太陽能光伏發電系統的設計與施工

閆 艷 張 雷

（山東省環能設計院股份有限公司，山東 濟南 250000）

0 前言

光伏發電是將太陽能作為原料，達到安全發電目的，并不會對環境造成過大影響，對我國經濟發展具有重要意義。而且，光伏發電價值得到社會認可，為了使光伏發電技術在未來得到進一步升級，有必要對其進行系統地剖析，使設計公開化，施工透明化，將綠色能源應用于經濟建設中。

1 太陽能光伏發電系統

1.1 工作原理

太陽能光伏發電系統，其是將光生伏打原理作為理論基礎，從而制備吸收太陽能，即可轉化成電能的太陽能電池，以規模化生產的一種發電系統。在白天，系統中所有光伏電池組件會吸收太陽能，讓半導體構成擁有相反極性的載流子，并讓其在靜電場內完成分離處理，進而被正負極充分聚集，并在外電路位置形成驅動設備運行的穩定電流，實現太陽能與電能轉化。產生電能部分會被外部負載消耗，驅動其運動，而部分電能則是以二極管為渠道，為蓄電池組件進行充電操作。如果是夜晚、雨天等情況，蓄電池則可以代替光伏電池，繼續為負載提供穩定電力。其構成主要由作為系統重要單元的光伏電池組件，通過光能吸收，利用光伏效應完成能源轉化；負責將系統生產電能儲存的蓄電池組，如果當天光照效果低下，或者負載實際需求要超過電池組件所供應電量，蓄電池組負責將電能釋放。多是通過串并聯蓄電池構成；控制器需要控制蓄電池組行為，設置合適充放電條件，并以負載實際需求科學管理光伏電池與蓄電對負載操作，確保光伏電池可以向負載提供最優功率；逆變器負責將光伏電池生產電流，或者蓄電池釋放電流，從直流形式轉化成交流，從而讓負載獲得最佳運行效果。

1.2 特點

該發電系統以應用形式、規模等，可以劃分成若干類型，例如僅擁有小功率的直流負載，在一些偏遠地區可以有效解決家庭照明的小型系統；光伏電池生產直流電，通過逆變器處理后，形成在市電電網規范下交流電，從而為公共電網提供穩定電力的并網系統。在這種情況下，生產的所有電能除了交流負載會有少量消耗，大多數電力都會以反饋方式輸送到電網中；并網混合系統則是將光伏電池、市電等多種電力來源綜合利用，保證城市生產生活可以獲得穩定電力供應，即使在市電故障時，也可以通過光伏電池維持正常供電。而這種發電系統相較于化石能源也有較強特點，因為生產原來為太陽能，不會出現化石能源枯竭問題。同時，其生產具有安全性，不會嚴重影響環境。在陽光充足地區可以獲得最佳發電效果，即使在一些太陽能不充裕地區，也可以使用該發電系統作為電力補充應用。整體建設速度較快，在投入應用后也可以獲得源源不斷能源。可是，其缺點也是圍繞太陽能展開：我國疆域遼闊，導致太陽光在我國存在地理位置差別情況，而且太陽能會在四季交替產生變化，能源生產相對不穩定，現在造價成本較高。

1.3 應用案例

該發電系統現在已經廣泛應用于社會各個領域，包括但不限于加油站、風景區等。而通過其大面積應用，也要讓人們生活質量穩定提升，經濟綠色發展。最典型的加油站是上海世博園區附近的太陽能加油站。為提升系統安全性，選擇C1D2防爆裝置。而其發電系統可以實時監測加油站當前負載情況，完成供電系統與市電自動切換，保證加油站可以高效應用，減少市電使用量。應用該發電系統，加油站每年可以減少超過3萬kW·h耗電量，4年經濟效益超過4萬元；而且，在北京地區，當地政府對風景區路燈也全面采用發電系統，將原本連接市電路燈更換為太陽能路燈，以每晚提供8h照明計算，每盞路燈每天可以減少4kW·h用電，而以9000盞路燈提供一個風景區夜間供電，每年可以減少超過1 200萬kW·h耗電量[1]。可以讓北京地區用節約力度投入其他行業生產，穩定提升經濟效益。

2 太陽能光伏發電系統的設計

2.1 收集數據與組件選型

在設計該發電系統時，一定要對施工現場具體數據信息達到全面收集，包括所處地理的經緯度，所在位置實際海拔。并于當地氣象局提取氣象資料，內容包括一年不同月份太陽輻射情況、年平均氣溫、年均日照，關注當地是否有冰雹特殊氣象，降雪情況等，保證為光伏發電鋪墊前期道路，提升實際發電質量；單晶硅擁有較高能量轉化效率，市面常見電池會擁有約15%轉化效率，而且生產電力具有較強穩定性能，占據空間較同小，可以要額外投入前期采購成本。而多晶硅則會擁有約13%至15%的轉化效率，并于后續使用中不斷產生發電衰減，降低太陽能轉化效率，可是采購成本相對低廉。2種組件有長達25年使用壽命，而功率衰減則低于15%；最常見的并網光伏，其效率受到光伏陣列與逆變器使用效率共同影響。對光伏陣列η1，即光伏陣列于1000W/m2的太陽輻射條件下，直流輸出和標稱2種功率之比。而光伏陣列會于太陽能轉化為電能產生一定程度損失，例如組件匹配、部分難利用輻射損失、在運行條件下的溫度影響等，所以，在轉化效率中多選擇85%作為標準展開計算。而逆變器：則是逆變器向外輸出交流實際電功率和向內輸入的直流功率之比，多以95%效率進行設計。所以，系統實際發電效率如下[2]。

2.2 電池組件與蓄電池組

對電池組件，要可以滿足基本用電需求。所以，針對電池組件，需要并聯數量可以整理為公式（1）。

對蓄電池組，需要保證即使在外界太陽光照多日低于系統運行平均值，依舊可以保持正常輸出電力。所以，其容量可以整理公式（3）。

根據當地太陽光照實際情況，整理蓄電池組所需容量，由此判斷需要多少單體蓄電池，通過并聯獲得所需容量。而蓄電池在并聯時會出現一定程度的相互影響，需要采用必要手段減少這種不平衡影響，所以并聯數量可以控制在4組以下。現在常見發電系統多使用2個蓄電池組并聯，即便一組因自身運行因素或者外界影響，可以將該組斷開維修，啟動另外一組，維持系統正常運行[3]。

2.3 安裝傾角

對系統設計，需要保證電池組件在當地環境下以最佳傾角進行安裝，從而發揮最大能源轉化效率。而最佳傾角實際計算相對煩瑣，在過去以當地緯度作為傾角情況使用，也可以在這種傾角選擇基礎上繼續擴大15 °～20 °。而我國近些年在信息技術方面得到世界級突破，讓各個領域都可以獲得迅猛發展，在光伏發電也有較強應用。行業專家借助計算機技術已經完成部分城市地理研究，將電池組件安裝傾角充分整理，已經廣泛應用于安裝作業中。例如北京的北緯?39.8°，其最佳傾角就是在?基礎上，增加4°；而上海的北緯31.17°，最佳傾角則為?+3°。在我國太陽能最充足，也是光伏發電應用最廣泛的烏魯木齊，其在北緯43.78°，最佳傾角則為?+12°[4]。

3 施工要點分析

3.1 建設順序

在光伏發電建設中，需要先落實支架基礎設計，即確定光伏仿真，用于維護測量設備；再完成選型設計，通過監控測量系統，選擇合適的直流接線箱；選擇要具體到控制器，要求其和蓄電池產生相互關系，達到相互制約目的；最后完成逆變器、交流配電柜等設計與選擇，保證發電系統在后期可以高效生產，可以利用圖1表示該建設順序[5]。

圖1 太陽能光伏發電系統建設順序

3.2 支架基礎

光伏發電的方陣基座，一般會通過混凝土澆筑建成。所以要保證基座和地面之間高度符合建設規劃，合理控制水平偏差。使用地腳螺栓對基座充分固定，避免其在后續應用中產生松動，影響正常使用[6]。而螺栓地下埋設和地面漏出都要以設計規范為標準，避免對基座造成不良影響。混凝土澆筑后，要經歷5天養護，使用草簾對其充分包覆，通過灑水保證其表面濕潤。待混凝土具有符合使用標準的凝固強度，繼續機架安裝工作。對支架安裝要額外注意以下內容：1）嚴格控制機架方位角，確保傾斜角和設計需求相吻合；2）安裝機架時，需要保證其底部每米的水平度誤差小于3mm。如果實際水平度已經超過該范圍，需要通過增加墊鐵，對機架調平處理；3）機架固定位置，要保證其表面平整，無坑洼、凸起等情況，避免在后續應用中造成電池片受損；4）機架固定位置還要增設防松墊片，確保機架和混凝土在連接時擁有較高可靠性；5）如果發電系統內有對日跟蹤電池方陣，需要以一個月或半個月的固定時間，對跟蹤裝置展開細致檢查，保證裝置在應用時擁有良好向日能力，提升發電系統綜合素質；6）機架和地面夾角可以選擇固定于某個角度，減少后續誤差影響。而季節發生變化，會讓太陽光發生變化，也可以根據這種情況做好調整工作，保證面板可以獲得最大限度陽光接受，提升每天光照時間，從而穩定提升發電效率[7]。現在我國新疆地區就是通過計算機技術，以天為單位，通過整理其他設備對太陽光變化收集數據信息，采用自動化方式調整面板，讓每天發電效率達到最大化。

3.3 組件安裝

對組件安裝，需要注意以下內容：1）展示進入安裝前，要求以組件參數完成實際測量，對所有組件都要進行徹底檢查，保證參數與設計需求相符合，提升應用效果，并對組件在開路情況的電壓與短路情況的電流經過計算獲得，方便以后進一步優化組件使用；2）如果擁有相似工作參數組件，建議安裝于相同方陣內，保證發電系統可以獲得最佳發電效率[8]。而且這種相似工作參數組件在實際應用中也可以獲得協同效應，讓方陣穩定轉化太陽能；3）對面板安裝時，要額外注意移動與安裝時要輕拿輕放，避免出現人為性磕碰，保證面板無傷投入應用，提升組件生產效率；4）如果面板和下面的固定機架在安裝時不緊密，則要利鐵片墊平，確保兩者可以獲得良好連接程度；5）安裝面板時，需要通過預安裝方式完成邊框連接，并注重螺絲連接緊密度，避免過松過緊情況發生，并以使用規范在擰緊后，略微進行放松，保證螺絲使用質量；6）組件在機架進行安裝時，要保證兩者擁有平整性，并要求組件和機架可以超過8mm間隙，方便組件散熱，避免因機架阻隔，組件散熱不均勻，影響其正常使用；7）有關面板一些設備，例如接線盒，需要做好防雨保護，如果當地存在氣溫過低情況，則要進行防霜保護，保證面板使用質量[9]。

3.4 線纜布設

對發電系統的線纜布設，要先完成室外連接，再將線路移動至室內完成布設，并先落實簡單布設內容，再完成復雜布設，避免因人為因素產生難以察覺問題，影響布設質量，方便及時處理問題，提升線纜使用質量。而且，線纜布設還要注意以下內容：1）對墻、支架等產生鋒利銳角，在其邊緣布設要注意電纜保護，避免在移動線纜時被銳角劃破保護層，影響后續使用質量；2）電纜布設一定要關注其走向，避免發生線路過于混亂，影響其使用質量，做好固定工作，預防后續線纜移動，對面板產生牽引，造成面板破壞。也要關注線纜布設保持良好松緊度，避免出現過緊過松情況，提升后續使用安全性；線纜接頭位置要注意保護效果，避免接頭位置產生氧化，降低線纜連接質量，關注其穩定性，避免因脫落降低線纜傳輸效果；如果饋線與回線位于同一電路，則要讓兩者有效絞合，減少線纜在系統投入使用后產生的電磁干擾，提升線纜使用安全性。

3.5 防雷防護

在該發電系統中，外界環境會影響其應用安全性。所以，為避免雷暴天氣因雷擊對器件造成損壞，對系統產生不可逆轉影響，需要額外增加防雷接地安全設備，保證發電系統在投入使用后穩定。地線作為避雷防雷重要角色，可以在配電室建設時，在電廠周邊挑選擁有較厚土層，土壤保持潮濕狀態位置，下挖1 m～2 m，用于埋線的線坑，可以使用降阻劑為地線提供良好運行條件，而引出線建議選擇35mm的銅芯電纜，確保實際接地電阻低于4Ω；對直流側防雷，需要保證電池支架在設計與后續作業可以擁有良好接地效果。可以將電池陣列和電纜相互連接，并接到防雷機柜中，利用機柜內部的防雷器裝置，為系統提供多重防雷保護，從源頭上避免系統在雷暴天氣下，因雷擊導致設備損壞，提升發電系統安全性。

4 結論

我國能源正處于重大變革時代，需要利用太陽能取代過去化石能源帶來電力資源。而光伏發電綜合能力經過多年的發展，使我國成為世界研究太陽能應用最具有潛力的國家。雖然當前光伏發電造價高昂，許多核心科技仍被掌握在以美國為代表的發達國家，但是在我國各類企業迅速發展的當下，配合政府引導與資金支持，未來具有自主研發能力的技術將會逐漸提升，會讓光伏發電逐漸覆蓋社會各個領域，全方位推動經濟健康發展。