大型光伏并網發電系統方案設計

岳峰

摘 要：隨著光伏產業相關組件價格的不斷下降，以及國家政策的大力扶持，光伏并網電站的收益巨大。文章簡要闡述了光伏發電的原理以及光伏陣列的結構。為了提高發電效率，結合實際施工實例對太陽能子陣列進行了設計，進而對太陽能光伏并網系統的結構進行了分析。大力發展太陽能產業，不僅是能源結構調整的需要，而且也符合生態環境保護的訴求。

關鍵詞：光伏發電；光伏并網；光伏陣列

隨著以煤炭、石油為代表的傳統型化石能源儲量的日益減少，世界能源危機日益嚴峻，備受各國關注。在這種環境下，很多國家紛紛將目光轉向新型的能源。太陽能作為一種非常清潔高效的新能源，儲量巨大，于是各國紛紛往太陽能發電項目中投入巨資，推動了光伏產業的快速發展。我國地理遼闊，太陽能資源豐富，理論儲量約相當于為15 000億t/a的標準煤，而我國目前每年的煤炭消耗量約為37億t，可見太陽能利用市場潛力巨大[1]隨著光伏產業相關組件的價格不斷下降，以及政府的大力支持，我國的光伏產業呈現蓬勃發展的良好勢頭。在可以預見的將來，利用太陽能光伏發電將會在全球的能源結構中占據不可替代的重要地位。

1 光伏電池組件

光伏發電是利用太陽能電池組件將太陽輻射能直接轉換成可供電器設備使用的電能。當前光伏發電的組件多以硅為原材料，如單晶硅、多晶硅、非晶硅。單晶硅是3種之中轉換效率最高的，通常情況下，實驗室試驗的時候能夠達到25%，而企業和廠家規模化大生產的單晶硅板子要低于實驗制備的，但也還是具有15%的高效率。因此，高轉換效率必然導致單晶硅太陽能電池板很受開發商的青睞，銷量很高。但單晶硅成本較高，其推廣還有待于成本的大幅度降低。為了能大幅度降低光伏發電站的建設成本，開發能夠代替單晶硅的低成本化半導體電池板也就顯得勢在必行。多晶硅電池板的企業生產成本要比單晶硅低廉得多；而且多晶硅電池板對太陽能轉化的效率在試驗條件下轉化效率可達18%左右，在規模化的光伏電站上也可以達到l0%左右。鑒于其在價格和效率方面的諸多優勢，多晶硅薄膜電池已經在這個行業中占據著主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池具有密度低、重量輕、生產成本低等優點，但它的穩定性較差，勢必嚴重制約其在光伏電站中的實際使用。

太陽能電池單晶硅通常是P型，厚度約0.3-0.5 mm。單晶硅材料的上表面為N+型，這樣就使得P型單晶硅構成了一個PN+結。而且單晶硅的整個上表面還均勻覆蓋著減反射膜，用以減小電池表面對太陽輻射能的反射作用。

2 太陽能光伏陣列的設計

2.1光伏板陣列及子陣的結構及其特點

太陽能到達地球表面時的能量密度很低，要想獲得大量的太陽能能源，就需要用大面積的太陽電池方陣來采集太陽能。而單個太陽電池板的輸出電壓是有限的，輸出電壓不高，要想獲得所需要的電壓大小，就需要用一定數量的太陽電池組件通過串聯、并聯的方式連接起來，從而構成方陣[2]一個光伏陣列包含有多個光伏組件，組件的數目、組件之間的連接方式、組件所需要的電壓（或電流），以及每個組件的參數是由系統設計決定的。

2.2光伏子陣的設計

光伏發電站一般追求電站功率最大化，太陽電池陣列布置較大，為了節約場地，通常情況下需要前后排布太陽電池方陣，而且有些時候，光伏電站的附近還會存在較高的障礙物，會對太陽光的照射產生遮擋作用。這種情況下，就需要計算避免這種遮擋作用所必須的最小距離，不然的話就會使得某些電池板或者電池板的某些部分接收不到太陽光，從而在整體上降低了太陽能的利用效率。由于太陽高度角和方位角隨地理位置以及時間而變化，并沒有一個確定的值用以參考，通常情況下，為了簡便起見，前后方陣最小距離的計算原則是冬至當地平太陽時當天9：00至15：00太陽電池方陣不應被遮擋住。最小間距的計算示意如圖l所示。

根據方陣間距示意圖所示，可以推導出電池方陣間距D的計算表達式：

式中，D：太陽電池方陣間距；L太陽光線照射在遮擋物后，在其后面所產生投影的長度；H：前面遮擋物最高點與后面方陣底部的高度差；α：太陽高度角；β：太陽方位角；φ：當地緯度；δ：太陽赤緯角；Ω：時角，時角Q在每天中是連續變化的，每個小時的變化量為15。，并規定正午時刻時角Q為0。，上午正，下午為負。

于是，根據前后陣列最小距離計算原則，結合施工當地緯度，以及冬至日的太陽赤緯角和9：00至15：00時的時角，即可得到太陽光線照射到遮擋物后在其后面所產生的投影長度L然后再計算D的值。本文論述湖南某地大型地面光伏電站設計過程，根據以上計算方法可以得出湖南地區組件子陣前后間距為D=4 m，方陣系統傾斜角度為23。，方位角為0。，如圖2所示。圖2中所示的光伏組件，額定電壓36 V，額定功率為305W。

3 并網型光伏發電的組成

并網型的光伏發電屬于可逆流系統，可逆流系統的設計一般不需要考慮與負載的匹配問題。光伏發電是直流電，而通常情況下的工業和居民用電都是交流電，而且電壓和頻率都有嚴格的規定，這就需要將光伏電站的低壓直流電轉換成與電網同樣的標準[3]光伏并網發電系統主要包括光伏陣列、并網逆變器、控制器和繼電保護裝置等組件。 逆變器的主電路采用兩級并網結構模式。第一級逆變器的主要功能是將電站所產生的直流電變換成易于控制的直流電并且存儲到蓄電池中。第二級逆變器就是將直流電轉換成為交流電。在大型并網光伏電站建設中，可以采用多個逆變器并聯，這樣比較符合實際應用情況。 本次設計采用TP672P-305Wp規格多晶硅的光伏組件，每個子陣由40塊組件組成，分成兩個回路并聯，其中每個回路串聯20塊組件，采用分塊發電集中并網的方案。各發電組件的直流電匯集到逆變器，經逆變器逆變為380 V低壓交流電后，再送至升壓變壓器將電壓升至10 kV后輸送至電網，實現光伏發電的并網。

4結語

目前我國能源的主要來源來自于煤炭，而煤炭的儲量是有限的，如果經濟的發展過分地依賴于這種有限的資源，若干年后將資源枯竭。煤炭的燃燒還會對環境造成嚴重的影響，破壞生態環境，而且燃燒石化能源產生的固體顆粒物會進入人體呼吸道，危害人類身體健康。大力發展太陽能產業，不僅能有效調整能源結構，而且也符合生態環境保護的要求。

[參考文獻]

[1]何道清，何濤，丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M]北京：化學工業出版社，2012.

[2]袁曉，趙敏榮，胡希杰，等.太陽能光伏發電并網技術的應用[J]上海電力，2006 （4）：342-347.

[3]鄭志杰，李磊，王葵.大規模光伏并網電站接入系統若干問題的探討[J]電網與清潔能源，2010 （2）：74-76