海外分布式光伏發電裝置設計

栗禎澤

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

1 引言

隨著國家“十三五”節能減排政策措施的推進，我國光伏應用市場穩步增長。太陽能具有取之不盡，用之不竭的優點，而且不會給環境以及生態帶來污染和破壞，因此受到人們的高度重視。光伏發電是指利用光生伏打效應，使陽光照射到硅材料做成的太陽能電池板上產生直流進行發電[1]。但由于各地光照強度分布不均勻，光照時間不穩定，加上城市用地不斷增多，可用來集中布置太陽能電池板的用地逐漸減少，分布式光伏發電的概念便提出了[2]。分布式光伏發電具有就近發電，就近使用的特點，能提高偏遠地區人們的用電質量，也能減少電能在傳輸途中的損耗。目前建筑耗能在總耗能中比例較大，光伏與建筑的結合發展潛力巨大，對于建筑節能減排、保護環境具有重要的現實意義。屋頂光伏電站巧妙地將光伏發電系統建設在屋頂，不僅可以節約土地資源，還可以就地發電供人們使用，十分環保高效。

太陽能是天然可再生的免費資源，為了解決全球資源短缺的現狀，本文通過對分布式光伏發電系統的背景進行介紹，對于當前光伏組件設備的類型與參數進行詳細說明。首先對背景與光伏發電的優勢進行簡要說明;其次對光伏發電的組件串聯方式與光伏組件的角度進行分析，同時對光伏逆變器與光伏電網的陣列排列方式進行選擇;然后對于屋頂光伏發電系統進行整體的設計與布局優化。

2 研究方法

分布式屋頂光伏發電系統的整體設計包括:(1)根據光伏組件的分類及功能選擇適合本項目的光伏組件;(2)依照效率轉換指標、MPPT(Maximum Power Point Tracking)指標以及可靠性指標選擇適合的逆變器，以便將光伏組件產生的直流電經過逆變后轉換成負載所需的交流電;(3)光伏組件的傾角設計，如何鋪裝，以及光伏陣列的運行方式選擇;(4)方陣接線方案的設計。

2.1 設備類型及參數

光伏組件是太陽能發電的核心組成部分，光伏組件可以直接將光能轉換成電能，根據材料組分可以劃分為晶體硅組件和薄膜組件[3]，其中晶體硅組件又分為多晶硅組件和單晶硅組件。光伏組件材料對比見表1。

表1 光伏組件材料對比

逆變器在光伏發電系統中起著極其重要的作用，只有通過逆變器才能將光伏陣列輸出的直流電轉化為交流電送入電網[4]。逆變器根據輸入光伏方陣的數量及輸出相數，可分為集中型逆變器、組串式逆變器和集散式逆變器三種。組串式逆變器具有防護等級高，能夠直接與電池板相連，不需要經過直流匯流箱，輸出電壓范圍寬，能夠直接介入本地電網的優點，目前應用較為廣泛。

光伏組件的運行方式可以分為三種，即固定式、單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。相較于其他兩種方式，固定式的發電量略低，但其成本低，分布集中，維護方便。

2.2 光伏組件串聯設計

《光伏發電站設計規范》中規定了組串數量的范圍，其計算公式如下:

式中:N表示光伏組件的串聯數量;Vdcmax、Vmpptmin、Vmpptmax分別表示逆變器允許的最大直流出入電壓(V)、MPPT 的最小電壓值(V)、MPPT 的最大電壓值(V);Voc和Vpm分別表示光伏組件的開路電壓(V)和工作電壓(V);KV、K'V分別表示光伏組件的開路電壓溫度系數和工作電壓溫度系數;和分別表示光伏組件工作條件下的極限最高溫度(℃)和最低溫度(℃);Pdc和Poc分別表示逆變器的輸出功率(W)和光伏組件的最大輸出功率(W)。

2.3 光伏組件角度及間距

為了使光伏發電系統達到最大效率，需要調整光伏組件的安裝角度。采用專業光伏軟件PVsyst 軟件，結合當地的氣候氣象因子及太陽輻射量對屋頂光伏系統的傾角設計進行計算。為了使光伏方陣不會受到組件及陰影的影響，光伏方陣間要設置一定的間距。其計算公式如下:

式中:D表示相鄰光伏方陣的間距;L表示傾斜面的長度;β表示光伏組件的傾角;φ表示當地的緯度。

2.4 光伏逆變器的選擇

對于光伏利用數據進行分析，可以看出光伏利用效率最高的時間為正午14 時左右，系統最大裝機容量按照總容量的70%進行計算，對于區域光伏發電站，白天最大出力按照總裝機容量的75%進行計算。作為光伏發電系統中的關鍵設備，光伏逆變器具有直流交互與交流變換的功能，可以最大程度上避免系統故障，充分發揮太陽電池的發電性能，可以促進發電系統電力轉換效率的提升。在光伏逆變器的主流配置型式中，根據逆變器的單機容量的不同，光伏發電站應用的主流逆變器主要分為組串式與一體化集中式，其中一體化集中式主要是通過若干光伏組串的并行串聯，將組串集中至逆變器的主流輸入端，通過使用轉換控制器來改善產出電能的質量。同時，由于組串式逆變器具有多路MPPT 的功能，系統可以根據不同光伏組件的工作狀態進行輸出電壓的靈活調整。該類型逆變器由于體積小，對于電路網絡的控制可以更加精細，因此可以獲得更多的輸出電力資源，目前市場上多采用組串式逆變器的形式進行光伏陣列的排列。

2.5 光伏陣列運行方式選擇與優化

在光伏系統的設計過程中，光伏組件的選擇與光伏陣列的排列方式將直接影響光伏發電系統的發電與運行水平。目前對于光伏系統方針支架的排列方式根據結構與運行方式的不同，主要分為固定式、單軸跟蹤式與雙軸跟蹤式等幾種類型。固定式是目前安裝技術最為成熟的方式，通過最佳傾斜角度將太陽能電池固定在地面上，安裝成本相對較低。單軸跟蹤式通常采取平行于地軸的東西橫向，通過一種跟蹤方式進行太陽能的提取。雙軸跟蹤式通過旋轉兩個軸承進行太陽方位角與高度角的跟蹤，保證光伏陣列表明始終與太陽光線照射方向垂直。此外，由于斜單軸與雙軸跟蹤的形式占地面積較大，過高的投資成本使得系統的穩定性不夠高。本文研究綜合比較了固定式與跟蹤式等多種光伏陣列排列形式，以支架系統運行維護成本及系統運行可靠性為評價指標，綜合比較場地適宜性與后期投資成本后，決定選擇固定式運行方式作為光伏陣列的主要排列方式。

3 屋頂光伏發電系統設計

3.1 選址概況

冠德科技(柬埔寨)3.4 MWp 光伏電站工程直流側總裝機容量為3.429 MWp，站址位于柬埔寨茶膠省境內，海拔為15 m，項目總用地面積為 29985 m2。項目利用閑置用地開發建設光伏電站，發電量全部自用。本研究結合PVsyst 軟件中的Meteonorm7.2 數據，輸入項目地的經緯度，得到項目所在地的各月份的太陽日平均輻射量及日平均溫度，發現當地的太陽日平均輻射量為3.9 kW·h/(m2·d)～6.7 kW·h/(m2·d)，日平均氣溫為15℃～34.2℃，二者均在六月份達到最大，其太陽能源充足，可以建設光伏發電站。本項目設計的分布式屋頂光伏發電系統的主要特點是自發自用，即通過太陽能電池板轉化得到的電量直接用于本項目的日常用電中，并且采用分布式并網光伏發電系統設置雙向流通電流，便于向電網送電和取電。

3.2 設備的選擇

結合當地的實際情況及占地面積等綜合因素，本項目選擇使用450 Wp(2094×1038×35 mm)的多晶硅光伏組件。其具體參數為:最大功率為450 Wp，開路電壓為49.6 V，短路電流為11.58 A，最大功率電壓為41.4 V。最大功率電流為10.87 A。由于本項目建筑分布較為集中，因此基于高轉換率，高MPPT 跟蹤，以及可靠性強的目標，本文選用80 kW 組串式逆變器。其具體參數為:最大直流輸入功率104 kW，最大直流出入電壓DC1100 V，MPPT工作電壓為200 V-1000/600 V。

本次設計的光伏發電站的發電總容量為3.36 MW，采用如下設計方案。具體結構見圖1。

圖1 屋頂光伏發電系統結構

結合當地的氣象和經濟條件，共選擇7620 塊450 Wp 的多晶硅光伏組件為了方便工作人員檢修，結合公式(4)，每個光伏陣列南北距離6 m，東西距離0.5 m。根據距離遠近，每8或9 或10 或11 為一個單元，距離遠的為8 或9，距離近的為10 或11，接入39 臺逆變器，共配置4 臺AC 匯電箱，光伏陣列產生的電能通過電纜連接，輸出后并入當地380 V 電網。

4 結論

本文對3.4 MW 屋頂光伏發電系統進行了研究設計，發現采用450 Wp 的多晶硅光伏組件及80 kW 的組串式逆變器對光伏方陣進行固定式分布運行時，適合該地光伏方陣的傾角為8°，方位角為9°，南北距離6 m，東西距離0.5 m。本文利用自然清潔能源為緩解地區的能源緊缺問題，解決電力供需問題，改善電網結構有一定的理論指導意義，并為當地的光伏發電事業起著積極的推動和示范，能改善當地的經濟狀況，實現社會-經濟效益共同進步，有重要意義。