太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與安裝要點探究

徐艷

（南京城鎮(zhèn)建筑設(shè)計咨詢有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在進行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中，需結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行特點及建筑性質(zhì)特點，研究設(shè)計不同組成部分，對于太陽能電池組件布置、逆變系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備安裝、系統(tǒng)的防雷及接地裝置、系統(tǒng)的連接電纜及防護材料以及監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)化設(shè)計。設(shè)計的同時需要做好各部門之間的溝通和交流，共同商討設(shè)計和安裝的方案，不斷創(chuàng)新當前的設(shè)計模式，提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效利用率，提高當前的實際效果。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述

1.1 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電分為三種：孤網(wǎng)發(fā)電（需要配置蓄電池儲能）；并網(wǎng)發(fā)電（不使用蓄電池，直接與公用電網(wǎng)并接）；微電網(wǎng)發(fā)電（可并網(wǎng)也可孤網(wǎng)運行）。獨立式發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏組件（太陽能光伏面板）、控制器、蓄電池、逆變器等構(gòu)成；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件（太陽能光伏面板）、匯電箱、并網(wǎng)逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)和雙向電能計量裝置組成；太陽能微發(fā)電包含了太陽能控制器和蓄電池。

首先太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件為重要的組成部分，也是光電能轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)設(shè)備，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池要通過陽光照射之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆姷陌雽?dǎo)體，再根據(jù)半導(dǎo)體所產(chǎn)生的光伏效應(yīng)將陽光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽l(fā)出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)成交流電輸送到電網(wǎng)。光伏電池還可以通過激發(fā)少數(shù)載流子來進行發(fā)電，在生產(chǎn)過程中不會出現(xiàn)任何的化學(xué)反應(yīng)，也不會出現(xiàn)任何的機械耗能，屬于高效率的產(chǎn)業(yè)模式。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用時也不會產(chǎn)生較為嚴重的噪聲，多方位地滿足當前環(huán)境保護的要求[1]。在光伏發(fā)電中主要是對電池方陣進行功率的輸出以及控制，并且在整個過程中需要合理地管控能源的消耗量，緩解不同的干擾性因素，以及失真的狀態(tài)發(fā)生程度等等。通過技術(shù)之間的相互協(xié)調(diào)，逐漸提高整體的發(fā)電效果，以此來推動實際工作順利進行。并網(wǎng)發(fā)電一般都是白天使用，晚上依然用電網(wǎng)電量。加上儲能（蓄電池）以后晚上就可以用儲能系統(tǒng)繼續(xù)放電。隨著光伏“棄光限電”現(xiàn)象嚴重，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)電力輸出的波動較大等因素，對可再生能源的利用及推廣限制日益嚴重后，在并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)中配置儲能已成為目前大規(guī)模儲能系統(tǒng)的方向之一。

1.2 項目案例

（1）基本概況。空港新動能（高）標準廠房建設(shè)項目一期占地面積26371.10m2，約40畝，總建筑面積47442.95m2，二期規(guī)劃用地面積83064.31m2，總建筑面積208493.44m2，按土地規(guī)劃條件及業(yè)主設(shè)計目標，項目擬采用單晶硅光伏組件和儲能站。

（2）平面布置設(shè)計。本項目屋面有大面積可設(shè)置光伏面板區(qū)域，為光伏系統(tǒng)提供了有利條件，經(jīng)過光伏面板的布置設(shè)計，經(jīng)計算光伏安裝容量為1125kW，儲能為2000kWh/A。光伏布置詳見圖1及圖2。

（3）儲能設(shè)計。本次設(shè)計兩套250kW/1000kWh的儲能預(yù)制艙系統(tǒng)，分別放置于一期、二期，每套占地20m2左右。一套全系統(tǒng)重量約為18噸，每天充放電約2000度電。每天峰谷價差（峰1.03元，谷0.3元）收益按0.7元/kWh計算，可獲利1400元，一年可獲利51萬元。一套系統(tǒng)250萬元成本，約需要5年收回成本，系統(tǒng)全生命周期為10年，最終單套系統(tǒng)獲利250萬元，兩套獲利500萬元。系統(tǒng)為智能維護設(shè)計，自動化監(jiān)控系統(tǒng)能夠保障10年安全穩(wěn)定運行[2]。

（4）發(fā)電量統(tǒng)計。根據(jù)江蘇省年平均日照量和日照數(shù)，同時考慮附近其他的建筑物遮擋問題，本工程的首年發(fā)電量約為119.7萬度，見圖3；2025年預(yù)估總發(fā)電量2722.06萬度，年平均發(fā)電量108.88萬度，見圖4。

（5）造價及收益。按照該項目一期二期太陽能光伏總的裝機容量1.125MW，工期約6個月，造價約為562萬元。儲能2MWh，工期約2個月（含一個月工廠生產(chǎn)），造價約為500萬元。其中本項目選擇主要設(shè)備為太陽能電池板（545W）、逆變器（100W，AC400V）、交流匯流箱（4進1出）、支架（鍍鋅鋼）、并網(wǎng)柜（2進1出）、計量柜（計量表，并網(wǎng)斷路器，失壓跳閘模塊）等。按照100%全額消納，本項目靜態(tài)回收期6年，25年總收益約為1343.44萬元，如圖5所示。

2 項目總結(jié)

2.1 科學(xué)地選址

在進行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工作中，要利用現(xiàn)有的建筑條件及地勢條件科學(xué)選址。太陽能光伏發(fā)電站對周邊環(huán)境要求較高，因此在實際工作中需要先進行科學(xué)的選址，為后續(xù)系統(tǒng)運行提供必要性的保障。例如，在實際設(shè)計時要結(jié)合當?shù)氐墓庹諚l件，保證有充足光照照射在太陽能板上，達到良好的發(fā)電效果，同時還需要遠離容易發(fā)生自然災(zāi)害的區(qū)域，地勢要平坦，避免由于自然因素而對系統(tǒng)運行造成一定的影響。此外，在太陽能光伏發(fā)電站周邊不要有較多的遮擋，要盡可能地選擇非常寬闊而光照充足的區(qū)域，從而提高整體的設(shè)計效果[3]。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計

發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要的組成部分，有助于促進系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，所以在實際工作中需要更加精準地完成發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計，為后續(xù)的使用提供重要的基礎(chǔ)。在實際工作中需要羅列出當?shù)靥柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)的負載率，確定負載大小以及耗電情況，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)地選擇對應(yīng)的蓄電池容量，不斷優(yōu)化當前的設(shè)計模式。同時還需要計算出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流，了解太陽能光發(fā)電的最佳電流匹配度，之后再羅列出不同的方陣電壓，確定系統(tǒng)的功率特點和運行特點等，不斷完善當前的設(shè)計模式[4]。另外在進行方陣功率設(shè)計時，要配合增加串聯(lián)的方式，通過并聯(lián)整理方式來得出最終數(shù)值，從而使發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計效果能夠得到全面的提高。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝要點

3.1 支架基礎(chǔ)安裝

常用的布置方式包含：當?shù)氐淖罴褍A角、單軸跟蹤方式、雙軸跟蹤方式。根據(jù)國際、國內(nèi)光伏電站的運行經(jīng)驗，在太陽電池性能等同等的條件下，一般方陣平單軸安裝方式的發(fā)電量約是固定式安裝方式的1.1～1.2倍，成本約為1.05～1.2倍；方陣雙軸跟蹤安裝方式的發(fā)電量約是固定式安裝方式的1.3～1.4倍，成本約為1.15～1.35倍。采用固定式安裝，這種布置方式的優(yōu)點是支架系統(tǒng)簡單，安裝方便，布置緊湊，節(jié)約場地，綜合考慮電站的可靠性和經(jīng)濟性[5]。在實際支架安裝時要特別注意方陣基架的方位角和傾斜角均要滿足設(shè)計的規(guī)范及要求，同時還需要將底部的水平度控制在三毫米范圍之內(nèi)。如果水平度超出預(yù)定值時，可以利用墊鐵來進行調(diào)平操作，和設(shè)計方案進行相互的協(xié)調(diào)，提高整體的安裝效果。在獨立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)機電安裝時期，表面要盡可能地平整，避免對電池內(nèi)部造成一定的損傷。另外基架和地面的高度也要根據(jù)季節(jié)的變化來做出科學(xué)調(diào)整，從而使太陽能面板能夠獲得充足的接收面積和光照時間，提高整體的發(fā)電效率。

3.2 組件的安裝

在進行這一部分安裝時，需要特別注意每一個組件的質(zhì)量，要在安裝之前先進行參數(shù)的檢查以及測量，保證參數(shù)符合相關(guān)要求之后，再測量出太陽能組件的開路電壓以及短路電流，不斷地完善當前的安裝模式。在工作參數(shù)設(shè)定方面要在統(tǒng)一方針中以提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的方陣發(fā)電效率為主，更加有序地實施當前的安裝模式。在太陽能面板安裝中，要盡可能避免磕碰，可以采取相對的防護措施來達到良好的安裝效果。太陽能面板和固定基架的配合如果出現(xiàn)不緊密的情況，要使用鐵片來進行墊平操作，從而使兩者之間的連接性能夠得到全面的提高，滿足后續(xù)的應(yīng)用要求以及標準。在面板安裝時，需要在面板邊框上進行預(yù)制安裝，連接不同的組件，在使用螺絲時需要特別注意其中的緊密度，并且還要按照使用的標準進行放松工作，遵循靈活性安裝原則，提高整體的安裝效果。在太陽能組件安裝到基架時，要盡可能地保證安裝的品質(zhì)，并且安裝上的太陽能組件和機架之間的空隙率要大于8毫米左右，從而使太陽能組件的散熱能力能夠得到全面的增強。太陽能的面板安裝要注意防水和防霜，采取更加科學(xué)的保護措施，防止對后續(xù)使用造成一定的損傷[6]。

4 結(jié)論

通過上述工程案例及總結(jié)，本文分析了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)在建筑中的具體系統(tǒng)設(shè)計及安裝，并進行了發(fā)電量、造價及收益率的分析。太陽能光伏與建筑的結(jié)合在不斷進步，光伏建筑一體化設(shè)計（BIPV）也在不斷地發(fā)展中，在中國建筑節(jié)能40年的歷程基礎(chǔ)上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將面臨著巨大的市場及廣闊的發(fā)展前景。