太陽能光伏并網發電系統的分析

摘 要：由于國民經濟的迅速上升和社會主義現代化建設進程的加快，各產業消耗的能源也越來越多，能源緊張的問題日趨嚴重，為了緩解這種現象，新能源的開發和利用勢在必行，而太陽能作為一種新型的清潔能源受到人們廣泛的重視，圍繞太陽能而進行的各種相關技術也得到了迅速發展，本文就闡述和分析了太陽能光伏并網發電系統的優點、分類、組成設計以及工藝要點，以供相關部門和人員參考。

關鍵詞：太陽能；光伏發電系統；清潔能源；建筑光伏

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 14-0000-02

作為一種充分利用太陽能發電的技術，光伏技術逐漸向高端化發展，同時在各領域都得到了廣泛的普及和應用，光伏技術迅速發展的原因是因為與其他發電技術相比，它具有無污染、施工期短以及安全性能高的優勢，所以在全世界范圍內都受到了廣泛關注，日益成為開發潛力最大的新型能源之一，各國為了提高能源利用率，投入光伏發電技術開發和研究的力度越來越大，我國也頒布了一系列有效政策來鼓勵和促進光伏發電新技術的研究，由于我國較大的人口基數以及較快的人口增長速度，未來必將面臨著嚴峻的用電緊張形勢，而太陽能光伏發電的優勢無疑是緩解這種局面的有效手段，所以為了促進我國能源環境的安全和可持續發展，加速國內光伏發電項目的建設就有一定的重要性和必要性。

一、太陽能光伏并網發電系統的優點

太陽能是一種取之不盡用之不竭的永久性的天然能源，它具有環保、清潔和豐富的特點，太陽光電轉化不僅安全可靠，而且無需蓄電池、機械部件以及傳動系統，通過利用并網逆變器就能將電能送上電網，大大節省了設備使用的成本投入。太陽能光伏并網發電系統與建筑一體化可以作為集熱系統、發電部件以及建筑的屋面、墻體等建筑構配件，能夠有效減少建筑裝飾與結構成本，并且不需要再建設依附于房屋建筑工程上的車間或廠房，也節省了土地與發電的基建費用。太陽能光伏并網發電系統采用的太陽能電池組件一般都具有較長的使用壽命，且防風、防雹、耐候性好、衰減小、無毒無害，對鹽霧腐蝕與濕氣侵襲也有良好的抵御作用。在將太陽光能轉換為電能的過程中，垃圾或廢棄物基本不會產生，并且轉換效率較高，不僅有利于保護環境，還降低了維修保養的費用。太陽能光伏并網發電系統的安裝比較方便，能夠自動調控，且不用架設專門的線路，也不用人員進行值守，這在一定程度上大大減少了其常年運行的費用，所以是一種建設速度快收效也快的發電系統。

二、太陽能光伏并網發電系統的分類

（一）有逆流光伏并網發電系統

有逆流光伏并網發電系統能夠在其電能比較充裕時，把多余的電能饋入公共電網中，實現了向公共電網供電，而在電力不足時，電能也能向負載供電，賣電和買電靈活轉換，因為兩者供電的方向完全相反，所以稱其為有逆流光伏并網發電系統。

（二）無逆流光伏并網發電系統

與有逆流光伏并網發電系統不同，無逆流光伏并網發電系統只在電力不足時，由公共電網向負載供電，而其自身電能比較充裕時，不會向公共電網供電。這種獨立的發電系統比較合適于可以集中利用太陽能光伏直接驅動的變頻空調系統的供電，例如辦公大樓、圖書館、教學樓等獨立樓宇空調系統；既能滿足長期用電大戶的用電需求，又能節省發電系統逆變設備的成本，提高發電利用效率。

（三）切換型光伏并網發電系統

切換型光伏并網發電系統實現了自動運行雙向切換，在多云或陰雨的天氣以及系統自身發生故障時導致發電量不足的情況下，切換器能為了促使電網負載供電而自動切換到電網供電的一側；如果電網因為某些客觀原因而停電時，這種系統會變成獨立光伏發電系統的工作狀態，分離光伏系統與電網，隨著科技的發展，很多切換型光伏發電系統可以在有需要時把一般負載的供電斷開，并接通應急負載的供電。

（四）有儲能裝置的光伏并網發電系統

上述幾種光伏并網發電系統中在有需要時會配置儲能裝置，配置儲能裝置的光伏并網發電系統具有較強的主動性，在公共電網發生限電、停電以及其他一些供電故障時，能夠通過獨立運行向負載正常供電，所以這種系統能夠作為加油站、醫療設備、緊急通信電源、以及避難場所指示或照明的應急供電系統。

三、太陽能光伏并網發電系統的組成與設計

太陽能光伏并網發電系統的組成部分主要包括：太陽能光伏組件、匯線盒、直流匯流箱、電能轉換箱變和交流配電柜。

（一）太陽能光伏組件

1.太陽能光伏組件的類型

晶體硅、非晶硅以及化合物薄膜是太陽能光伏組件的三大類型，晶體硅太陽能光伏組件也分為單晶硅太陽能光伏組件與多晶硅太陽能光伏組件，單晶硅太陽能光伏組件具有較高的電池轉換效率，穩定性較好，組件所占面積小，但是其成本也比較高；多晶硅太陽能光伏組件具有較高的生產效率，比單晶硅的電池轉換效率略低，且在使用期間其效率會有一定的衰減，所以性能不如單晶硅；非晶硅太陽能光伏組件是一種利用高頻輝光放電的方法分解并沉積硅烷氣體而成的新興的半導體薄膜材料，能夠將大約lμm厚的薄膜沉積在陶瓷板、玻璃、不銹鋼板以及柔性塑料片上，生產方法簡單方便、成本低，并且具有一定的透光性；化合物薄膜太陽能光伏組件的主要材料為稀有金屬，這種光伏組件的電池光電轉換效率高于非晶硅，且其成本低于單晶硅，在使用過程中不會出現效率衰減的現象，適合大規模生產。

化合物薄膜與晶體硅太陽能光伏組件都具有比較復雜的生產工藝，且化合物薄膜光伏組件的原材料是一些天然蘊藏量有限的稀有金屬，所以無法廣泛應用于建筑光伏市場，而晶體硅光伏組件應用的硅材料價格比較高，所以造成了其較高的發電成本，因而也得不到廣泛的普及和應用。與這兩種太陽能光伏組件相比，非晶硅薄膜光伏組件具有較好的透光性與弱光發電性，且其造價成本比較低，即使其光電轉換效率比較低，但是在技術逐漸發展，其薄膜特性也會得到改進，再加上因為薄膜電池的透光效果，能夠充分發揮出其良好的弱光發電性能，所以其安裝的角度問題也可以忽略，向陽的外墻、建筑屋頂以及窗戶材料都能夠用非晶硅薄膜光伏組件來代替，既可以發電還能作為建材，所以在其建筑表現效果以及光伏組件的優越性來看，在建筑物中的光伏并網發電系統中使用非晶硅薄膜太陽能光伏組件是一個恰當的選擇。

2.太陽能光伏組件的設計

整個光伏發電系統的安裝容量的確定依據是負荷容量、負荷性質、單塊組件的功率以及建筑物總體光伏組件安裝數量，按照太陽能光伏并網發電系統的安裝容量，對并網逆變器的功率P1和數量n1進行科學合理的確定，如果設計選擇的逆變器容量過小，其線路投資和系統耗損就會增加。

在查閱所選太陽能光伏組件的性能參數表的基礎上，將其直流峰值電壓V2與峰值功率P2進行確認；再查閱所選并網逆變器的性能參數表，對其最佳直流電壓工作點V1與功率P1進行確認；Nc即太陽能光伏組件串列的最大組件數量，為V1/V2，由于溫度變化系數的影響，Ns即太陽能光伏組件串列組件數量，為Nc×0.8，P3即光伏組件串列單列功率為Ns×P2；Np即配置單臺逆變器需要的光伏組件串列的數量為P1/P3，所以Nz即整個太陽能光伏發電系統一共需要配置的光伏組件串列的數量為Np×n1。

（二）匯線盒

匯線盒能夠串接并匯聚在設計中得出的每個光伏組件串列中的光伏組件串，使其輸出電壓與逆變器的最佳直流電壓工作點相符合，因為匯線盒一般都安裝在建筑外，所以它還要具有足夠的密封防水性能。

（三）直流匯流箱

一般將直流匯流箱安裝在建筑物新建或已有的低壓配電所內，利用主直流電纜連接屋面匯線盒，直流匯流箱的主要組成部分主要為二極管、熔斷器、斷路器以及防雷保護裝置，它能夠保護組件、避免雷擊、分斷直流、監控直流量，大大提高太陽能光伏并網發電系統運行的安全性和可靠性。直流匯流箱能夠利用熔斷器保護每路光伏組件串列，它可以同時接入6路太陽能光伏組件串列，而且其中的每路光伏組件串列都具有二極管防反保護的作用，其正負極都可以有效避免雷擊，利用正負極分別進行串聯的四極斷路器能夠有效提高直流耐壓值。

（四）電能轉換箱變

安裝在建筑物低壓配電所內的電能轉換箱變是太陽能光伏并網發電系統的核心，其主要組成部分為斷路器、隔離變壓器、并網逆變器以及防雷保護裝置。在其設計時選用的并網逆變器能夠使其輸出電能達到電網電力對電壓與頻率的電性能指標上的要求。它利用最大功率跟蹤技術，將低壓母線段供給負荷輸送進由太陽能光伏組件轉換而來的電能。電能轉換箱變具有緊急停機操作開關、交流電網手動分斷開關與直流輸入手動分斷開關的作用以及短路、過載、電網異常以及其他一些電路故障的告警與保護功能，其自帶的顯示單元能夠將逆變器輸出電流、電壓、功率，電池方陣的電流、電壓以及運行狀態、異常報警和累計發電量等一些電氣參數準確顯示出來，還能利用標準電氣通訊接口進行遠程監控。1：l變比的隔離變壓器接成D，d12接線，能夠成功隔離電網與光伏陣列，有效避免系統多次諧波的產生，減低三次諧波對電蚓以及低壓配電系統的不良影響。

（五）交流配電柜

交流配電柜的主要組成部分為斷路器、防雷保護裝置與計量表計等。

（六）太陽能光伏并網發電系統的防雷接地設計

1.防直擊雷

太陽能光伏并網發電系統光伏組件的金屬構件和金屬支架應該采用熱鍍鋅圓鋼以及扁鋼與尾面避雷帶可靠焊接連通。

2.防雷電波侵入和雷擊電磁脈沖

低壓配電房的主直流電纜的金屬外皮應該和就近的總等電位聯結端子箱可靠聯結。將主直流電纜接入直流匯流箱，而其中的高壓防雷器保護裝置，能夠對雷擊起到良好的避免和保護作用，減少設備的損壞，通過防雷保護裝置將每臺逆變器的交流輸出接入電網，避免電網浪涌或雷擊損壞設備，確保機柜具有良好的接地。

四、太陽能并網光伏發電系統工藝要點

（一）工藝原理

太陽能并網光伏發電系統主要是在構筑物或建筑物上面安裝光伏電池組件，并利用光伏并網逆變器對太陽能所發的電能進行有效轉換，使其與400V低壓電網的交流電相符，并將其并入電網或者傳輸到用電器的終端。逆變器能夠對電壓與電網頻率進行實時跟蹤，在電網失電的情況下，能夠實現5毫秒內關機，通過停止發電對電網系統和相關人員的人身安全加以保護。

（二）工藝流程

太陽能并網光伏發電系統的主要工藝流程為：技術準備→現場準備→安裝太陽能電池板支架→安裝并連線太陽能電池板→系統布線→調試并試運行系統。

五、結束語

綜上所述，太陽能光伏并網發電系統能夠充分實現太陽能的轉換，緩解我國電能資源緊張的趨勢，所以相關部門和人員應該對這種技術深入分析和研究，在掌握其構成、設計與工藝要點的基礎上，實現其系統的進一步改進，提高能源供給的安全性和獨立性，促進我國的可持續發展。

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[作者簡介]馮爾理（1967.06-），男，海南海口人，海南大學通信與信息系統碩士，海南大學信息學院電子信息工程系實驗師，主要從事電子技術實踐教學和電子技術應用研究。