任务2.1
光伏发电系统的总体设计

任务目标

1.能力目标

1）能画出光伏发电系统的实用设计流程图。

2）能阐述光伏发电系统的设计内容及设计时应考虑的问题。

2.知识目标

1）了解太阳能辐照量的计算。

2）理解光伏阵列方位角、倾角、最长连续阴雨天数和峰值日照系数的概念。

3）掌握光伏发电系统的设计内容和设计原则。

3.素质目标

培养学用结合、理论联系实际的优良学风。

相关知识

要建成一个高效、完善、可靠的光伏发电系统，需要进行一系列的科学设计，如系统容量设计、系统电气和机械设计等，任何一个环节考虑不周，都可能导致系统无法正常工作。

2.1.1 光伏发电系统设计的内容

一般来说，光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，其中软件设计先于硬件设计。

软件设计包括负载用电量的计算、光伏阵列辐照量的计算、光伏组件容量与蓄电池容量的计算及两者之间的相互匹配的优化设计、光伏阵列倾角的计算、系统运行情况预测和经济效益分析等内容。硬件设计包括光伏组件和蓄电池的选型、光伏阵列支架的设计、逆变器的设计和选型、光伏控制器的设计和选型、防雷接地与配电设备和低压配电线路的设计与选型等。

图2-2所示为离网光伏发电系统的设计内容。

2.1.2 光伏发电系统设计的原则

1.成本原则

对于离网光伏发电系统，要在充分满足用户负载用电的情况下，尽量减少光伏阵列及蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳组合。应避免盲目追求低成本或高可靠性的倾向，纠正片面强调经济效益、随意减小系统容量的做法。

2.科学原则

光伏发电系统和相关产品要根据负载的要求和当地的气象及地理条件（如纬度、太阳辐照量和最长连续阴雨天数等），进行专门的优化设计。

3.安全原则

设计光伏发电系统要考虑防雷接地、系统安全隐患等方面的问题。如对所有电气设备（包括光伏阵列、逆变器、接线箱和配电柜等）的金属外壳均应进行等电位连接，并连接到建筑物的接地体上。光伏发电系统直流侧应采用避雷器等手段来防止雷电的电磁感应和雷电侵入造成的过电压等。

4.可靠原则

并网光伏发电系统必须考虑与公共电网的完美结合与兼容。系统应采用高可靠性、高电能质量且技术成熟的并网逆变器，结合完善的保护措施来提高光伏发电系统的供电可靠性和输出电能质量，从而避免对公共电网造成负面影响。

5.高效原则

为了增加光伏阵列的输出能量，应尽量让光伏组件更长时间暴露在阳光下，且避免光伏组件之间互相遮挡以及被高大建筑物遮挡阳光。

6.可扩展性

随着光伏发电技术的发展，光伏发电系统的功能也越来越强大。这就要求光伏发电系统能适应系统的扩充和升级，光伏发电系统的光伏阵列应由并联的模块化结构组成，在系统需扩充时可以直接并联加装的光伏组件；光伏控制器或并网逆变器也应采用模块化结构，在系统需要升级时，可直接对系统进行模块扩展。

7.智能化

设计的光伏发电系统，在使用过程中应尽量减少人工操作，光伏控制器可以根据光伏组件和蓄电池容量的情况控制负载端的输出，所有功能都应由微处理器自动控制，还应能实时检测光伏发电系统的工作状态，实时采集光伏发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心，通过计算机分析，实时掌握设备的工作状态。若光伏发电系统工作状态发生异常，则应能发出故障报警信号，以便维护人员及时处理。

2.1.3 光伏发电系统设计考虑的因素

1.负载的特性和用电特点

离网光伏发电系统设计的第一项工作是了解负载特性和负载的用电特点。负载特性从以下方面考虑：①负载是直流负载还是交流负载，如是交流负载还要考虑逆变器的设计。②负载是冲击性负载（如电动机、电冰箱等）还是非冲击性负载（如电热水器、直流电灯等），如是冲击性负载，在容量设计和设备选型时，应留有合理余量。③从负载使用时间的角度考虑，仅在白天使用的负载，多数可以由光伏组件直接供电，不需要考虑蓄电池的配备；对于在晚上使用的负载，蓄电池的容量就是设计时应着重考虑的因素。

2.光伏阵列的方位角和倾角

光伏阵列的方位角是阵列的垂直面与正南方向的夹角（设定向东偏为负角度，向西偏为正角度），方位角和高度角如图2-3所示。一般情况下，光伏阵列朝向正南（即阵列垂直面与正南的夹角为0°）时，光伏阵列发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°时，光伏阵列的发电量将减少10%～15%；在偏离正南（北半球）60°时，光伏阵列的发电量将减少20%～30%。但是，在晴朗的夏天，太阳辐照量的最大时刻是在中午稍后，因此应将光伏阵列的方位稍微向西偏一些，以便在午后时刻获得最大发电功率。在不同的季节，光伏方阵的方位稍微向东或向西偏一些都有获得最大发电功率的时候。光伏阵列的设置场所会受到许多条件的制约，如果要将方位角调整到一天中负载峰值时刻与发电峰值时刻一致，可参考

方位角=（24小时制的一天中负载峰值时刻-12）×15+（经度数值-116）

对于地球上的某个地点，太阳高度角（或仰角）是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，从专业上讲，太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。

倾角是光伏阵列平面与水平地面的夹角，如图2-4所示。光伏阵列接收太阳总辐照量达到最大值（即光伏阵列一年中发电量最大）时的倾角，称为最佳倾角。根据几何原理，欲使阳光垂直射在光伏阵列上，则倾角应为

倾角=90°-高度角

离网光伏发电系统的最佳倾角按照可在最低辐射度月份让光伏阵列受到较大辐照量来选取。推荐让倾角在当地纬度的基础上再增加5°～15°，纬度越高的地区，增加得越多。可根据具体情况，如总体装机量、风压和雪压等因素，进行综合考虑或优化。

并网光伏发电系统的光伏阵列最佳倾角按照使全年发电量（或辐照量）最优来选取。倾角等于当地纬度时可基本使全年在光伏阵列表面上的太阳辐照量达到最大，因而全年发电量也最大。

光伏水泵系统的光伏阵列最佳倾角按照夏天发电量（或辐照量）最优来选取。倾角等于当地纬度减小5°～15°时可常使夏天在光伏阵列表面上的太阳辐照量达到最大，因而发电量也最大。

特殊情况：对于安装在屋顶上的光伏阵列，其倾角就等于屋顶的倾角；对于安装在建筑物正面的光伏方阵，其倾角等于90°。

以上所述为方位角、倾角与发电量之间的关系，具体在设计某一个光伏阵列的方位角和倾角时，还应进一步与实际情况结合起来综合考虑。

3.阴影对发电量的影响

一般情况下，在计算发电量时，是在光伏阵列上完全没有阴影的前提下的。因此，如果光伏阵列不能被太阳光直接照到，那么就只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影时要减少10%～20%。针对这种情况，要对理论计算值进行校正。如果阴影影响长期存在，除了影响发电量外，产生的热斑效应达到一定程度后，光伏组件上的焊点可能熔化并毁坏栅线，从而导致整个光伏组件的报废。

光伏发电系统设计之初，就要特别考虑地势差异，如远处的山脉、树木或建筑物可能存在的阴影，以及前后光伏阵列的间距可能带来的阴影等。在系统安装时要特别注意设备选型，同等条件下可以关注逆变器最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）路数，争取最大程度减少阴影带来的影响。系统安装完成后，要定期巡视光伏阵列，清洁、清除其表面及周边的各类固定遮挡物，切莫忽视遮挡带来的影响。

4.最长连续阴雨天数

最长连续阴雨天数是指需要蓄电池向负载维持供电的最长天数，也称为系统自给天数。在连续阴雨天气期间，光伏阵列几乎不能发电，只能靠蓄电池供电，因此，最长连续阴雨天数的大小直接影响蓄电池的容量。在考虑蓄电池容量时，必须考虑第一个连续阴雨天使蓄电池放电后，还没有来得及补充，就迎来第二个连续阴雨天的情况，系统要保证在第二个连续阴雨天内仍可正常工作。

确定最长连续阴雨天数的主要依据是光伏发电系统所在的地区的光照数据、负载规模、负载类型以及用户对供电可靠性的要求等。气候条件是决定最长连续阴雨天数的主要因素，调查和分析当地气候条件是非常重要的。设计时，通常取年平均连续阴雨（或无日照）天数作为依据。确定最长连续阴雨天数需要考虑的其他因素是负载规模、类型以及用户对供电可靠性的要求，还有系统的经济投入和成本。在连续阴雨天中，也不是在所有时间内均向系统的全部负载供电，在供电时间和供电对象上应有所选择，否则，蓄电池组的规模和投资将会大大增加。

对于非重要用户或带有风力发电机的光伏/风力互补系统，最长连续阴雨天数的选择范围为2～3天。对于没有备用电源的重要负载（如移动通信的设备电源），可定为5～7天。

2.1.4 太阳辐射的计量及峰值日照时数

1.太阳辐射的计量

在单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率，单位为瓦（W）；太阳投射到单位面积上的辐射功率称为辐射度或辐照度，单位为瓦/平方米（W/m ² ）。该物理量通常表征的是太阳辐射的瞬时强度。而在一段时间内，太阳投射到单位面积上的辐射能量称为辐照量，单位为千瓦时/[平方米·年（或月、日）]。该物理量表征的是辐射的总量，通常测量累积值。

对于太阳辐射的能量，在不同的资料中，有时可以看到不同的单位制，其换算关系为

1kW·h/m ² =3.6MJ/m ² =100mW·h/cm ²

在光伏发电的测量与计算中，最方便的单位应该取千瓦（kW）和千瓦时（kW·h），面积的单位尽量统一取平方米（m ² ）。对不同资料来源的数据要先换算再计算，从而避免许多计算错误。

2.峰值日照时数

要了解平均日照数和峰值日照时数，先要了解日照时间和日照时数的概念。

（1）概念

1）日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落的实际照射时间。

2）日照时数是指某个地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（一般以气象台测定的120W/m ² 为标准）时直到小于此辐照度所经过的时间。日照时数小于日照时间。

3）平均日照时数是指某地的一年或若干年的总日照时数的平均值。

4）峰值日照时数是将当地的太阳辐照量折算成标准测试条件下（1000W/m ² ）的时数，即一段时间内的辐照度积分总量相当于辐照度为1000W/m ² 的光源所持续照射的时间，其单位为小时（h）。如某地某天的日照时间是9h，但不可能在这9h中太阳的辐照度都是1000W/m ² ，而是无从弱到强、再从强到弱变化的，若把太阳的辐照量折算成1000Wh/m ² ，则这天的峰值日照时数就是3.6h。对光伏发电系统的发电量，一般都采用平均峰值日照时数作为参考值。

（2）换算 有关换算关系如下。

如果斜面辐照量的单位是MJ/m ² ，就有

式中 A ——倾斜面上的年总辐照量，单位为MJ/m ² ；

3.6——单位换算系数，1kW·h=1000×3600J=3.6×10 ⁶ J=3.6MJ。

例如：某地光伏阵列的年辐照量为6207MJ/m ² ，则年峰值日照时数为

6207÷3.6÷365=4.72（h）

任务实施

以项目3中的3.6kW离网光伏发电系统为例，画出设计流程图，并说明设计内容、思路及应考虑的问题。 GgP674P7/bOKZeQhjaNEit9wlUtqHW4991S9SoQZ8dbFDDdK8Fcx1S0zQD3pSEYO