦，每日工作4小時；1臺200W的電冰箱，日耗電量0.8kW·h；1臺300W的洗衣機，每日工作0.5小時；2臺制冷功率為1600W的空調，日耗電量每臺2kW·h；考慮到手機充電器等小型電器，增加預期用電負荷5%。

通過上述分析，家庭用電負荷約為4.2kW，日均用電量約為6.8kW·h。考慮到向公共電網買電賣電的價格差異和用電設備的使用同時系數[2]，本文將以負荷約為3kW，日均用電量約為5kW·h作為分布式光伏發電系統的設計數據。

2 逆變器的選型配置

逆變器的功能主要是將光伏方陣所發的直流電轉換為負載所需的交流電。由于負載的用電總功率大于逆變器總功率的80%時，逆變器將會發熱過度，進而縮短逆變器的使用壽命[3]，因此配置的逆變器功率應大于3.75kW，選用合肥陽光電源有限公司的型號為SG4KTL，容量為4kW的逆變器，其具體技術參數如表1。

表1 SG4KTL逆變器技術參數

3 控制器的選型配置

用于分布式光伏發電系統的控制器既可以控制蓄電池充放電，又可以控制與公共電網的接駁。為了便于單體蓄電池的串并聯，考慮蓄電池直流側電壓設計為48V，選用南京特瑪亨能源有限公司的L系列電壓等級為TM48V的光伏控制器，其具體參數如表2。

表2 控制器技術參數

4 蓄電池的設計與選型

考慮到太陽能發電在白天有光照時進行，居民用電高峰又集中于晚上，需要配備相應容量的蓄電池組。蓄電池組容量的計算公式為：

C=（L×D×TO）/（DOD×Ka） （1）

其中L是負載日均耗電量，單位為kW·h；D是儲能天數，1d；TO為溫度修正系數，本文涉及的最低溫度不低于-10℃，取1.1；DOD為蓄電池放電深度，采用鉛酸蓄電池，一般取0.75；Ka為包括逆變器等交流回路電力傳輸損耗，取0.9。代入數據計算出蓄電池組容量為8.15kW·h。

一般選用標稱電壓為12V單體蓄電池串聯得到蓄電池側電壓48V，則蓄電池安時數為170A·h，蓄電池組串聯數為4；選用標稱容量為180A·h的蓄電池并聯得到蓄電池的總容量，則蓄電池組的并聯數為170/180=0.94，取整數1，所以蓄電池組為4塊全部串聯。選用廣州志成冠軍集團有限公司的型號為NP180-12的閥控式鉛酸免維修蓄電池，其單體蓄電池參數如表3。

表3 蓄電池技術參數

分布式光伏發電系統蓄電池儲能不能滿足用電負載時，可以從公共電網獲取市電。

5 光伏方陣的設計與選型

組成光伏方陣的光伏組件主要有單晶硅組件、多晶硅組件和非晶硅組件等，晶體硅光伏組件光電轉換效率較高，性能穩定，后期擴容方便，是光伏市場的主流。多晶硅性價比高，因此選用常州天合能光有限公司型號為TSM-PC05的多晶硅光伏組件，其具體參數如表4。

表4 TSM-PC05光伏組件技術參數

5.1 光伏方陣串并聯設計

因單個光伏組件電壓和功率有限，必須串并聯才能滿足系統電壓和功率的需要。串聯時最高工作電壓不能低于逆變器最大功率點的最小電壓，否則會出現逆變器功率失真；最低溫時組件開路電壓不能低于逆變器的最大輸入電壓，否則可能會引起逆變器損壞[4]。

光伏組件的串聯數NS可由下式計算[5]：

（2）

（3）

式中Vdcmax為逆變器允許的最大輸入直流電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmpptmin為逆變器MPPT處的最小電壓；Vmpptmax為逆變器MPPT處的最大電壓；KV為光伏組件的開路電壓溫度系數；KV'為光伏組件的工作電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，本文取-10℃；t'為光伏組件工作條件下的極限高溫，本文取50℃。

根據逆變器、光伏組件和當地實際情況，由式（2）、式（3）可確定組件的串聯數為4.7≤NS≤13.3，選擇7片組件串聯，每片組件功率245W，每串組件功率1715W。并聯支路數Np=3000/1715=1.75，取2并。光伏方陣組件總數為7×2=14片，總功率為245×14=3430W，小于逆變器的最大輸入功率4300W，所以此光伏發電系統的裝機容量為3430W。

5.2 光伏方陣安裝角度

為了獲得最大發電效率，可以安裝逐日跟蹤系統，讓光伏方陣始終處于太陽光直射下，但對于小型分布式光伏發電系統來說成本很高，所以采用固定支架式安裝。本文南昌市安裝地點為緯度為28.4°，最佳傾斜角Q頃為28.4°+5°=33.4°。實際安裝過程中，在不影響光伏方陣發電效率，可以兼顧安裝的方便性，適當調整傾斜角。

5.3 光伏方陣陣列間距

在平面屋頂進行光伏方陣的安裝時，為了避免前后組件陰影遮擋而引起熱斑效應，一定要選擇合適的陣列間距。先要得到太陽高度角α和方位角β的相關數值，計算公式為：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω（4）

sinβ=cosδsinω/cosα（5）

式中，φ為緯度，δ為太陽赤緯，取冬至日-23.5°，ω為時角，取9：00時角45°。可以算得tanα=0.4119、cosβ=0.7127，代入下式：

D=LcosβsinQ/tanα（6）

式中D為陣列間距，L為組件長度，可以算出D=0.823L。實際布置時可以根據現場施工情況調整陣列間距，在滿足最佳安裝角度和陣列間距的前提下，充分利用現有屋頂面積資源。

方陣安裝布置時還要考慮屋面本身的承重、防水、抗風、防雷接地等問題，可以采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個整體，固定在屋面承重梁上，也可以在屋面澆注水泥基礎，將支架固定在水泥基礎上[6]。

6 結束語

本文對小型分布式平面屋頂光伏發電系統光伏方陣、蓄電池組、控制器、逆變器等進行了選型配置。依據不同地理氣候條件和具體安裝施工情況選擇了光伏方陣的安裝角度和陣列間距。通過上述公式輔以設定參數，實現了整個小型分布式光伏發電系統的優化設計。

參考文獻

[1]國家電網辦〔2012〕1560號

[2]郝曉曉.住宅小區用電負荷及配變容量的測算[J].華北電力技術，2011，（8）16-18.

[3]曹瑩.家用太陽能光伏發電系統設計[J].機電工程，2011，28（1）115-117.

[4]李寧峰，于國才.屋頂太陽能光伏發電系統的設計[J].江蘇電機工程，2012，（3）43-45.

[5]楊洪興，周偉.太陽能建筑一體化技術與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[6]李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

作者簡介：肖友鵬，工作單位：江西科技學院機械工程學院，學歷：碩士，職稱：助教，研究方向：光伏材料與器件。