家用分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(并網(wǎng)型)

家用分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計鄧李軍（通威太陽能光伏電力事業(yè)部技術(shù)研發(fā)部，成都）摘要：太陽能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。目前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是建在建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目，方便接入就近接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的用戶供電。從發(fā)電入網(wǎng)角度出發(fā)，根據(jù)家庭用電情況可以給出系統(tǒng)施工要求、設(shè)計方法以及光伏組件、逆變器的選擇等。關(guān)鍵詞：太陽能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)前言太陽能是一種重要的，可再生的清潔能源，是取之不盡用之不竭、無污染、人類能夠自由利用的能源。太陽每秒鐘到達地面的能量高達50萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達5.6×1012kW·h，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。從長遠來看，太陽能的利用前景最好，潛力最大。近30年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)和市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。本文簡單地闡述了家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法和施工要求，僅供參考。太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀太陽能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)（簡稱PV技術(shù)）。太陽能光伏發(fā)電不僅可以部分代替化石燃料發(fā)電，而且可以減少CO2和有害氣體的排放，防止地球環(huán)境惡化，因此發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護之間矛盾的最佳途徑之一。目前發(fā)達國家如美國、德國、日本的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域從航天、國防、轉(zhuǎn)向了民用，如德國的“百萬屋頂計劃”使許多家庭不僅利用太陽能光伏發(fā)電解決了自家供電，而且這些家庭還辦成了一所所私人的“小型電站”，能夠源源不斷地為公用電網(wǎng)提供電能。近幾年，我國光伏行業(yè)發(fā)展也非常迅速。國家對光伏發(fā)電較為重視，國家和地方政府相繼出臺了一些列的補貼政策以促進光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家發(fā)改委實施“送電到鄉(xiāng)”、“光明工程”等惠農(nóng)項目，地方政府也陸續(xù)啟動了光伏照明項目工程。與此同時，偏遠地區(qū)消費者逐漸認可光伏產(chǎn)品，越來越多的居民開始使用家用太陽能電源產(chǎn)品。光伏應(yīng)用市場發(fā)展較為迅速。但目前我國的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和國外相比還有很大差距，主要表現(xiàn)為技術(shù)水平較低、電池效率低、成本高。因此我國還必須不斷改進技術(shù)，使我國的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)更上新臺階。分布式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件半導(dǎo)體材料的“光伏”效應(yīng)，將太陽光的輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。它的規(guī)?？纱罂尚。诎l(fā)電過程中不會排放污染物質(zhì)，具有安裝方便，沒有噪音，整個壽命期間幾乎無需維護等優(yōu)點。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為兩大類，一類是太陽能光伏發(fā)電獨立系統(tǒng)，另一類是太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，本文只講述后者。太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括太陽能光伏組件、光伏匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)型逆變器和交流配電柜等，家用并網(wǎng)型分布式光伏系統(tǒng)由于規(guī)模不大，匯流箱和交直流配電柜都用不到，整體框架如圖1所示。圖1太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)本文涉及的家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為小型分布式光伏系統(tǒng)，因此在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮實際情況，一般應(yīng)遵循經(jīng)濟適用原則，可靠性高、牢固耐用、容易維護、充分考慮地理和氣候環(huán)境的影響。安裝地點選擇跟蹤系統(tǒng)雖然能提高系統(tǒng)效率，但需要維護，而且會增加故障率，再結(jié)合費用、實用性等因素，家庭分布式光伏系統(tǒng)采用固定的光伏方陣較好。從氣象站得到的資料，均為水平面上的太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進行發(fā)電量的計算。對于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關(guān)，較簡便的輻射量計算經(jīng)驗公式為：Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D式中：Rβ——傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量S——水平面上太陽直接輻射量D——散射輻射量α——中午時分的太陽高度角β——光伏陣列傾角根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑奶柲茌椛鋽?shù)據(jù)，按上述公式可以計算出不同傾斜面的太陽輻射量，確定太陽能光伏陣列安裝傾角?，F(xiàn)在用得很多的是利用RETScreen軟件來分析不同傾角是斜面上的輻照度，再根據(jù)組件的相關(guān)參數(shù)計算出不同傾角的年發(fā)電量，最后取年發(fā)電量最大所對應(yīng)的傾角。例如A地不同傾斜面各月的輻射量（KWh/m2）見表2所示，表2從中可以看出，當(dāng)傾角在38°～40°之間時，光伏陣列上的輻射量能達到最大，固A地的太陽能光伏陣列安裝最佳傾角就在38°～40°之間。5.3太陽電池方陣間距計算計算當(dāng)太陽能電池組件子陣前后安裝時的最小間距D。一般確定原則：冬至當(dāng)天早9:00至下午3:00太陽能電池組件方陣不應(yīng)被遮擋。計算公式如下：式中：φ：為緯度(在北半球為正、南半球為負)，根據(jù)項目地點經(jīng)緯度計算；H：為光伏方陣陣列的高度；光伏方陣陣列間距應(yīng)不小于D。并網(wǎng)逆變器的選擇6.1選型并網(wǎng)逆變器主要分高頻變壓器型、低頻變壓器型和無變壓器型三大類。根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)以及業(yè)主的具體要求，主要從安全性和效率兩個層面來考慮變壓器類型。以下是它們之間的對照表：類型因素安全性轉(zhuǎn)換效率成本價格重量、尺寸高頻變壓器型中低中中低頻變壓器型高中高大無變壓器型低高低小家用分布式光伏系統(tǒng)是小系統(tǒng)，不需要很高的技術(shù)指標，逆變器不帶隔離變壓器時，能源轉(zhuǎn)換效率更高,再結(jié)合成本等因素，選擇無變壓器型較為合理。6.2容量匹配設(shè)計并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中要求電池陣列與所接逆變器的功率容量相匹配，一般的設(shè)計思路是：組件標稱功率×組件串聯(lián)數(shù)×組件并聯(lián)數(shù)＝電池陣列功率在容量設(shè)計中，并網(wǎng)逆變器的最大輸入功率應(yīng)近似等于電池陣列功率，已實現(xiàn)逆變器資源的最大化利用。6.3MPP電壓范圍與電池組電壓匹配根據(jù)太陽能電池的輸出特性，電池組件存在功率最大輸出點，并網(wǎng)逆變器具有在特點輸入電壓范圍內(nèi)自動追蹤最大功率點的功能，因此電池陣列的輸出電壓應(yīng)處于逆變器MPP電壓范圍以內(nèi)。電池組件電壓×組件串聯(lián)數(shù)＝電池陣列電壓一般的設(shè)計思路是電池陣列的標稱電壓近似等于并網(wǎng)逆變器MPP電壓的中間值，這樣可以達到MPPT的最佳效果。6.4最大輸入電流與電池組電流匹配電池組陣列的最大輸出電流應(yīng)小于逆變器最大輸入電流。為了減少組件到逆變器過程中的直流損耗，以及防止電流過大對逆變器造成過熱或電氣損壞，逆變器最大輸入電流值與電池陣列的電流值的差值應(yīng)盡量大一些。電池組件短路電流×組件并聯(lián)數(shù)＝電池陣列最大輸出電流6.5轉(zhuǎn)換效率并網(wǎng)逆變器的效率標示一般分最大效率和歐洲效率，通過加權(quán)系數(shù)修正的歐洲效率更為科學(xué)。逆變器在其它條件滿足的情況下，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)越高越好。6.6常用家用并網(wǎng)型逆變器見下表容量范圍廠家型號輸入功率輸入電壓輸入電流輸入端口效率相數(shù)1.2kw~9.6kwSMASunnyBoy12001320w100v~320v12.6A190.9%單相SMASunnyBoy17001850w139v~320v12.6A191.8%單相SMASunnyBoy2000HF2100w175v~560v12A195%單相SMASunnyBoy21002200w200v~480v11A195.2%單相SMASunnyBoy2500HF2650w175v~560v15A195.4%單相SMASunnyBoy30003200w210v~560v15A195.5%單相SMASunnyBoy3000HF3150w125v~440v17A196.3%單相SMASunnyBoy33003820w200v~400v20A194.4%單相SMASunnyBoy3300TLHC3440w125v~600v11A194.6%單相SMASunnyBoy38004040w200v~400v20A194.7%單相SMASunnyBoy40004200w125v~440v30A296.4%單相SMASunnyBoy50005300w125v~440v30A296.5%單相陽光SG1K5TL1800w180v~430V10A194%單相陽光SG3KTL-M3200w125v~550v20A296.5%單相陽光SG4KTL-M4300w125v~550v26A297%單相陽光SG5KTL-M5300w125v~550v26A297%單相KACOPowador32003200w350v~600v8.6A195.8%單相KACOPowador44004400w350v~600v12A195.8%單相KACOPowador53005300w350v~600v14.5A195.8%單相KACOPowador55005500w350v~600v15.2A195.3%單相KACOPowador66006600w350v~600v18A195.3%單相KACOPowador77007700w350v~600v19A195.8%單相KACOPowador79007900w350v~510v19.7A196.5%單相KACOPowador86008600w350v~600v21.4A195.8%單相KACOPowador96009600w350v~600v24A195.8%單相接入方案7.1電氣接線圖本方案主要適用于自發(fā)自用/余量上網(wǎng)（接入用戶電網(wǎng)）的家用光伏電站系統(tǒng)，見圖。首先需要在家庭戶內(nèi)配電箱內(nèi)安裝一臺微型式斷路器和一臺具有雙向計量功能的智能電能表。通過該空氣開關(guān)控制接入電網(wǎng)，增加一個明顯的開斷點，滿足自動斷開、閉鎖功能，低電壓失電要求，符合電網(wǎng)安全運行要求；雙向計量功能的智能電能表精度不低于2.0級，作為計量關(guān)口。其次，需要在并網(wǎng)交流配電箱內(nèi)安裝一臺精度不低于2.0級的計量多功能表，作為校核電能表，電能表電流電壓回路接線接入低壓側(cè)盡量回路。圖6電氣主接線圖電纜的選型家用電纜的選型（1）壓降估計導(dǎo)線線徑一般按如下公式計算：S=IL/r×U`式中：I~導(dǎo)線中通過的最大電流（A）；

L~導(dǎo)線回路的長度（m）；r~導(dǎo)電率，銅取57，鋁取34；

U`~允許的電源降（V）；

S~導(dǎo)線的截面積（mm2）；說明：

①U`電壓降可由整個系統(tǒng)中所用的設(shè)備（如探測器）范圍分給系統(tǒng)供電用的電源電壓額定值綜合起來考慮選用。

②計算出來的截面積往上靠，絕緣導(dǎo)線載流量估算（2）截面電流通常金屬導(dǎo)線截面存在最大通過電流，除了計算電纜壓降之外，還需驗證電纜界面電流是否滿足條件。鋁芯絕緣導(dǎo)線載流量與截面的倍數(shù)關(guān)系如下表。截面/mm2倍數(shù)電流/A1991.59142.5923483267481066016590254100353.5123503150703210952.52381202.5300通過上表可以估算出電纜截面的安全載流量。估算方法如下：十下五；百上二；二五三五四三界；七零九五兩倍半；穿管溫度八九折；銅線升級算；裸線加一半。意思是：十下五就是十以下乘以五；百上二就是百以上乘以二；二五三五四三界就是二五乘以四，三五乘以三；七零九五兩倍半就是七零和九五線都乘以二點五；穿管溫度八九折就是隨著溫度的變化而變化，在算好的安全電流數(shù)上乘以零點八或零點九；銅線升級算就是在同截面鋁芯線的基礎(chǔ)上升一級，如二點五銅芯線就是在二點五鋁芯線上升一級，則按四平方毫米鋁芯線算。裸線加一半就是在原已算好的安全電流數(shù)基礎(chǔ)上再加一半?，F(xiàn)在一般家用電纜規(guī)格是1.5mm2或2.5mm2，在安裝光伏系統(tǒng)的時候，需要考慮光伏系統(tǒng)裝機容量和自家原有電纜規(guī)格的關(guān)系，看原有電纜能否滿足光伏系統(tǒng)的承載電流，尤其是電表進線的規(guī)格大小。7.2.2光伏電纜的選型光伏系統(tǒng)中電纜的選擇主要考慮如下因素：1）電纜的絕緣性能；2）電纜的耐熱阻燃性能；3）電纜的防潮，防光；4）電纜的敷設(shè)方式；5）電纜芯的類型（銅芯，鋁芯）；6）電纜的大小規(guī)格。光伏系統(tǒng)中不同的部件之間的連接，因為環(huán)境和要求的不同，選擇的電纜也不相同。以下分別列出不同連接部分的技術(shù)要求：1）組件與組件之間的連接：必須進行測試，耐熱90℃2）方陣內(nèi)部和方陣之間的連接：可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝曬。建議穿管安裝，導(dǎo)管必須耐熱90℃3）方陣和逆變器之間的接線：必須進行測試，耐熱90℃電纜大小規(guī)格設(shè)計，必須遵循以下原則：1）交流負載的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。逆變器的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.25倍。方陣內(nèi)部和方陣之間的連接，選取的電纜額定電流為計算所得電纜中最大連續(xù)電流的1.56倍。2）考慮溫度對電纜的性能的影響。3）考慮電壓降不要超過2％。4）適當(dāng)?shù)碾娎|尺徑選取基于兩個因素，電流強度與電路電壓損失。完整的計算公式為：線損=電流×電路總線長×線纜電壓因子（可由電纜制造商處獲得）。防雷設(shè)計為了保證本工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導(dǎo)致系統(tǒng)器件的損壞等情況發(fā)生，系統(tǒng)的防雷接地裝置必不可少。太陽能光伏電站為三級防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面：1、盡量避免避雷針的投影落到光伏組件上2、地線是避雷、防雷的關(guān)鍵。防止雷電感應(yīng)：包括設(shè)備、機架、金屬管道、電纜的金屬外皮都要可靠接地，每件金屬物品都要單獨接到接地干線，不允許串聯(lián)后再接到接地干線上。防止雷電波侵入:在出線桿上安裝閥型避雷器，對于低壓的220/380V可以采用低壓閥型避雷器。要在每條回路的出線和零線上裝設(shè)。架空引入室內(nèi)的金屬管道和電纜的金屬外皮在入口處可靠接地，沖擊電阻不宜大于30歐姆。接地的方式可以采用電焊，如果沒有辦法采用電焊，也可以采用螺栓連接。接地系統(tǒng)的要求：所有接地都要連接在一個接地體上，接地電阻滿足其中的最小值，不允許設(shè)備串聯(lián)后再接到接地干線上。光伏電站對接地電阻值的要求較嚴格，因此要實測數(shù)據(jù)，建議采用復(fù)合接地體，接地機的根數(shù)以滿足實測接地電阻為準。電氣設(shè)備的接地電阻R≤4歐姆，滿足屏蔽接地和工作接地的要求。在中性點直接接地的系統(tǒng)中，要重復(fù)接地，R≤10歐姆。防雷接地應(yīng)該獨立設(shè)置，要求R≤30歐姆，且和主接地裝置在地下的距離保持在3m以上。引下線采用圓鋼或者扁鋼，宜優(yōu)先采用圓鋼直徑≥8mm，扁鋼的截面不應(yīng)該小于4mm。接地裝置：人工垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或者圓鋼。水平接地體宜采用扁鋼或者圓鋼。圓鋼的直徑不應(yīng)該小于10mm，扁鋼截面不應(yīng)小于100mm2，角鋼厚度不宜小于4mm，鋼管厚度不小于3-5mm。人工接地體在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.5mm，需要熱鍍鋅防腐處理，在焊接的地方也要進行防腐防銹處理。維護檢修設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用與維護的好壞直接影響著系統(tǒng)的使用壽命