太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)實(shí)踐

摘要：太陽(yáng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式，。本文主要介紹太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及分類，并探討太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;光伏發(fā)電;設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能每分鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)4800萬(wàn)千瓦，如果把地球表面0.2%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)11.2×1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于世界上能耗的80倍。太陽(yáng)能清潔無(wú)污染，安全無(wú)毒害，是理想的可持續(xù)發(fā)展能源之一。向太陽(yáng)索取電能是工業(yè)化發(fā)展到今天、大量化石能源被消耗而且面臨枯竭的必然趨勢(shì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是人類向太陽(yáng)索取電能的重要途徑[1]。

1太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件半導(dǎo)體材料的“光伏效應(yīng)”，能將太陽(yáng)光輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩大類，其中獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、充放電控制器、逆變器、蓄電池等組成[2]。

2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為兩類：離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

（1）離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能應(yīng)用方式，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣，但因其蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難，限制了使用范圍，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

（2）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電購(gòu)電。在背靠電網(wǎng)的前提下，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴(kuò)展了使用的范圍，提高了靈活性，并降低了造價(jià)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示[3]。

3太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括2個(gè)方面：容量設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)包括：負(fù)載用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能光伏電池組件的計(jì)算，蓄電池組容量的計(jì)算以及太陽(yáng)能光伏電池組件安裝最佳傾角的計(jì)算等。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括：太陽(yáng)能光伏電池組件的選型，支架設(shè)計(jì)，逆變器的選擇，電纜的選擇，控制測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防雷設(shè)計(jì)及配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等

3.1設(shè)計(jì)的基本步驟

收集基本數(shù)據(jù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)詳細(xì)了解該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔;了解該地區(qū)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量以及散射輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況等[4]。

3.2太陽(yáng)能光伏電池組件的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。

（1）太陽(yáng)能光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)量計(jì)算公式為：并聯(lián)組件數(shù)量=日平均負(fù)載（AH）/{庫(kù)侖效率×[組件日輸出（AH）×衰減因子]}[5]

（2）太陽(yáng)能光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)量計(jì)算公式為：串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓（V）/組件電壓（V）

3.3蓄電池組的設(shè)計(jì)

蓄電池組設(shè)計(jì)的基本思想是保證在太陽(yáng)光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以正常工作。

（1）蓄電池組容量的計(jì)算公式為：蓄電池組容量=[自給天數(shù)×日平均負(fù)載（AH）]/[最大允許放電深度×溫度修正因子]

（2）蓄電池組的并聯(lián)設(shè)計(jì)根據(jù)計(jì)算出的蓄電池組容量，就可以決定選擇多少個(gè)單體蓄電池加以并聯(lián)得到所需的蓄電池組容量。為了盡量減少蓄電池之間的不平衡，建議并聯(lián)的數(shù)目不要超過(guò)4組。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用2組并聯(lián)模式，這樣如果1組蓄電池出現(xiàn)故障，就可以斷開該組蓄電池進(jìn)行維修，而使用另1組正常的蓄電池，此時(shí)雖然電流有所下降，但系統(tǒng)還能保持在標(biāo)稱電壓下正常工作。

3.4太陽(yáng)能光伏電池組件安裝最佳傾角的設(shè)計(jì)

確定太陽(yáng)能光伏電池組件的最佳安裝傾角是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。組件最佳傾角的計(jì)算很復(fù)雜，因此有的觀點(diǎn)認(rèn)為組件傾角取當(dāng)?shù)鼐暥葹樽罴眩灿械挠^點(diǎn)認(rèn)為組件傾角在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上再增加15°至20°為好。以上觀點(diǎn)都不一定妥當(dāng)，也不一定是最好的選擇。目前相關(guān)專家已采用計(jì)算機(jī)計(jì)算出我國(guó)部分城市對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池組件的最佳安裝傾角，設(shè)計(jì)時(shí)只需了解系統(tǒng)所在城市就能查出對(duì)應(yīng)的最佳安裝傾角[6]，下表為幾個(gè)主要城市電池組件的最佳安裝傾角。

城市

北京

長(zhǎng)春

上海

南京

廣州

蘭州

拉薩

烏魯木齊

緯度（Ф）

39.80

43.90

31.17

32.0

23.13

36.05

29.7

43.78

最佳傾角

Ф+4

Ф+1

Ф+3

Ф+5

Ф-7

Ф+8

Ф-8

Ф+12

4結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能是最大的綠色能源，太陽(yáng)能利用將是我國(guó)能源變革最可行的解決方案。目前我國(guó)是全球前十大光伏市場(chǎng)唯一位于“陽(yáng)光地帶”的地區(qū)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已擁有世界上最大規(guī)模的光伏發(fā)電能力。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟，光伏發(fā)電的成本將進(jìn)一步降低，太陽(yáng)能光伏發(fā)電無(wú)論從技術(shù)還是應(yīng)用角度都具備了走入尋常百姓生活的基礎(chǔ)。相信在不久的將來(lái)，綠色、節(jié)能、低碳的新生活必將走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

參考文獻(xiàn)：

[1]石定寰，中國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996 — 2010）[J].太陽(yáng)能，1995（3）：2-4.

[2]馮垛生.太陽(yáng)能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007，7.

[3]崔容強(qiáng)，趙春江，吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007，7.

[4]楊金煥.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[5]李鐘實(shí).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與維護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6]王長(zhǎng)貴，王斯成. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.