太阳能光伏发电系统建设与运营

模块三模块三 太阳能并网光太阳能并网光伏发电系统伏发电系统太阳能光伏发电系统建设与运营太阳能光伏发电系统建设与运营n书名：书名：太阳能光伏发太阳能光伏发电系统建设与电系统建设与运营运营n书号：书号：978-7-111-53873-8n作者：作者：梁梁栋栋n出版社：机械工业出出版社：机械工业出版社版社情境一情境一 几种光伏并网电站介绍几种光伏并网电站介绍n一、一、光伏电站按照运行方式可分为独立光伏电站和并网光伏电站。n太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统一般由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成.主要优点n太阳能光伏发电是一种具可持续发展理想特征的新能源发电技术，其主要优点有以下几点：n1)太阳能资源取之不尽，用之不竭。n2)太阳能资源到处可得，可就近供电。n3)太阳能光伏发电的能量转换进程简略。n4)太阳能光伏发电自身不燃烧燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质。n5)光伏发电系统还可以很便利的与修建物整合。n6)太阳能光伏发电无机械传动部件，操作、维护简略，运行可靠。n7)太阳能光伏发电系统运行可靠、稳定，运行寿命长。n8)太阳能电池组件构造简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。二二.光伏建筑一体化光伏建筑一体化1光伏建筑一体化分类光伏建筑一体化n简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑物的组合方式，通常分为两类。第一类是光伏方阵与建筑的结合，称为BAPV。第二类是光伏方阵与建筑的集成，称为BIPV。2.光伏建筑一体化的特点：n能够满足建筑美学的要求；n能够满足建筑物的采光要求；n能够满足建筑的安全性能要求；n能够满足安装方便的要求；n能够具有寿命长的优势；n具有绿色环保的效果；n无需占用宝贵的土地资源；n能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能；n降低墙面及屋顶的温升。3.光伏建筑一体化存在的问题n太阳能光伏建筑一体化存有几大问题：n1）造价较高n2）成本高n3）不稳定4.光伏建筑一体化的形式（1）平屋顶n1）可以按照最佳角度安装，获得最大发电量。n2）可以采用标准光伏组件，具有最佳性能。n3）与建筑物功能不发生冲突。n4）光伏发电成本相对最低,从发电经济性考虑是的最佳选择。（2）斜屋顶n1）可以按照最佳角度或接近最佳角度安装，因此可以获得最大或者较大发电量。n2）可以采用标准光伏组件，性能好、成本低。n3）与建筑物功能不发生冲突。n4）光伏发电成本相对最低或者较低，是光伏系统优选安装方案之一。（3）光伏幕墙光伏幕墙 n 光伏幕墙要符合BIPV要求。除发电功能外，其力学、美学、安全等要满足幕墙所有功能要求；光伏幕墙要与建筑物同时设计、施工和安装，其工程进度受建筑总体进度制约；光伏阵列安装一般根据建筑物的结构、朝向，往往都偏离最佳安装角度，所以其输出功率偏低，发电成本高；光伏幕墙降低建筑能耗，为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。（4）光伏天棚n 光伏天棚要求透明组件，组件效率较低；除要求具备发电功能及透光功能外，天棚构件要满足一定的力学、美学、结构连接等建筑方面要求，组件成本高；发电成本高；为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。5.BIPV设计时应把握的要点（1）光伏组件性能 n 作为普通光伏组件，满足抗阵风安全系数3，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。n用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求.n但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点、不同的楼层高度以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。（2）建筑的美学要求 n BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，建筑物对光影要求甚高。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。n一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。（3）结构性能配合n 在设计BIPV建筑时，要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。6.光伏建筑一体化的发展方向n中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，BIPV因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。n太阳光发电是21世纪科学技术的前沿阵地预计到2020年，全国将建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量100万kW。nBIPV作为庞大的建筑市场和潜力巨大的光伏市场的结合点，必将存在着无限广阔的发展前景。7.未来研究重点n建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70%。建筑供能的应该将主动式与被动式相结合、太阳能与常规能源相结合。n随着新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，太阳能光伏建筑一体化越来越成为太阳能应用发电的新潮流。三、分布式光伏电站三、分布式光伏电站n分布式光伏电站通常是指利用分散式资源，装机规模较小的，布置在用户附近以用户侧自发自用、多余电量上网为运行方式的发电系统。它一般接入低于35kV或更低电压等级的电网。n目前应用最为广泛的分布式光伏电站系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。1.分布式光伏电站的发展趋势n光伏建筑一体化应用，应当是分布式光伏应用的重点。n发展分布式光伏发电应用是启动市场、消化产能、实现战略转型、拉动整个光伏产业的关键所在。n各项政策出台都充分体现了这种国家意志和政策精神。（1）分布式重点是光伏建筑n 光伏建筑一体化应用的重点，应当是阳光最好的屋顶。n从投资角度分析，屋顶光伏应用很重要的一个原则是鼓励“自发自用、余电上网”。n工商企业屋顶由于企业本身经营情况存在着好坏差异，只有高能耗、电价较高、持续性经营能力强的企业最适合实施屋顶发电项目。n公建和民居屋顶应当可以成为光伏建筑一体化应用的重中之重，包括光伏发电进家庭和社区、送光伏下乡进村等，空间巨大。光伏应用发展的未来在“一高三低”。n“一高”，是指高光电转换效率的材料。n“三低”，就是在光伏产品终端应用上应当符合三个原则，即低空间资源成本、低输变电成本、低安装使用维护成本，家家户户使用屋顶光伏是最符合这三个原则的。n满足“一高三低”，家家户户用光伏瓦和光伏墙来建造自己的房屋将成为普遍趋势。2分布式光伏电站对现有电网的影响n1）对电网规划产生影响。n2）不同的并网方式影响各不相同。n3）对电能质量产生影响。n4）对继电保护的影响。情境二情境二 光伏并网电站几个必备概念光伏并网电站几个必备概念一、最大功率一、最大功率n对于一个已设定地理位置和容量的光伏电站而言，确保光伏方阵总能获得阳光的直射的安装方式，对整个系统的发电效率影响非常大。n在电站装机规模和安装地点确定的前提下，如何选择光伏阵列安装位置及角度，使之尽可能获取最大发电量，就成为提高整个电站投资受益的先决手段。二、最佳倾角二、最佳倾角n光伏阵列安装方式分为跟踪支架式和固定支架式。n跟踪支架式有单轴跟踪、双轴跟踪、斜轴跟踪等方式，即其角度始终面对太阳方位。n合理设定支架位置和角度是提高光伏电站效率具有重要意义。n所有支架位置的选择首要的是要使阵列面避开阴影、合理间距，固定光伏阵列角度调整有方位角与倾角。1.光伏方阵方位角的选择n太阳能光伏方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。n一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30度时，方阵的发电量将减少约1015；在偏离正南（北半球）60时，方阵的发电量将减少约2030。n方阵垂直面与正南的夹角为0（北半球）时，才能获取年平均最大辐射能量，在此种情况下，获得年平均最大发电量。n只要在正南20之内，都不会对发电量有太大影响，在偏离正南30时，方阵的发电量将减少约10%15%；在偏离正南60时，方阵的发电量将减少约20%30%。2.太阳电池倾角的选择n最理想的倾角是使太阳电池全年发电量尽可能大，而冬季和夏季发电量差异尽可能小时的倾斜角。n不同类型的太阳能光伏发电系统，其最佳安装倾斜角是有所不同的。若是按冬天时能得到最大发电量的倾斜角确定，其倾斜角应该比当地纬度的角度大一些；若是夏季光伏发电系统为负载供电，则应考虑夏季为负载提供最大发电量，其倾斜角应该比当地纬度的角度小一些。n如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可以根据当地纬度粗略确定太阳电池的倾斜角：n1）一年四季发电量要求基本均衡的情况，按表3-1方式选择组件倾角：n2）在我国大部分地区通常可以采用所在纬度加7的组件水平倾角。n对于要求冬季发电量较多情况，可以采用所在纬度加11的组件水平倾角。n对于要求夏季发电量较多情况，可以采用所在纬度减11的组件水平倾角。n如需精确数据，可采用专用光伏设计软件分析。光伏发电系统所处纬度光伏组件水平倾角纬度025倾角等于纬度纬度2640倾角等于纬度加510纬度 4155倾角等于纬度加1015纬度55倾角等于纬度加1520三、光伏方阵间距设计三、光伏方阵间距设计n光伏方阵前后两排间距或与前方遮挡物之间的间距设计，固定式布置的光伏方阵在冬至日当天太阳能9：0015:00不被遮挡的间距如图3-5所示：n n光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。n 设D为前后间距，则其计算公式为：nD=0.707H/tanarc sin(0.648cos0.399sin)情境三情境三 光伏并网设备光伏并网设备一、太阳能电池组件一、太阳能电池组件n太阳能电池组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。n未来10年晶体硅太阳能电池其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池会有巨大的发展空间。n目前已进行研究和试制的太阳电池，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳电池，举不胜举.二、光伏汇流箱二、光伏汇流箱n1光伏汇流箱的介绍（1）光伏汇流箱的作用n汇流箱是指用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱，在光伏汇流箱内汇流后，通过直流配电柜，光伏逆变器，交流配电柜等配套使用，从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。（2）光伏汇流箱的组成n 监控。主要分为两种：一个是检测单元；另一种是主控板件。n塑壳断路器。塑壳断路器应为4P的直流断路器。n 熔断器。熔断器俗称保险丝，是熔座和熔断体组合而成。n防雷器。防雷器也叫浪涌保护器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通信线路提供安全防护的电子装置。n其他还有箱体、电力电缆、接地线、接线端子、汇流排等。n-为汇流箱中的电气配置，而电气配置在整个汇流箱为汇流箱中的电气配置，而电气配置在整个汇流箱中是最关键的，如果选型不当或者产品质量不过关很容易中是最关键的，如果选型不当或者产品质量不过关很容易造成汇流箱不能正常运行，或者彻底烧毁。造成汇流箱不能正常运行，或者彻底烧毁。（3）光伏汇流箱的分类n 汇流箱有4路、8路、12路、16路标准规格型号，可接入4路、8路、12路、16路太阳能电池串，每路电流最大可达10A。汇流箱另有带监控和不带监控选配。2光伏汇流箱基本工作原理n太阳能电池阵列将太阳光能转化为电能后，以直流形式输入汇流箱。上图“a+”、“b+”和“a-”、“b-”分别是a、b两路直流电的正、负极输入。在汇流前，我们将a、b两路直流电的正极各加上一个光伏直流专用二极管。a、b两路直流电经过汇流箱汇流后，输入到光伏逆变器进行逆变，将直流电逆变为与电网同幅、同频、同步的交流电，然后并入电网，或直接供给负载使用。3.光伏汇流箱的防雷设计n在汇流箱直流输出部分并联了一个光伏直流专用的雷击浪涌保护器（即防雷器）。一旦发生雷击，浪涌保护器会迅速将过大的电能泄放掉，保证电能的稳定输出，保护汇流箱不受雷击损害。n雷击浪涌保护器将直流输出正、负极通过热脱扣器和压敏电阻接地。正常工作时，压敏电阻呈现高阻状态。系统一旦受到雷击，电路里会产生一个很大的电压值，这时压敏电阻阻值迅速下降，电路正、负极与地导通，起到迅速泄放过大电能的作用。当过大电能泄放后，电压恢复正常，压敏电阻又恢复到高阻状态4.光伏汇流箱的状态监控n光伏汇流箱内可配置监控模块，通信协议采用标准MODBUS协议。n光伏汇流箱作为光伏发电系统中的关键部件，主要用于连接太阳能电池组件与并网逆变器或控制器，减少光伏组件与并网逆变器或控制器之间连线，起到提高系统的可靠性、可维护性的作用。工程中光伏汇流箱的选择n主要考虑：n1）选择汇流路数，每一路最大直流输入电压、电流不能超过所选汇流箱的规定范围，一般情况下每路接入组件串开路电压值可达900V；再考虑汇流箱的使用环境，如果是户外则要求其防护等级。n2）对不装组件串过流保护的汇流箱，光伏方阵反向电流额定值应大于可能发生的反射电流，直流电缆的过载能力应能承受来自并联组件串的最大故障电流，即不小于1.25Isc(STC).n3）对于装有过流保护装置的汇流箱，组件串过流保护应不小于1.25 Isc(STC)。n4）对装有隔离二极管的汇流箱，隔离二极管的反向电压应不低于标准测试条件下开路电压Uoc(STC)的2倍。三、逆变器三、逆变器（inverter）n1.逆变器的主要技术性能及评价选用n（1）额定输出电压 在规定的输入条件下，逆变器应输出的电压值，电压波动范围一般为：单相220V11V，三相380V19V。n（2）输出电压的不平衡度 我国规定，电力系统的公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。n（3）输出电压的谐波电压含有率 正弦波逆变器，在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量应10%。n（4）额定输出频率 标准值为工频50Hz。正常工作条件下应不超过50.5Hz。n（5）功率因数 逆变器的功率因数宜设置为1。n（6）额定输出电流 逆变器的额定容量是当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压为额定输出电流的乘积。n（7）额定输出效率 在10%额定输出容量的效率为低负荷效率。n（8）过电流保护 逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时按设定动作，避免供配电线路和设备受损。n（9）噪声 不经常操作、监视和维护的逆变器，应小于95dB，经常操作、监视和维护的逆变器，应小于80dB。n(10)防护等级 2逆变器选型设计的基本方法n比较通行的太阳能逆变器为：集中型逆变器、组串型逆变器和微型逆变器。（1）三种逆变器适用范围对比n大型荒漠地面电站中，集中型逆变器仍占主导地位。n对于山地电站而言建议采用组串型集中型复合并网方案。n对于屋顶电站而言，因此目前屋顶电站中组串型已逐渐成为主流。n对于微型逆变器适用范围以家庭屋顶、阳台以及中小型的商业光伏电站。（2）逆变器类型选择n 并网逆变器主要分高频变压器型、低频变压器型和无变压器型三大类。根据所设计电站以及业主的具体要求，主要从安全性和效率两个层面来考虑变压器类型.（3）逆变器容量匹配设计n 并网系统设计中要求组件方阵装机容量要与所接逆变器的功率容量相匹配，计算组件方阵总功率公式为：n组件标称功率组件串联数组件并联数电池方阵总功率（4）MPPT电压范围与电池组件方阵电压匹配n组件方阵的输出电压应处于逆变器MPPT电压范围以内。组件方阵电压的计算公式为：n 电池组件电压组件串联数电池阵列电压n组件方阵电压的一般设计思路是组件方阵的标称电压近似等于并网逆变器MPPT电压的中间值，这样可以达到MPPT的最佳效果。（5）最大输入电流与组件方阵电流匹配n电池组方阵的最大输出电流应小于逆变器最大输入电流。为了减少组件方阵到逆变器过程中的直流损耗，以及防止电流过大对逆变器造成过热或电气损坏，逆变器最大输入电流值要大于电池阵列最大输出电流值，电池方阵最大输出电流的计算方法为：n 电池组件短路电流组件并联数电池方阵最大输出电流（6）转换效率n 并网逆变器的效率标示一般分最大效率和欧洲效率，通过加权系数修正的欧洲效率更为科学。n逆变器在其他条件满足的情况下，转换效率应越高越好。（7）配套设备n 并网发电系统是完整的体系，逆变器是重要的组成部分，与之配套相关的设备主要是配电柜和监控系统。n并网电站的监控系统包括硬件和软件，根据自身特点而需要量身定做，一般大型的逆变器厂家都针对自己的逆变器而专门开发了一套监控系统，因此在逆变器选型过程中，应考虑相关的配套设备是否齐全。n还应考虑逆变器的品牌与质量、价格与服务。四、支架四、支架1光伏组件支架分类n根据不同形式的太阳能光伏发电的需要，支架系统一般分为单立柱太阳能支架、双立柱太阳能支架、矩阵太阳能支架、屋顶太阳能支架、墙体太阳能支架、追踪系统系列支架等若干规格型号；n按照不同的安装方式又分为地面安装系统、屋顶安装系统和建筑节能一体化支架安装系统。2光伏组件支架材质选型n从材质上分，主要有混凝土支架、钢支架和铝合金支架等三种。n混凝土支架主要应用在大型光伏电站上，因其自重大，只能安放于野外，且基础较好的地区，但稳定性高，可以支撑尺寸巨大的电池板；n铝合金支架一般用在民用建筑屋顶或金属屋面太阳能应用上，铝合金具有耐腐蚀、质量轻、美观耐用的特点，但其承载力低。n钢支架其抗弯强度要比铝合金支架要大，且价格要低于铝合金支架，一般在大风地区、跨度要求比较大的项目采用钢支架在经济上有明显的效益。3光伏组件支架载荷分析n主要包括计算固定载荷（组件自身重量及其他）、风载荷及雪载荷。n风载荷是指垂直于气流方向的平面所受的风的压力。通俗地讲，从支架前面吹来（顺风）的风压及从支架后面吹来（逆风）的风压，引起的材料的弯曲，支撑臂的压曲（压缩）、拉伸，使正常的地面、屋顶发生震动、沉降而造成的结构变化。n雪荷载是指作用在建筑物或构筑物顶面上计算用的雪压。一般工业与民用建筑物屋面上的雪荷载，是由积雪形成的，是自发性的气象荷载（自然荷载。