光伏系統設計思路及注意事項

趙 潔

（蘇州中來民生能源有限公司上海分公司，上海 201613）

0 引 言

近年來，我國國民環保意識的提高和環保政策的扶持，使得我國的新能源開發產業得到較大發展。新能源主要是以太陽能為主的清潔能源，此外還有風能、水能、潮汐能等。太陽能在一定程度上取之不盡用之不竭，開發較為容易，其余能源容易受到地形、地貌以及季節等因素限制，而太陽能受其余因素影響小。我國的太陽能資源較為豐富，60%的國土每年日照量超過2 200 h，每年的太陽能輻射總量超過5 020 000 J/m2， 經過有效開發可以滿足人民生活生產所需。

1 光伏發電系統概述

1.1 光伏電池的技術原理

太陽能光伏電池主要依靠太陽能光伏技術發電，其內部構成主要是一個半導體。光伏電池利用半導體效應將太陽能轉化為電能，再通過部分電路將電能儲存或直接給設備供電。太陽能電池制作的原料是硅與其余合金材料，且采用的硅原料必須是經過提純處理的高純度硅，將其制作成半導體，利用半導體的PN 結的光伏效應完成光能與電能的轉換。當太陽能照射太陽能電池板后會使半導體的PN 結吸收光子，進而產生光生電子-空穴對。空穴帶正電，電子帶負電，兩種電子的極性相反，慢慢堆積就會產生光生電壓，從而完成光能到電能的轉換，再將太陽能電池板的兩端連接負載產生電流[1]。

1.2 光伏系統的組成和分類

光伏發電系統主要是利用太陽能光伏電池板將太陽能轉化為電能后儲存。一般的太陽能光伏系統主要由太陽能電池板、逆變器、控制器、蓄電池及電池充放電控制器等組件組成。在整個光伏發電系統中，太陽能電池板及相關組件都是核心部件，其性能將會直接影響整個光伏發電系統的效率。電池充放電控制器具有控制系統充放電狀態的功能，而逆變器的功能是將光伏效應產生的直流電轉變為交流電。擁有逆變器的光伏發電系統產生的電流可以直接供給負載，供設備運作。光伏發電系統是我國大力研發的重要系統。根據系統結構，它可以分為兩種類型，分別是并網式光伏發電系統和獨立式光伏發電系統，具體如圖1 和圖2 所示。兩種系統各有優勢，獨立式光伏發電系統可以設置在偏遠山區吸收太陽能發電，而并網式光伏發電系統可以直接將電能輸送至電力系統為負載供給電能。經過研究，可將獨立式光伏發電系統與并網式光伏發電系統結合，創造混合式光伏發電 系統[2]。

圖1 并網運行太陽能光伏系統設計圖

圖2 獨立式太陽能光伏系統設計圖

2 光伏發電系統的設計思路

2.1 系統容量設計

2.1.1 明確研究的地理位置

在設計光伏發電系統時應該考察周圍環境，確定周圍環境的地理位置，根據當地情況設計合理的方案。研究基地的選取對于整個光伏發電系統的設計影響較大，地理位置不同，光照強度不同，光伏發電系統的發電量也會受到影響。此外，在完成光伏發電系統的設計時，需要考慮太陽光照射的方位角等問題。本文選取江蘇省蘇州市作為研究基地，地理位置較高，日照充足，每年平均日照時間超過1 662 h，平均氣溫可達20.7 ℃，便于光伏發電系統的研究[3]。

2.1.2 選擇合適的負載

為保證整個系統設計具有一定的科學性和實用性，應以保證系統可靠性為前提，降低系統的消費成本，所以應該選擇合適的用電負載。研究人員應該先了解選取的負載功率、用途、用電時間以及每個負載對電源電壓的要求，然后進行相關配件的設計。負載的用途不同，其工作的時間以及功率都不同，所以應該做好相關選型。在計算整個系統的發電量時，對于無法確定影響的因素采用系數代替，測量準確后再進行計算。在進行光伏發電系統的容量計算時，需要知曉系統內全部負載的連續工作時間和額定功率等數據，并且充分了解系統太陽能電池組件的地理位置以及當地的氣候條件。光伏發電系統受到地理條件的限制，系統的組件額定輸出功率并不等于實際輸出功率，所以應該利用峰值預先估計實際日均輸出功率（光伏系統的輸出功率等于每日峰值小時數與峰值功率相乘）。系統尤其受到外界環境和自身性能的影響，在實際情況下每日組件發電的安時數并不等于理想條件下的安時數，所以會采用降低10%安時數的方式修正周圍環境和自身性能的影響。系統并聯的組件數為日平均負載與組件日均輸出之比，串聯的組件數為系統電壓與組件電壓之比，整個系統的組件數應為串聯組件數與并聯組件數相乘。

2.1.3 應該做好太陽能電池板方位角的設計

設計系統時，應該保證太陽能電池板的傾斜角可以讓每年太陽能光伏發電系統的發電量達到最大。太陽能電池板的方位角選取對于太陽能光伏發電系統的發電量影響較大，因為傾斜角會直接影響電池板的光照強度。太陽能電池板的傾斜角度一般根據當地緯度進行計算，采用計算機可以實現精度的最大化。根據相關研究可知：當研究基地的緯度小于25°時，傾斜角選取當地緯度；當地緯度在26°～40°時，在當地緯度的基礎上加5°～10°；當41°～55°時，太陽能電池板的傾斜角等于當地緯度加10°～15°；如果當地緯度高于55°，傾斜角應選取當地緯度加15°～20°。

2.1.4 應該做好太陽能電池組件的設計工作

本文研究的光伏發電系統最重要的部件是太陽能電池板，其組件的設計將會直接影響太陽能光伏系統的工作效率。在對太陽能電池板進行設計時，應該讓其每年的發電量與每年整個系統全部負載的用電量相等。首先應該根據現有數據計算太陽能電池板的功率，其次選取符合要求的電池器件得到更多的數據，如電池的尺寸等，最后根據選取組件的功率、工作電流以及每日發電量等數據計算電池器件的串并聯數量。

2.2 系統布置設計

2.2.1 系統組件施工

根據太陽能電池板容量及配置的相關計算選取負載，完成系統組件設計，制定施工方案。需要選型的部件包括電極引出線、各設備之間的連接線等，其計算結果影響蓄電池組的串并聯方式。在進行方案設計時應該考慮施工的可行性。設計團隊可以采用“思維模擬施工”，分析每個步驟的可行性。采用思維模擬施工的方式可以具體分析每個步驟的可行性，具體到對每條導線的連接以及連接螺母如何擰緊等操作，保證施工方案的可行性。在進行思維施工模擬時應該準確記錄每個步驟以及每個步驟應該用到的工具。

2.2.2 電池板布置設計

太陽能電池板的布置方式一般有5 種，每種都有優缺點。一般會選擇空曠地區建設地基以及支架組織制作太陽能方陣。采用這種方式便于太陽能光伏發電系統的安裝與維修，缺點是采用這種方式會浪費大量的土地資源。采用樓頂的鋼結構布置電池板，優點是可以有效節省資源，省去圍護的鋼結構，缺點是安裝以及維護的難度較大，且需要鋼結構具有較好的性能，可以為太陽能電池板抗風。將太陽能電池板作為太陽能電池遮陽板，既可以吸收太陽光又可以發揮遮陽的作用，給人們提供遮陽的場所，但是整體施工難度較大。此外，該系統的發電效率受到地理位置的影響較大，發電效率不高。將太陽能電池板作為幕墻以及天窗使用可節約成本，可以與建筑實現完美結合，真正實現一板多用。太陽能電池板作為幕墻使用時，周圍不可以采用邊框和接線盒連接，而需要選用玻璃封裝，缺點是太陽能電池板的角度被嚴格控制，不可以根據陽光照射方向調整傾斜角，施工難度較大，周圍系統的設計以及布線設計都會受到周圍環境的影響。最后是將太陽能電池板布置在屋頂做成發電屋頂。這種方式將太陽能電池板與建筑完美融合，不占用其余土地資源，但是施工難度較大，且與建筑結合的結構比較固定，不便于光伏發電系統實現高效發電[4]。

3 光伏發電系統的注意事項

3.1 電池板組件安裝注意事項

電池板在安裝設計時應該注意按照計算的數量考慮組件的串并聯連接，使其數目符合系統的需求，避免太陽能電池板的閑置。在布置電池板方陣時，應該按照電池板對電池板的串并聯數目進行科學安排，通過合理的安排協調接線方式保證布線簡便、美觀。如果將太陽能電池板與建筑相結合制作成遮陽板、屋頂、天窗，需要做好相應的排水設計。因為電池板長時間工作可能會散發熱量，在外界氣溫較高時熱量可能會因為長久無法散熱，致使電路功率發生變化，所以應該做好散熱設計，使太陽能電池板可以及時散熱，保證太陽能電池板的使用性能。在對太陽能電池板支架結構進行設計時，應該以安裝方便、保證太陽能電池板正常工作為前提。如果采用鋼結構制作太陽能電池板的支架結構需要其能抵抗10 級風力的破壞，為提高系統的發電效率，可以在對電池板的支架結構進行設計時采用雙軸舵機等設備，使太陽能電池板根據日光軌跡計算傾斜角，提高太陽光吸收效率和發電量[5]。

3.2 蓄電池組件安裝注意事項

在對蓄電池組件進行安裝設計時，應該注意周圍環境必須通風良好，不可長時間接受陽光直射，且室內溫度適宜，不可過低或過高。為避免蓄電池短路放電威脅人類生命，應該在蓄電池機組與地面之間加裝絕緣裝置。本系統中蓄電池可以分為酸性電池和堿性電池。兩種電池安裝應該距離太陽能電池方陣近些，減少不必要的線路損失。但是，兩種電池不可放置在同一空間內。每個蓄電池組間應該預留部分空余，便于維修人員進行后期維修[6]。

4 結 論

光伏發電系統是現代我國大力發展的新型能源系統，具有較好的應用前景。目前，該系統已經得到廣大人民群眾的認可，得到了部分實踐，研究的重點轉為提高太陽能至電能的轉換率以及提高太陽光吸收效率。因此，研究人員應該做好相關系統設計，提高系統的發電量。