導語：如何才能寫好一篇光伏發電系統設計及應用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：太陽能；光伏發電；光伏電池組件；

Abstract: Along with the people to search for new and renewable energy, people on the inexhaustible be inexhaustible solar energy more and more attention and research, solar power is becoming an important part of renewable energy. This chapter mainly introduces the basic working principle, solar photovoltaic power generation system, and analyzes the overall design of solar photovoltaic generation system and main applications in the present.

Key words: solar energy; PV; photovoltaic battery component

中圖分類號： TK511 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104

隨著綜合國力的大力提升，人們對能源的需求量越來越大，能源的供應量日益緊張，而核能的發展又受到很多條件的限制，因此能源問題已經成為制約社會發展的關鍵問題，能源的結構也面臨著巨大的挑戰，因此嘗試發展新的可再生能源已經成為社會發展亟待解決的問題。太陽能最為一種新型的、最安全、最環保、最取之不盡、用之不竭的新能源，越來越得到人們的日益關注和重視。據報道顯示：我國國土面積的70%左右日照都在2200h以上，陸地表面每年接受太陽能的輻射相當于4.9萬億的標準煤，與我國的三峽工程相比，若其全部用于發電相當于上萬個三峽發電量的總和，因此，太陽能的應用前景十分廣闊。隨著新科技的發展，人們對于合理利用太陽能有了進一步的發展，太陽能光伏發電在我國的研究情況也得到了極大的重視，正成為我國再生能源的主要組成部分。本文主要介紹太陽能光伏發電的基本工作原理、組成情況，并分析探討了光伏發電系統的設計及應用情況。

1、太陽能光伏發電系統的工作原理

基本工作原理：利用光生伏打效應原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統。白天，當太陽光照在光伏電池組件時，在半導體的P-N結上，會形成新的極性相反的電子—空穴對，這些載流子在P-N結中電場的作用下，空穴和電子分別發生移動形成電路，從而獲得能量。產生的能量分為兩部分：一部分供給負載工作，另一部分給蓄電池充電。當沒有陽光時，這是光伏電池就無法工作，給負載供電的任務就由蓄電池來完成。

2、太陽能光伏發電系統的組成情況

系統主要由以下幾部分組成：光伏電池組件、蓄電池組、太陽能控制器、逆變器和DC-DC變換裝置組成。

2.1、光伏電池組件：主要作用是當太陽光照在上面時，電池吸收光能并將太陽能轉化成電能，是光伏發電系統最基本的組成部分。一般為硅電池，可分為三種類型：單晶硅、多晶硅及非晶硅。

2.2、蓄電池組：主要作用是存貯產生的電能，當光線不足或者晚上時，將電能釋放供負載使用，是一種儲能部件，在選擇存儲容量時，要與光伏電池組件的容量保持一致。

2.3、太陽能控制器：主要作用是規定和控制蓄電池的充、放電條件，對負載的電能輸出，保證任何條件都可輸出最大功率。

2.4、逆變器：主要作用是將儲存的電能由直流變成交流。

2.5、DC—DC變換裝置：主要作用是通過控制功率元件的通斷，將輸出的低壓變為高壓，保證能輸出穩定的高壓直流電。

3、太陽能光伏發電系統的設計

要設計太陽能光伏發電系統，主要設計兩個方面的內容：容量和硬件。容量設計一般包括以下幾個部分的計算：負載用電量、太陽能光伏電池組件、蓄電池組容量及安裝最佳傾角等。

硬件設計一般包括以下幾個部分：電池組件的選型、支架設計、逆變器及電纜的選擇等，由于硬件設計比較簡單，所以本文不做詳細的介紹，主要介紹容量的設計。在本例中以獨立式太陽能為例做著重介紹。

3.1、設計的基本步驟

3.1.1、收集使用太陽能地域的基本數據

設計時應該首先了解所用低于的地理位置、氣象資料、太陽總輻射量、直接及散射輻射量等氣象情況。

3.1.2、光伏電池組件的設計

基本要求：滿足年平均日負載的用電需求。

并聯的計算公式為：并聯組件數量=日平均負載（AH）/{庫侖效率×[組件日輸出（AH）×衰減因子]}

串聯的計算公式為：串聯組件數量=系統電壓（V）/組件電壓（V）

3.1.3、蓄電池組的設計

基本要求：太陽連續低于平均值時負載的正常工作仍不受影響。

容量的計算公式：蓄電池組容量=[自給天數×日平均負載（AH）]/[最大允許放電深度×溫度修正因子]

并聯設計：根據容量，決定選擇蓄電池的個體數，一般不超過4組，常用為2組，以保證在一組出故障時，另外一組可以正常工作。

3.1.4、安裝的最佳傾角設計

最佳傾角設計是整個設計過程中最重要的環節，計算過程比較復雜，相關專家已經使用計算機計算出了我國部分城市的最佳傾角，設計時只需查表就可以。

3.2、光伏電池組件及蓄電池組容量設計示例

某個偏遠地區的獨立式太陽能光伏發電系統的設計實例。負載：24 V，140 AH/d，為直流，該地區最低光照輻射是一月份，采用30°傾角，斜面上的平均日太陽輻射為3 kWh/m2（相當于3個標準峰值小時），選擇典型的75W太陽能光伏電池組件（其峰值電流I mp為4.4 Amps），自給天數為2 d，蓄電池允許的最大放電深度為50%，庫侖效率為90%，溫度修正系數為0.7，太陽能光伏電池組件的輸出衰減為10%，計算太陽能光伏電池組件數及蓄電池組容量。

3.2.1太陽能光伏電池組件計算

（1）組件日輸出=3峰值小時×4.4安培=13.2 AH/d

（2）并聯組件數量=日平均負載/{庫侖效率×[組件日輸出×衰減因子]}=140/{0.9×[13.2×（1-10%）]}=13.09；選擇并聯組件數量為13。

（3）串聯組件數量=系統電壓/組件電壓=24/12=2；選擇串聯組件數量為2。

（4）所需的太陽能光伏電池組件總數為：13（并）×2（串）=26塊

3.2.2蓄電池組容量計算

①蓄電池組容量=[自給天數×日平均負載]/[最大允許放電深度×溫度修正系數]=[2×140]/[50%×0.7]=800AH

②選用12V/400AH的蓄電池，則需要該蓄電池2（串）×2（并）=4個

4、太陽能光伏發電系統應用案例

隨著新能源的普及，目前太陽能光伏發電系統得到了越來越廣泛的應用，我國的光伏產業也得到了前所未有的快速發展和重視程度，太能能光伏發電系統的使用會使我們的生活方式更加健康、環保、節能。下面舉幾個在我國使用的案例：奧運會、世博會、加油站、公園等。

案例一、應用在我國的奧運體育場館。奧運體育場館的太陽能光伏發電的總裝機容量為130kv。此系統的電力直接輸送到國家體育場館的電力系統，不僅給奧運館提供巨大的幫助作用，也可以對有效控制大氣污染，倡導綠色環保的生活方式起到良好的促進作用。

案例二、應用在上海世博會。在上海世博會中，有許多的主題館都使用的是太陽能光伏發電系統，例如：中國館、主題館、演藝中心等。安裝的總機容量超過4.68兆瓦，一年的發電量大約是408萬KWh，與標準的條件相比，1d的發電量能夠供應150戶人家使用1個月。

案例三、應用在上海世博園附近的太陽能加油站。此加油的太陽能光伏發電具有以下幾個特點：其一，采用防爆安全等級最高的C1D2；其二，能實現太陽能供電系統和普通供電系統的自動切換；其三，可節約能量，每年可節約的經濟款項可高達4萬元。

案例四、應用在北京的各個公園和許多風景區。在北京一共有106個公園及部分的風景區，采用目前最新型的“并網獨立”發電系統，推廣的路燈大約8843盞，依照常態的500W一盞路燈每天照明8h計算，一年大約可以節省用電量1200kW.h。

太陽能應用的案例特別多，比如許多城市的路燈等，本文不進行一一列舉。

我國目前的光伏產業在世界上的地位是處于較為領先的水平，并且經過近幾年的發展，發電規模達到了世界上的領先地位。太陽能作為一種新型的取之不盡、用之不竭的綠色環保能源，經過更深層次的發展和改進和科技的進一步發展，太陽能的發電成本會逐步的降低，將會在社會中使用的越來越廣泛。

參考文獻：

[1] 周麗梅,薛鈺芝等,小型太陽能光伏發電系統的實現[J].大連鐵道學院學報,2006(3):94-96.

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【關鍵詞】太陽能；光伏系統；設計；計算

引言

隨著傳統能源的不斷減少，新能源發展迅猛，而太陽能發電因環保清潔等因素備受各國青睞，并且日益廣泛地應用于各個領域。為了保證太陽能系統穩定，可靠，我們在設計初期就會綜合考慮多種因素，合理化設計系統方案，以達到光伏系統最優化配置。

1、太陽能光伏系統簡介

1.1太陽能光伏系統組成

太陽能光伏系統由以下幾部分組成：太陽電池組件，充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備和蓄電池或其它蓄能和輔助發電設備。

1.2太陽能光伏系統優點

光伏系統具有以下的特點：沒有轉動部件，不產生噪音；沒有空氣污染、不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料；維修保養簡單，維護費用低；運行可靠性、穩定性好；作為關鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池壽命可達到25年以上；根據需要很容易擴大發電規模。

1.3太陽能光伏系統分類及應用

光伏系統應用非常廣泛，光伏系統應用的基本形式可分為兩大類：獨立發電系統和并網發電系統。應用主要領域主要在太空航空器、通信系統、微波中繼站、電視差轉臺、光伏水泵和無電缺電地區戶用供電。隨著技術發展和世界經濟可持續發展的需要，發達國家已經開始有計劃地推廣城市光伏并網發電，主要是建設戶用屋頂光伏發電系統和MW級集中型大型并網發電系統等，同時在交通工具和城市照明等方面大力推廣太陽能光伏系統的應用。

光伏系統的規模和應用形式各異，如系統規模跨度很大，小到0.3～2W的太陽能庭院燈，大到MW級的太陽能光伏電站。其應用形式也多種多樣，在家用、交通、通信、空間應用等諸多領域都能得到廣泛的應用。

2、太陽能光伏系統設計

2.1影響設計的諸多因素

太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、光強受到大氣層厚度（即大氣質量）、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。太陽能電池方陣的光電轉換效率，受到電池本身的溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內都會發生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉換效率也是變量。蓄電池組也是工作在浮充電狀態下的，其電壓隨方陣發電量和負載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環境溫度的影響。太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質量等也關系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。負載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設備耗電量。而有些設備如燈塔、航標燈、民用照明及生活用電等設備，用電量是經常有變化的。

2.2太陽能光伏系統設計方案

2.2.1光伏離網系統設計計算

系統設計計算應包括：蓄電池選型計算、太陽能組件選型計算、控制器選型計算、逆變選型計算等，這些計算可根據用戶的要求來提供。

①蓄電池容量的計算

在獨立供電系統中儲能主要依靠鉛酸蓄電池，蓄電池的容量的簡單計算可利用下面的公式

Cbat=負載耗電量×備電時間÷系統電壓÷逆變效率÷放電深度

淺循環蓄電池的放電深度：0.5；深循環蓄電池放電深度：0.7；逆變效率：0.9。

②太陽能組件容量的計算

太陽能組件容量的計算可依據下面的公式：

光伏方陣總功率=每天用電量÷標準日照÷系統轉換效率

考慮到供電的可靠性，對求得的組件容量進行修正，一般容量擴大5%-15%，本系統計算中取容量擴大10%。

③太陽能控制器容量的計算

輸入電流=組件的峰值電流×并聯塊數×安全系數

④逆變器容量的計算

由于我國當地的用電電壓為AC220V，所以選擇輸出電壓為AC220V的離網逆變器，考慮到用戶負載中有感性負載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統的臨時增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。

2.2.2光伏并網系統設計

本設計在遵循技術先進、科學合理、安全可靠、經濟實用的指導思想和設計原則下，著重考慮以下設計原則。

先進性原則。隨著太陽能技術的發展，太陽能電源設計必須考慮先進性，使系統在一定的時期內保持技術領先性，以保證系統具有較長的生命周期。

實用性原則。太陽能電源系統設計充分考慮我國太陽能電源設備生產現狀，選用有大規模實際工程應用經驗的產品，采用先進成熟的技術，保證產品的穩定性、可靠性和可維性。

經濟性原則。太陽能電源系統設計在保證系統各項技術指標的前提下，努力降低工程、設備成本，提高系統的性能價格比，保證用戶的投資效益。

并網系統設計根據有效面積計算實際安裝太陽能電池組件的容量，并根據此計算選配逆變器的參數，計算方法和離網系統計算大致相同。在并網系統里沒有蓄電池和控制器，太陽能電池組件發出的電能經過逆變后直接并入電網。

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關鍵詞：建筑光伏發電；并網發電；經濟效益估算；綠色建筑；分布式能源

引言

隨著國家大力推進節能減排戰略，綠色建筑的概念日益被人們接受。我國到2020年，綠色建筑占新建建筑比重將超過30%。在綠色建筑評價體系中，對太陽能的利用是重要的一部分。太陽能光伏發電技術目前較為成熟，市場上應用廣泛，市場運營模式健全，經濟效益可觀，而且國家大力扶持，有一系列補貼政策。所以太陽能是目前利用最廣泛的可再生能源，我國太陽能資源豐富，發展潛力巨大。建筑光伏發電較集中式光伏電站，對土地資源的要求更低，且電能可以就地消納，無需長距離傳送，避免了電能的損耗，同時對公共電網的沖擊也較小。建筑屋頂可利用面積大，增長潛力巨大，是可再生能源發展利用的重要方向。

綠色建筑的光伏系統在設計應用時，需要考慮其他方面的要求，如對建筑結構承載能力的考量，對建筑功能和外觀的影響。系統設計會變得更為復雜，根據所在地區的氣候特點，建筑的周邊環境，陰影遮擋，選擇相應的光伏組件，安裝位置和方式，兼顧建筑的外觀，同時考慮發熱對建筑的影響。設計流程為：光伏電量需求分析，確定光伏系統的形式，收集當地日照、氣象、地理等條件，確定建筑可利用光伏發電的區域；光伏組件的選型與布置、確定發電容量，控制器、逆變器的型號容量選擇，組件的支架與安裝方式設計，交流側系統設計，系統防雷、接地與保護的設計與配置，監控和測量系統的設計。

1 光伏發電主要設備選型

1.1 光伏組件的選型及安裝

1.1.1 光伏電池類型及特點分析

光伏組件需滿足下列要求：（1）有足夠的機械強度，能夠承受諸如冰雹等極端天氣的影響；（2）有良好的密封性，可以防風、防水、減少外界對太陽能電池的腐蝕；（3）抗紫外線輻射；（4）絕緣良好；（5）電池單元間的連接可靠且能耗小；（6）有足夠的工作壽命，一般工程上要求有20年以上的使用壽命；（7）組件之間的特性偏差不大，有相同的輸出特性。主流的太陽能組件尺寸規格大約有兩種，1000mm×1600m和1000mm×1900mm，分別由60個和72個電池片組成。整個系統應盡量選擇同一型號的光伏組件，避免出現各支路電流不平衡，各時段效率不同等情況。

1.1.2 光伏設備的組裝要求

光伏電池方陣應選擇朝南安裝，如果有特殊原因限制，方陣面向東或西偏轉的角度不應大于當地地理緯度的角度[1]。在屋頂安裝光伏系統時，應設置避雷裝置及欄桿扶手等保護設施。光伏陣列一般為固定式安裝，安裝傾角可參考文獻[1]附錄B的值，不同于集中式電站，建筑光伏與屋頂面積、周邊環境、屋頂承載力等相關，宜根據實際情況進行綜合考慮。光伏設備支架的承載和防風及屋頂的承重應經過嚴格力學計算的驗證。光伏組件間距的設計原則是在冬至當天9：00～15：00光伏方陣不被阻擋。

光伏陣列的布置需要綜合考慮屋頂面積的利用率和早晚陣列前后遮擋所造成的熱斑效應來選擇橫排或豎排方式。根據理論計算，橫向排布可比縱向排布多5%左右的發電量，增加20%的占地面積，但安裝的工程量和難度會稍大。

1.2 光伏逆變器的選型

光伏逆變器將光伏發出的直流電轉換為民用電壓的交流電或并網點電壓的交流電，是光伏發電系統中關鍵的一個環節。光伏逆變器的選型原則如下：（1）由于光伏逆變器容量越大，單位功率制造成本越低，效率越高，對于綠色建筑，可考慮選用一臺容量可覆蓋發電功率的逆變器；（2）由于一天中光伏發電量變化較大，需要選擇直流輸入電壓范圍寬的逆變器，從而可以最大限度地利用太陽能，增加光伏系統發電時間；（3）需要有抗干擾能力和過載能力；（4）當光伏發電系統發生故障后，逆變器應能將光伏系統從主網中解列，當故障排除后應能重新并網；（5）光伏逆變器必須裝有防止孤島運行的保護措施[2]。

MPPT（Maximum Power Point Tracking最大功率點跟蹤）控制器可以對光伏陣列直流輸出的最大功率點進行跟蹤，光伏電池的輸出特性隨環境溫度和日照強度的變化會呈現不同的功率輸出特性，MPPT控制器及其算法可以通過改變負載特性提高光伏組件的發電效率。典型的MPPT算法有：擾動觀察法、定壓跟蹤法、模糊控制法、導納增量法[3]。這些控制算法各有優缺點，應用于建筑光伏系統時需要根據實際環境情況及項目需求選擇合適的算法。

根據實際的設計經驗，光伏組件的串聯數目一般為18個、20個或22個，依據光伏組件的選型計算出逆變器MPPT電壓最大值和最小值以及最大直流輸入電壓，選擇符合要求的MPPT電壓范圍，并估算整個系統的發電功率和直流側總電流，最后決定逆變器型號和個數。

1.3 匯流箱的選型及安裝

匯流箱的作用是將光伏方陣的多路直流輸出電纜分組并匯集，使得接線有序便于維護，在發生局部故障時，可以局部檢修，不影響整體工作，匯流箱的下一級接入逆變器，建筑光伏系統中常用12串或16串輸入的匯流箱，匯流箱中應由直流故障保護單元、斷路器、熔斷器、防雷、浪涌保護器等元件構成，并配有電量檢測系統和通信單元，可以實時將匯流箱內部的分支電流、電壓和功率等參數上傳到控制中心并可以遠程操作開關。匯流箱的安裝位置應就近安裝在組件串的附近，從而減少電纜鋪設長度和線損。箱體的安裝高度滿足各限制的要求，箱體底部留有足夠空間用來安裝、維修，箱體的防護等級應根據現場環境確定。

2 光伏系統運行方案

2.1 獨立運行系統

獨立光伏系統即離網光伏發電系統，系統所發出的電能提供本建筑物內電器使用，與公共電網隔離。負荷類型可以是直流負荷，交流負荷或者交直流混合的負荷。系統可分為有蓄電池和無蓄電池系統。在有蓄電池系統中，當發電功率大于本地負荷，可以將電能存儲于蓄電池中，在發電低谷時使用。當發電功率低于負荷，并且蓄電池提供的電量仍不滿足要求時，可以使用公共電網提供負荷。系統中需要安裝光伏控制器，在蓄電池充滿電時，光伏系統停止發電，防止蓄電池過充，當蓄電池低電量時，停止蓄電池放電，有效保護蓄電池。

2.2 并網運行系統

并網運行是通過并網逆變器將所發的電能直接并入電網，光伏發電系統可以看做是一個分布式的電源，在建筑的公共電網接入點，電能可以是由電網流入建筑，也可以由建筑流向電網。相比獨立運行系統，并網運行可以不采用蓄電池和光伏控制器，但需要并網逆變器和防孤島運行系統。并網運行可以充分利用光伏電能，不會造成能量浪費，系統的固定成本比獨立運行系統小，使用壽命一般按25年設計，而獨立系統受制于蓄電池的使用壽命一般為10年左右，并網系統的運行維護成本也相對較低，目前并網技術已經成熟，建筑周邊的電網接入點較多，因此，在設計建筑光伏發電系統時，一般重點考慮并網運行方案。并網逆變器配置以太網通訊和RS-485接口，把數據傳輸到計算機上觀察、操作，監控系統應對下列參數進行監測和顯示：光伏陣列直流側的電壓和電流、交流側電壓和電流、當日發電量、實時發電功率、總發電量、太陽輻射量、環境溫度等系統參數、光伏組件溫度，減少的二氧化碳排放量和故障狀態等信息。

2.3 系統接線的設計方法

以并網運行系統為例，并網接入電網的方式有：專線接入和支線接入方式。在設計系統前應先統計光伏組件的總數，選擇串聯個數和總串數，根據串數選擇合適的光伏匯流箱型號和個數，組成光伏系統直流側的接線。為保證系統電壓穩定，每一串組件個數必須相同，而每個匯流箱接入的串數可以不同，要以節省匯流箱個數為原則進行分配。統一連接到室內直流配電柜，直流電壓接入光伏逆變器逆變后連接到公共電網中。并網型建筑光伏發電系統是典型的分布式電源，為保證并網后對公共電網的沖擊影響不超過限值，要求分布式電源的裝機容量不超過上一級變壓器容量的20%。

3 經濟效益分析

在設計建筑光伏系統時，經濟效益是衡量項目是否可行的一個重要指標，需提供經濟效益的評估表，確定投資回收周期和收益。建筑光伏系統輸出功率相對較小，一般而言，一個建筑光伏系統項目的容量在數千千瓦以內，相比集中式電站，免去了土地價格，降低了安裝費用和輸配電費用。建筑光伏系統項目在發電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產生污染，環保效益突出，因此，發電系統的外部效益同樣不可忽視。

光伏系統的實際收益為：壽命期內發電量上網的總收入加上政府補貼收入，扣除設備采購安裝費用和維護保養費用。每塊太陽能光伏組件年發電量W1為：

W1=■×？濁1×S×103 （1）

式中：E-安裝地點的年太陽輻射量，MJ/m2，根據氣象資料取值；η1-光伏組件能量轉換效率，%，根據樣本資料取值；S-光伏組件面積，m2。光伏系統年發電量W2為：

W2=W1×N×？濁2×？濁3 （2）

式中：N為系統中光伏組件的總數；η2為逆變器效率，%；η3為計入其他傳輸損耗加上光伏設備維修保養停運損耗的系統效率，%；《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》國家光伏上網補貼價為0.42元/kWh，期限為20年，各地還有不同的地方性補貼政策和電價，設計使用壽命內的總收益為：

式中：Pgt：光伏發電上網功率，kWh；Pct：光伏發電自發自用功率，kWh；Pg：國家補貼，元/kWh；Pl：地方性補貼，元/kWh；Pk：工商業或民用電價，元/kWh；Pc：脫硫燃煤電價，元/kWh；t1：國家補貼期內總時數，h；t2：地方性補貼期內總時數，h；t3：設計壽命期內總時數，h；R1：設備的平均損耗率，%；R2：平均供電可靠率，%；Ig：光伏發電系統的初始投資，元；Mei：光伏系統第i年的運行維護費用，元。隨著中國光伏產業鏈的完善和普及，光伏組件和光伏逆變器的價格不斷下降，安裝成本也逐步降低，電能不需要遠距離輸送，降低了網損，因此建筑光伏系統的投資回報率不斷提高，成為綠色建筑的一個重要應用技術。

4 案例

以上海地區一個綠色建筑示范工業園屋頂光伏系統的設計為例，選擇并網運行模式，可利用的屋頂面積約為5000m2，采用1496塊1.6m*1m的光伏組件，最大輸出功率為250W，裝機容量374kWp。22塊組件為一串，共68串，每12串接入同一個匯流箱，不同建筑之間不宜共用匯流箱，所以項目總計使用7個匯流箱。所有直流線路接入園區的配電間的直流配電柜內，采用一個550kVA的三相逆變器，滿載MPPT電壓范圍為450-850V，最大輸入電流為1200A。

光伏組件分別安裝在2個車間、1個辦公樓的屋頂以及停車場頂棚上，組件的安裝傾斜角度為25°。上海地區的年太陽輻射量約在4700MJ/m2[4]，則每塊太陽能光伏組件年發電量為421.2kWh，1496塊光伏組件的年發電量為630115kWh。逆變器平均效率為96%，其他傳輸損耗加上光伏設備維修保養停運的損耗，系統的效率按80%計算，光伏系統的年發電量可以達到500000kWh以上。根據《上海市可再生能源和新能源發展專項資金扶持辦法》，分布式光伏的“度電補貼”金額為工、商業用戶0.25元/kWh，補貼時間為5年，上海市的脫硫燃煤電價為0.4593元/kWh。《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》國家補貼為0.42元/kWh，期限為20年。本項目光伏組件設計使用壽命為25年，系統設計使用年限為25年。預計7～8年可收回投資，其余工作年份收入即為收益。

5 結束語

（1）光伏發電系統的設計需要遵循可靠性、合理性、經濟性的原則，既保證可以長期可靠運行，滿足預計的發電量需求，又以經濟合理的方式配置整個系統，以最小的投資達成設計的目標。系統設計可分為兩個階段，第一階段選型和布置光伏組件，確定直流側電能的參數。第二階段完成整個系統的設計，對系統中用到的電力電子設備選型，匹配第一階段設計的參數。

（2）總結了對光伏系統設計中重要設備的選型，在建筑光伏發電系統中，可按照預算投資和發電量需求選擇采用單晶硅或多晶硅光伏材料，計算出最優光伏組件串并聯組合。逆變器的選型需要根據光伏陣列的串并聯數，選擇最大電壓，最大電流和容量，而直流電壓輸入范圍需與MPPT控制器結合，范圍盡量寬。保護系統至少監測到每一串光伏組件的工作狀況，配置過流、過壓、雷電、浪涌等保護單元，并網運行需安裝防孤島運行保護。光伏組件的安裝和布置原則是盡量多地收集太陽能，同時考慮到電壓恒定和遮擋的問題。

（3）采用離網型式的光伏系統時，需要配置蓄電池和光伏控制器，能量利用率較低。而并網系統對并網條件要求較高，需配置相關繼電保護系統，雙向電能表和足夠容量的并網接入點。目前，并網設備已較為成熟，城市電網容量和規模越來越大，為追求更高的發電效率和經濟效益，優先考慮采用并網發電系統。

（4）目前光伏發電可以享受上網電價和政府補貼，一般7～10年可收回投資，其余十多年壽命期內的收入都是利潤，隨著光伏產業技術升級，市場擴大，設備的成本已大幅降低，即使補貼政策今后退出，光伏系統仍然可以盈利。合理地設計建筑光伏系統可以提高發電效率，減少能量損耗，提供更穩定可靠的電能，減少污染排放。

參考文獻

[1]GB 50797-2012.光伏發電站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

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篇4

以廣州地區建設的裝機容量為10MW的并網光伏發電項目為例，進行光伏項目LCOE評估。本項目基本信息如下：裝機容量為10MW；運行年限為25a；建設成本為8元/W;折現率為8%；首年發電量為1080萬kWh；每年運行維護費用為96萬元；系統年衰減率為0.8%；其他費用為24萬元；所得稅率為25%；增值稅率為17%；系統PR值為80%；系統殘值率為5%[11]。PR值（性能比）是國際上評價并網光伏電站性能質量的一個非常重要的指標，其值為系統實際交流發電量與理論直流發電量之比。PR值考慮了光伏陣列效率、逆變器效率以及交流配電設備效率等因素，在一定程度上體現了光伏電站的綜合性能和質量。把以上初始條件帶入公式（3）測算本項目LCOE水平，LCOE=0.85元/kWh。通過測算得出：以目前的行業技術經濟水平，在廣州地區建設一個裝機容量為10MW的光伏發電項目，其LCOE水平在0.85元/kWh左右，與廣州市脫硫煤上網電價（0.502元/kWh）相比，約高出0.35元/kWh。

2影響LCOE的典型因素及敏感性分析

光伏發電技術日臻成熟，為盡快實現光伏發電平價上網，降低光伏發電項目的LCOE是亟待解決的問題。對光伏發電項目而言，影響LCOE的典型因素包括項目單位造價、項目所在地的太陽輻射量、系統效率、系統衰減率、運營維護費用、逆變器等關鍵設備使用年限。因此要理清系統成本、發電量和電站生命周期中的其他因素間的聯系，通過優化光伏系統設計施工質量以及完善運維管理體系等措施，盡可能降低項目的LCOE水平。下面將分析光伏系統單位造價、系統PR值、光伏組件衰減率以及太陽輻射量這4個典型因素，對項目LCOE水平的影響。本文選取廣州、上海、深圳、北京、蘭州和西寧等6個典型地點進行光伏項目LCOE比較與分析。6個地點的地理位置及年太陽輻射量數據見表1，其中太陽輻射量數據來自NASA。為清晰描述不同地點的光伏發電項目LCOE水平，在圖1中標出了6個地點的年太陽輻射值。圖1（a），（b），（c）分別展示了單位造價、光伏組件衰減率、系統PR值與太陽輻射量對項目LCOE影響作用的敏感性。測算條件如下：裝機容量為10MW；單位造價為8元/W；PR值為80%；年衰減率為0.8%；折現率為8%。可以看出，系統單位造價、光伏組件衰減率與項目的LCOE水平呈正相關，系統PR值和項目地太陽年輻射量與LCOE呈負相關。因此，光伏項目選址、系統設計、光伏組件及逆變器等關鍵設備選型與采購、光伏系統安裝、系統運行維護等各個環節都可能存在影響項目LCOE水平的因素。在進行項目選址時，盡可能選擇太陽能資源條件好、空氣潔凈度高的地區；在進行光伏系統設計、設備選型時，要根據項目實際情況優化系統設計，提高光伏系統PR值；要遵循合理的運行維護方案，平衡系統運行維護的投入與產出，保證光伏項目處于最佳收益狀況。從以上各個環節著手，方可最大程度地降低項目LCOE水平。由圖1（a）可見，項目LCOE水平隨系統單位造價的升高而升高。若系統單位造價為8元/W，當項目地太陽年輻射量由1000kWh/m2增至1800kWh/m2時，項目的LCOE水平將從1.038元/kWh降至0.577元/kWh。若某地太陽年輻射量為1300kWh/m2，當系統單位造價為6元/W時，項目LCOE為0.599元/kWh；當系統造價為10元/W時，項目的LCOE將升至1.297元/kWh。圖1（b）展示的是光伏組件年衰減率與太陽年輻射量對項目LCOE水平的影響作用。可以看出，當組件年衰減率以0.1%的幅度變化時，項目LCOE變化幅度并不顯著。當組件年衰減率從0.8%降低至0.7%時（在項目運營期25a內，光伏組件總衰減率從20%降低至17.5%），若太陽年輻射量為1300kWh/m2，項目LCOE將從0.792元/kWh升至0.798元/kWh。由圖1（c）可知，項目LCOE水平隨系統PR值的升高而降低。目前我國光伏項目的系統PR值絕大部分處于70%~80%。當太陽年輻射量在1300kWh/m2時，若系統PR值從70%升至80%，項目LCOE將從0.912元/kWh降至0.798元/kWh，降幅達12.5%。可見，提升系統PR值對降低系統LCOE水平的效果非常顯著。

3我國光伏發電項目LCOE水平測算

以裝機容量為10kW，500kW和10MW的光伏發電系統為例，對我國不同地區、不同光照資源條件的LCOE水平進行評估。評估邊界條件如下：太陽年輻射量資源條件為1000~1800kWh/m2；系統效率為80%；光伏組件的衰減率為0.5%~0.8%；光伏發電系統運營年限為25a；3種容量發電系統的單位造價分別為10~14元/W，7~9元/W，6.5~8.5元/W。圖2為針對不同裝機容量、不同光照條件、不同建設成本等條件下的LCOE評估。由圖2可知，裝機容量10kW的光伏發電項目LCOE為0.6~1.1元/kWh；裝機容量500kW的光伏發電項目LCOE為0.65~1.1元/kWh；裝機容量10MW的光伏發電項目LCOE為0.5~0.9元/kWh。根據國家發改委《關于進一步疏導環保電價矛盾的通知》，31省市脫硫煤上網電價處于0.279～0.502元/kWh，因此根據我國光伏發電項目的LCOE水平測試結果顯示，對于10MW以上裝機容量的項目，通過對項目建設成本進行精確控制，在脫硫煤上網電價較高地區可首先實現光伏電力平價上網。

4光伏項目LCOE發展趨勢預測

戶用光伏發電項目的應用和推廣，從某種程度上標志著光伏產業在人民日常生活中的普及程度，因此本文結合文獻[10]的數據，就戶用光伏發電項目LCOE水平的變化趨勢進行了預測圖3展示了FraunhoferISE針對LCOE的研究數據[10]。由圖3可見，2013年戶用光伏發電項目LCOE的平均水平為0.86元/kWh左右，其中平均PR為80%的曲線比較符合我國光伏發電項目的平均水平。觀察這條曲線可知，根據目前光伏產業發展水平預測，2015～2030的15年，光伏發電項目的LCOE水平將從0.108歐元/kWh降至0.072歐元/kWh，折合人民幣約從0.82元/kWh降至0.54元/kWh，降幅高達34%。本文分析顯示，從目前我國光伏產業的發展狀況來看，裝機容量為10kW的光伏發電項目在不同單位造價、不同太陽輻照條件下的LCOE處于0.6~1.1元/kWh。該結論與文獻[10]中的數據相吻合，通過這兩組數據可以預測我國光伏發電成本的發展趨勢。目前，我國居民生活用電價格在0.65元/kWh左右，如不考慮通貨膨脹等因素，我國可在未來15年內實現光伏發電平價上網；考慮近年來化石能源發電價格逐年上漲的現實，我國有可能在未來10年，甚至更短時間內，迎來光伏發電平價上網的時代。

5結論

篇5

[關鍵詞]風光互補；電力職業院校；教學平臺

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A [文章編號]1671-5918（2016）04-0114-02

引言

能源對人類的重要性不言而喻，近幾年隨著經濟步伐的加快，世界各國也逐漸認識到在常規能源利用過程中對環境和生態系統的破壞，人們對此也付出了沉重的代價，新的能源形式和利用呼之欲出，為此很多國家相繼出臺相關政策，治理和緩解已經惡化的環境，并把挖掘開發、有效利用可再生、無污染的新能源作為可持續發展的重要內容。

風能、太陽能是人們最先想到、最容易獲取和利用的可再生能源，但其不穩定、不連續的特點在季節更替和天氣變化時又表現得十分突出，單一形式的風力發電或單一形式的太陽能光伏發電都存在發電量不穩定的缺陷而收到制約，但二者具有天然的互補優勢，即白天光照強，夜間風量多；夏天光照好、風力弱而冬春季節風大、光照弱。風光互補發電系統克服了單純風能和太陽能發電的不足，具有較高的性價比，呈現出光明的應用前景。

當前，高等職業教育進入新的發展階段，在堅持以服務為宗旨、以就業為導向積極適應區域經濟和社會發展的需求的基礎上，很多職業院校根據國家新能源戰略以及產業結構升級轉移的目標要求，開設了新能源及相關專業。2010年教育部核定增選的新能源類專業就有新能源應用技術、風力發電設備及電網自動化、新能源發電技術和光伏發電技術及應用等。

為配合國家支持高等職業院校提升專業服務產業發展能力要求和培養模式的改革，探索和實踐新能源應用技術專業已成為職業院校一個新的目標方向。

一、小型風光互補教學平臺建設的目的意義

風能、太陽都是重要的可再生的清潔、無污染能源，并且使用安全、儲量豐富、可持續發展等特點普遍收到重視和應用。職業院校大力開展新能源的課程建設，以風光互補發電技術為典型作為著手點，目的就是讓學生通過認識、學習、掌握風光發電技術的基本理論和基本技能，適應今后新能源發電企業的崗位需求和要求，積極投身國家風光發電事業，建設資源節約型和環境友好型社會。

當前，在國家重視并大力發展職業教育的新時期，在電力職業院校里建設小型風電互補發電教學平臺，必將促進電力職業院校和風光互補發電教學平臺共同發展。

（一）節約成本。在電力職業院校建設風光互補發電項目，能為學校的用電設備供電，節省了學校的用電成本。在學校辦公樓、教學樓、實訓樓、餐廳等屋頂建設光伏發電，還會有“隱形效益”。在屋頂安裝太陽能電池板，使頂層房間在夏天時空調用電量減少，進一步節省了用電成本，形成。

（二）教學示范。在電力職業院校建設小型風光互補發電教學平臺，一方面電力職業院校擁有專業教師，發揮自身的優勢，可以增設新能源專業方向，充分發揮教學平臺的教學示范功能，培養新能源專業的學生，畢業后可以去太陽能、風能發電企業工作；另外一方面可以對風能、太陽能發電企業員工進行技能鑒定。

二、小型風光互補教學平臺的建設

（一）系統組成。風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成，可從以下幾方面給來具體來描述。

1.風力發電的原理是風力機將風能轉換為機械能，風力發電機再將機械能轉換為電能，進而通過風電控制器對蓄電池充電，最終經過逆變器對負載供電。

2.光伏發電的原理是太陽能電池板受光照后產生光伏效應，將光能轉換為電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后經逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電.

3.逆變系統由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220V交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量。

4.控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統工作的連續性和穩定性。

5.蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運行：風力發電機組單獨向負載供電；光伏發電系統單獨向負載供電；風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。

風光互補發電比單獨風力發電或光伏發電有以下優點：利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量；通過合理地設計與匹配，可以基本上由風光互補發電系統供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發電機組等，可獲得較好的社會效益和經濟效益。

（二）平臺建設。依據職業院校專業建設要求風，建設小型風光互補教學平臺可從課程建設、實訓系統建設三個方面著手進行。

1.課程建設

圍繞學校新能源教學大綱目標要求規劃課程建設，其中風光互補發電技術為理實一體化類型課程，作為職業院校高年級學生必修課，按照預期需要達到的知識目標、能力目標和素質目標，安排、規劃和設計教學課程的主要內容、課程進度和教學方法，使學生掌握風光互補發電系統的運行原理和結構組成，掌握風光互補發電系統中風力供電裝置和光伏供電裝置的安裝、調試與使用，能夠進行適當的風光互補發電系統設計。

（1）在課程教學設計中，主導以學生為本來設計分配教學任務，以任務驅動引領，嚴格實施“教、學、練、做”過程，緊密結合購置的風管互補實訓裝置，充分利用形式多樣的現代化教學手段和方法，生動活潑地開展實訓教學活動。

（2）在課程的教學內容和要求上，設計單元化和模塊化教學內容，運用情境教學形式實施教學進程。教材選用國家示范性高等職業院校規劃教材《風光互補發電技術》，內容包括風能、太陽能發電系統設計、風光互補路燈照明系統設計、PLC風光互補發電系統設計、風光互補發電系統安裝與維護以及遠程監控系統。

（3）在考核評價方面，注重過程和結果、理論與實踐的多元化考評方式，把培養學生的動手實踐能力、分析解決實際問題的能力落到實處，對有進取和創新意識的學生給予鼓勵和重點培養。

2.實訓系統建設

建立與課程相配套的實訓系統是建設教學平臺的重要部分。

（1）根據學生人數和實訓裝置所占空間，按照學校實訓室建設的標準要求，選擇適當地點建立小型風光互補發電系統實訓室。

（2）購置或搭建小型風光互補發電系統實訓裝置（以南京康尼科技有限公司的KNT―WP01風光互卒f，E電實訓裝置為例）。

整套設備設計了關于光伏發電系統和風力發電系統的19個實訓項目，較為全面地介紹了光伏發電系統和風力發電系統的基礎知識，系統主要功能是按照實訓模擬要求，對小型風光發電系統實現狀態監控與保護。利用該實訓系統裝置通過實訓指導，學生（學員）可達到自行完成對系統的安裝、接線、故障排查、PLC控制、組態畫面設計、系統調試等系列實訓操作的能力目標要求。

整個系統由風力供電控制單元、光伏供電控制單元、小型風力機模擬單元、小型光伏板模擬單元、逆變輸出單元。其中風力供電控制單元和小型風力機模擬單元構成風力發電系統，光伏供電控制單元和小型光伏板模擬單元構成太陽能光伏發電系統，兩個系統發出的電能經儲能電池（輸出電壓為12VDC）送入逆變單元，最后轉換為交流電（220VAC）供給外部負載。

通過課程和實訓兩方面的建設，基本形成了小型風光互補發電教學平臺，可以看出教學平臺的建立不僅涵蓋了風光發電、電力電子、PLC、組態軟件等都門課程知識，而且還可以進行現場情境授課，發揮教學示范功能。在此基礎上，還可帶領學生拓展挖掘實訓項目，為學生提供更加豐富的畢業設計研究內容和實踐機會。

3.師資建設

在擁有課程和實訓建設的基礎上，配備“雙師型”的師資隊伍是現代高等職業教育的重要方面，如果實現良好的理論教學和實訓功能的充分發揮，那么就要選配具有豐富的理論教學經驗和實踐操作技能的教師隊伍。

通過加快培養和人才引進相結合壯大“雙師型”隊伍，同時，通過校企合作方式，適當聘用經驗豐富的現場人員為兼職講師到校講授實訓課程。

毋庸置疑，風光互補發電系統教學平臺的建設，能更好地體現學校貫徹國家職業教育的理念，實現以學生為本，服務新能源專業需求，將來更好地為社會服務的宗旨。

篇6

關鍵字：太陽能路燈 系統設計 技術經濟

中圖分類號： TK511 文獻標識碼： A

一、項目背景

目前，我國太陽能光伏發電生產能力已躍居世界第一，而國際太陽能產量是應用需求量2倍，產能過剩是光伏發電行業最大問題。太陽能光伏發電利用主要有兩種技術途徑，分別為離網光伏發電和并網光伏發電兩大類；離網光伏發電又包括太陽能路燈、太陽能庭院燈、風光互補路燈、太陽能交通信號燈等。

太陽能照明由于采用先進到光源、獨特數碼控制和成熟儲能技術系統集成技術外加安裝的方便性，其應用性能價格比是目前所有光伏應用系統最具有優勢的產品。

本項目于2014年6月在遼寧省丹阜高速公路實施，主要針對丹阜高速公路桃仙-石橋子段道路兩側安裝12米太陽能路燈，道路全長29.7公里，總共安裝1781基桿；包括12米太陽能路燈，太陽能獨立光伏電站（集中供電控制）等。合同總額2600萬元，太陽能電池組件總發電峰值功率為73萬瓦。于2014年6月開工，2014年8月末竣工。

迄今為止，本項目為東北三省首個大型高速公路太陽能路燈亮化工程。通過這個平臺可以對系統配置、太陽能路燈充放電控制器研制、蓄電池組直埋方式、太陽能路燈的經濟效益和社會效益等課題進行研究，對拓展太陽能資源綜合開發利用，提高遼寧省太陽能光伏產業的技術水平，為太陽能光伏發電技術在遼寧省高速公路發展應用起到積極良好的示范作用。同時太陽能路燈照明技術的應用可以帶動遼寧省其他相關產業的發展并促進地方相關產業的興起，并將進一步推動遼寧省太陽能光伏產業鏈的形成和發展，具有深遠的意義。

二、項目地理環境

沈陽位于中國東北地區南部，遼寧省中部，以平原為主，山地、丘陵集中在東南部，屬于半濕潤大陸性氣候，全年降水量500毫米，全年無霜期183天。受季風影響、降水集中、溫差較大、四季分明。年平均氣溫6.2～9.7℃，沈陽極端最高氣溫為38.3℃，降水集中在夏季，溫差較大，四季分明。冬寒時間較長，近六個月，降雪較少，春秋兩季氣溫變化迅速，持續時間短：春季多風，秋季晴朗。日照時數平均為2372.5小時

丹阜高速公路是國家高速公路規劃重要干線“鶴大高速（G11）”的聯絡線，編號：G1113

G1113丹阜高速 丹東-本溪-沈陽-新民-阜新，遼寧段：丹東至新民段已通車，新民至阜新段規劃在建，規劃路線由原國道主干線丹拉線丹東至沈陽段，國家重點公路集安至錫林浩特線支線通化至阜新線中的沈陽至阜新段組成。

三、太陽能路燈照明系統設計

3.1 施工現場勘察

由于太陽能路燈與常規交流路燈在工作原理上有著本質的區別，同時太陽能路燈主要采用太陽能電池組件進行發電與供電，所以與交流路燈相比對安裝地點會有特殊的要求，所以太陽能路燈在安裝之前需要對現場進行詳細勘查，勘查內容主要包括：

1、首先勘查所要安裝路段兩側采光情況，是否有樹木、建筑物遮光現象，如果存在樹木、建筑物遮擋對所安裝地點有影響的情況，可以通過指南針、全站儀、激光測距儀，利用陰影測量法，測量樹木與建筑物高度到安裝地點的距離及其他所需參數，從而確定太陽能路燈安裝高度及與遮光物之間的距離，盡量避免遮光對太陽能電池組件的影響。

2、如果周邊遮光情況比較嚴重，且還需進行安裝，那就得考慮采用集中供電的方式進行控制，即太陽能獨立光伏電站。同時還需對集中控制的太陽能路燈地面以下進行勘測，是否存在光線、光纜、電纜、供暖管道等埋入物，為電纜直埋進行準備。

3、觀察安裝地點兩側上空是否存在高壓電線桿及電話線，如果存在，需準確進行測量電線桿高度及距安裝地點之間距離，并做好記錄。

4、對所勘查道路周邊情況進行拍照。

5、通過汽車碼表、皮尺、激光測距儀，詳細測量所安裝道路的長度、寬度、及距遮光物之間的距離，并且做好詳細記錄。

6、通過現場勘查所記錄的數據及參數，書寫現場勘查報告。

3.2太陽能路燈照明系統安裝布置

1、根據現場測量所安裝道路長度、寬度及照明要求，合理選擇太陽能路燈安裝及布置方式，常規照明燈具的布置可分為單側布置、雙側交錯布置、雙側對稱布置、中心對稱布置和橫向懸索布置五種基本方式。本項目太陽能路燈主要采用單側布置、雙側交錯布置、雙側對稱布置三種布置方式，主要根據道路橫斷面形式、寬度及照明要求進行選擇。如圖1所示：

圖1常規照明燈具布置的五種基本方式

（a）單側布置 （b）雙側交錯布置 （c）雙側對稱布置（d）中心對稱布置（e）橫向懸索布置

2、燈具的懸挑長度不宜超過安裝高度的1/4，燈具的仰角不宜超過15°；

3、燈具的布置方式、安裝高度和間距按照表1經計算后確定。

3.3 太陽能路燈照明系統優化配置

太陽能路燈照明系統主要由太陽能電池組件、組件支架 、LED光源、太陽能充放電控制器、蓄電池（鉛酸電池或膠體電池）、燈桿（含燈具）、導線等組成。

太陽能路燈照明系統主要利用太陽電池的光生伏特效應原理，白天太陽能電池板吸收太陽能光子能量產生電能，通過充放電控制器儲存在蓄電池里，夜晚當照度逐漸降低一定程度、太陽能電池板開路電壓降低到預設值后，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電預設定時間后，充放電控制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

圖2 太陽能路燈照明系統工作原理圖

采取目前國際上流行的“全年均衡冬半年最大” 的接收太陽能輻射量的光伏系統設計原則，即根據蓄電池組件均衡充電的要求，以夏半年和冬半年在組件面上的日輻射量相等，但同時還要使組件上冬半年的日輻射量盡量達到最大值，從而增加組件在太陽輻射強度較弱月份的發電量原則，來確定太陽能電池組件面的最佳傾角及其最佳發電電流值,同時統計出全年累計最大的連續虧欠電量,結合適當的蓄電池組件放電深度,確定出組件和蓄電池組件的合理搭配容量。設計方法首先根據各向異性的天空輻射模型，計算出在緯度為ф處，傾角為β的斜面上的太陽輻射量HT 。在實際應用時，可在當地緯度的-20°~+30°范圍內分別算出夏半年和冬半年的平均日輻射量H1和H2，然后根據上述原則，確定當地的最佳傾角及各月平均日輻射量。

3.4 太陽能路燈照明系統配置計算

下面簡單介紹本項目太陽能路燈系統配置計算方法：

本項目太陽能路燈照明系統電壓為24V。

（一）太陽能電池組件容量計算

具體配置計算公式如下:

P=發光光源功率（P1）×發光光源工作時間（T）×平均峰值日照系數（1.5―1.8）÷平均峰值日照時間

其中P―太陽能電池組件功率，單位：瓦（W）；

P1―發光光源實際輸出功率，單位：瓦（W）；

T―發光光源（LED燈）實際亮燈時間，單位：小時（T）；

平均日照時間根據該安裝地區過去10～20年逐月太陽能總輻射量、直接輻射量及散輻射量的平均值作為依據。北票地區平均峰值日照時間取4.5小時。

（二）蓄電池容量計算

具體配置計算公式如下：

蓄電池容量=發光光源功率（P1）×發光光源每天工作時間（T）×該地區連續陰雨天數÷（蓄電池放電深度×系統電壓）

其中蓄電池容量―單位：安時（AH）；

P1―發光光源（LED燈）實際輸出功率，單位：瓦（W）；

T―發光光源（LED燈）實際亮燈時間，單位：小時（T）；

地區連續陰雨天數―采用3天~5天；

蓄電池放電深度―一般取0.6~0.7;

以上計算過程中各個參數需要結合實際需要進行簡單修正，以達到整個系統配置合理。

（三）太陽能充放電控制器

本項目采用了自主研發的新一代智能型太陽能充放電控制器，采用工業級產品可靠性設計，具有超強穩定性和極高的使用壽命，該控制器采用了目前先進PWM脈寬調制恒壓充電技術、最大功率點跟蹤智能充電、12V\24V電壓自動識別、自動判斷并可執行維護、輸出電流根據負載情況而變化、自動恢復、溫度補償等功能，同時還為蓄電池提供了更多的保護裝置。具體包括過充、過放、反接、過載、短路、雷擊保護等。系統根據蓄電池充電狀態自動地進行科學精確的計算，并顯示相應的測量值，可自動識別蓄電池的工作年限及容量，新型的多功能控制器比傳統的控制系統更為有效，控制器附帶的電子保險為用戶提供了更為簡易的操作。再同時應客戶要求，與控制器配套，所有太陽能路燈通過計算機實現集群無線數據采集的功能，可以隨時隨地通過計算機實時觀察太陽能路燈工作狀態及數據，對太陽能路燈后期維護維修提供了堅實有效的措施，大大提高維修效率。

四、太陽能路燈照明系統技術經濟評估

根據可再生能源的技術經濟學的有關評價原理《Financial Evaluation of Renewable Energy Technologies》,T.C Kandpal H.P Garg,2003，結合不同地點太陽能光伏發電系統的性能特點并考慮到各種因素的影響，采用太陽能光伏發電系統與普通電力系統相比對的方法,以項目凈現值(Net Present Value―NPV)和動態投資回收期(Discounted Payback Period―ndp)兩個指標對太陽能光伏發電系統進行技術經濟評價和分析。

1、太陽能光伏發電系統收益(節電費用)分析

由太陽能光伏發電系統的特點可知，太陽能光伏發電系統的整體使用壽命可達到20-25年。太陽能光伏發電系統總成本包括初始設備費，蓄電池和照明燈具的更新費等，由于太陽能光伏發電系統可靠性高,又不消耗常規能源,每年的維修費和運行費基本為零,可以不必考慮。

根據目前非居民用電電價0.776元/kWh，及其《中國電價和電力發展研究》課題組的最新研究結論，無論從宏觀經濟運行，還是從行業發展來看，電價水平還有一定的調升空間；適當調整電價水平及其結構，不僅不會導致價格總水平的顯著上漲，而且還會有利于產業結構的優化升級。經過復雜的公式測算，目前中國的經濟和社會狀況能夠承受的電價水平的合理上漲系數是每年0.04元/千瓦時。按太陽能光伏發電系統20年運行周期計算，同時考慮社會利率及電價上漲因數，進行經濟技術分析，節約的電費現值分別計算如下：

經過統計可知；太陽能光伏發電系統每年總體功率為730210KW，

年節約的電費A=730210kWh*0.776元/kWh=56萬元,以后每年節約的電費除A還有個對應電價上調節約的增加額G=730210×kWh*0.04元/kWh=2.92萬元；分別利用等額收付(Uniform Series Present Worth Factor)和遞增等差收付序列(Present Worth Factor of the Uniform Gradient Series)現值計算公式，太陽能光伏發電系統20年節約電費現值P：

=56×+＝500.36(萬元)

2、太陽能光伏發電系統壽命期凈現值的計算

太陽能為非商品能源，其價值不能直接確定，只能用能源替代的方法來計算。按當地太陽能光伏發電系統等流明亮度的電力使用成本的標準來計算太陽能光伏發電系統的年收益。

通過計算，太陽能光伏發電系統的年收益（即太陽能光伏發電系統每年可節約電費）：

A＝500.36×=70.52（萬元/年）

與普通發電系統相比對的太陽能光伏發電系統的初始投資C0=5000萬元；太陽能光伏發電系統與等照度普通發電系統相比對的年收益70.52萬元；太陽能光伏發電系統年運行成本0元；在系統運行的20年中無需進行任何維修及更換，不需任何費用。

太陽能光伏發電系統壽命期凈現值評判原理

如果NPV>0，說明該系統投資可以接受；

如果NPV

太陽能光伏發電系統壽命期凈現值：

NPV=-450+70.52×=80.39萬元＞0

可見對于太陽能光伏發電系統在壽命使用期內不僅可以把投入的初始資本收回來，而且可以額外節省80.39萬元的電費,從技術經濟的角度分析可以得出，太陽能光伏發電系統投資是可以接受的。

3、太陽能光伏發電系統投資回收期計算

采用動態投資回收期(Discounted Payback Period)原理，設投資回收期為ndp年，則：

ndp==10.7年

也可以利用靜態回收期(Simple Payback Period)原理計算太陽能光伏發電系統的投資回收期分別為:

C01/（B－C）=450/70.52=6.38年

通過計算，可見太陽能路燈照明系統的回收期為6.38年，太陽能路燈照明系統投資方案是可行的。

4、太陽能路燈與普通電力燈相比主要優勢與劣勢

太陽能路燈以太陽能作為能源，節省了電力能源，并可利用節省的電費收回原始成本。太陽能路燈可以根據安裝地點光照情況實現單燈系統獨立安裝與集中光伏電站供電系統集中安裝模式。

施工靈活方便，可以免去挖電纜溝鋪設電纜及回填繁復的工序。施工簡單，由于各部件的先進性，使太陽能路燈后期維護簡單方便。

太陽能路燈主要缺點：①由于目前太陽能路燈各部件價格偏高，成本比電力路燈偏高。②太陽能路燈地面亮度基本上能夠滿足國家對不同道路等級照明標準要求，而我國城市道路電力照明一般均高出國家標準，有的甚至高出百倍。因此從效果上看太陽能路燈照度不如電力路燈，但是太陽能路燈的照度能夠滿足實際照明亮度的要求。③光源選擇上存在瓶頸，由于安裝在高速公路上，容易給車輛駕駛者造成眩光。因此太陽能路燈在目前情況下，安裝原則符合國家道路照明要求，用戶滿意，夠用為度。

五、結論

太陽能“取之不盡，用之不竭”，它是自然界可持續再利用的綠色能源，在大氣不斷變暖及霧霾橫行的今天，它的應用越來越廣泛，但是在高速公路上應用還存在很多問題，隨著太陽能光伏發電技術的不斷進步，這些問題將在未來迎刃而解，通過以上分析，不難看出太陽能路燈在高速公路上應用還是比較經濟和環保的，它對推動太陽能光伏技術在高速公路應用起到了示范性作用，具有重大的指導意義。

參考文獻

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[2]．Gordon J M. Optimal sizing of stand-alone photovoltaic solar power systems. Solar Cells, 1987, 20:295-313。

[3]．《集中式市電互補太陽能路燈系統經濟技術評估》王瓊

篇7

關鍵詞：光伏發電；遠洋船舶；位置選擇；容量計算

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

1 前言

隨著全球經濟由“重碳經濟”向“低碳經濟”轉型，作為國民經濟重要組成部分的航運業溫室氣體排放問題日益受到國際社會關注。根據國際油輪船東協會的研究報告，目前航運業每年消耗20億桶燃油，排放超過12億t的二氧化碳，約占全球總排放量的6%。有預測認為，到2020年全球航運業將需要40億t燃油，溫室氣體排放也將在目前基礎上增長75%。可見，航運業承擔著低碳減排的社會責任和歷史使命，各主要航運國家和地區開始高度重視發展安全、環保、節能的“綠色船舶”，倡導“綠色航運”。太陽能是一種可再生能源，不污染環境，被認為是替代石油能源的理想能源。太陽能光伏發電技術在船舶上應用近年來得到發展，尤其在內河小型船舶、游艇上已有初步的應用成功的案例。但在遠洋船舶方面，太陽能光伏發電技術應用還不成熟，許多國家正在致力于此技術的開發和完善。本文通過分析，擬在常規船舶上建立一套太陽能光伏發電系統，為船舶提供部分電力支持，達到節能減排的目的。

2 光伏系統介紹

2.1 光伏系統的組成及原理

光伏系統由三部分組成：太陽電池組件；充放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備；蓄電池或其他蓄能和輔助發電設備。圖1為直流負載太陽能光伏系統原理圖。

太陽能光伏發電基本工作原理就是在陽光照射下，將太陽電池組件產生的電能通過控制器給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電，對于交流負載，還要增加逆變器，將直流電轉換成交流電。

2.2 光伏系統的分類

一般將光伏系統分為獨立系統、并網系統、混合系統三類。

2.2.1 獨立（離網）型光伏系統

獨立型光伏系統，又稱為離網型光伏發電系統，獨立給用電設備供電，但整體能量利用比較低，系統的供電穩定性和可靠性比較差，需要儲能設備（蓄電池）穩定供電電網電壓和平衡發電與負載。

2.2.2 并網型光伏系統

并網型光伏系統的最大特點是太陽電池組件產生的直流電，經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網，并網系統光伏方陣所產生的電力除了供給交流負載外，多余的電力反饋給電網，不足時由電網補充，但系統中需要專用的并網逆變器。這種系統可降低整個系統負載缺電率，而且可以對公共電網起到調峰作用。

2.2.3 混合型光伏系統

混合型光伏系統中除了使用太陽能電池組件陣列之外，還使用了燃油發電機等作為備用電源。這種系統控制比較復雜，比獨立系統需要更多的維護，而且因為系統中使用了柴油機，這樣就不可避免地產生噪聲和污染。很多偏遠地區的通信電源盒民航導航設備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統供電，以達到最好的性價比。

在遠洋船舶上選用何種類型光伏發電系統，要綜合考慮船舶結構、性能、航線、經濟性等因素確定，本文將在下節詳細論述。

3 光伏陣列安裝位置的確定

3.1 目標船型的確定

典型的遠洋船舶通常包括以下六種類型：集裝箱船；特種船；雜貨船；客滾船；干散貨船；大型運油船。在船上敷設光伏發電系統，要求目標船舶主甲板及以上某些位置具有足夠的安裝光伏陣列的空間。經計算，平均輸出功率1 kW的單晶硅太陽能電池陣列需要10左右的布置面積[1]（組件效率13%左右）。一般遠洋船舶整船系統功率都在100kW以上，有的甚至幾千千瓦，若以100kW為參考，則大約需要1 000的布置面積。考慮到集裝箱船、雜貨船及特種船的主甲板上及主甲板以外的其它位置不具有提供大面積安裝電池陣列的可能性，而油船主甲板雖有較大面積，但因主甲板管路紛繁復雜，其所運輸的石油類燃料易揮發出可燃易爆性氣體，對電器要求的絕緣防護等級較高，所以以上四種船舶不適合安裝光伏發電系統。客滾船的主甲板駕駛臺后的區域附屬甲板機械設備較少，擁有較大的可利用空間，其與油船相比對易燃易爆性物質的安全防護等級較低，因而可以搭載光伏系統。對于干散貨船，其主甲板上若干貨艙蓋占有很大的一部分面積，除部分船型有輔助克令吊外，大多數船舶的甲板上屬于平整區域，其有利于太陽能電池陣列的安裝。因此，滾裝客貨船和散貨船是搭載光伏陣列的理想船型。

3.2 光伏系統類型選擇及用電負荷確定

遠洋船舶航程較遠，每一航次歷經天數較長，且海洋環境、天氣復雜多變，在此條件下不宜建立獨立型（離網型）和混合型光伏發電系統[1]。對于并網光伏發電系統，光伏陣列只需提供部分負載的用電需求，多余的電能反饋給主電網，不足時就由主電網供電，故此類型發電系統適合于安裝在船舶上。

船舶在航行中動力和機械等設備要求供電系統能持續、穩定地供電，而光伏發電量依賴于天氣條件，供電穩定性達不到動力設備用電要求，所以不適合為動力設備和機械設備供電。選擇目標供電系統為上建的生活用電部分，經查76 000DWT某散貨船上建的電力系統圖，上建部分生活用電總功率在200 kW左右。顯然，如果200 kW的電量全部由光伏系統提供，需要為光伏陣列提供約2 000 m2的敷設面積，這在目標船上是無法實現的。由電力系統圖可知，空調系統壓縮機在機艙，可不考慮為其供電，只考慮風機部分供電20kW；廚房電器功率60kW；全部房間照明功率4kW。這三部分合計功率84 kW，我們把光伏系統的設計容量定位在100kW，為這三部分系統供電。除去傳輸損耗及遮擋引起的功率減少（約10%～15%），光伏系統也可以提供足夠的電量。白天有太陽輻射時，光伏系統直接為這三部分系統供電，多余的電能可以反饋給主電網，晚上或白天太陽輻射不足時，轉換成船舶主電網供電，這樣100kW的光伏系統可以承擔船舶部分用電要求，起到節約能源的作用。

3.3 安裝位置的選擇

以76 000DWT散貨船為例， 100kW的光伏陣列至少需要1 000m2的敷設面積，經查總布置圖，有三處位置區域開闊，即艙口蓋、主甲板上艙口圍與欄桿之間的區域、欄桿處，適合搭建光伏系統，可以初步確定為光伏陣列的安裝位置。

3.3.1 直接安裝于艙口蓋上

兩個艙口蓋合在一起可供安裝面積為15x14=210， 7個艙口合計14個艙口蓋可供安裝的面積為210x7=1470。但因No.7艙靠近上建，不可避免在一天當中會受到遮擋，所以總體輸出功率會因遮擋而減少；而No.4艙蓋為直升機坪，不允許安裝其他部件，所以從總面積中減去420。考慮上述因素后剩余面積為1050>1000，可以滿足安裝面積需求。

該安裝位置在裝卸貨物時可能會遭受墜落物的撞擊，故要在上面安裝防護裝置，此防護裝置在裝卸貨物時要能閉合，起到保護作用；在航行時敞開，不影響光伏陣列發電。

3.3.2 安裝于主甲板上艙口圍與欄桿之間

將光伏電池板安放于支承艙蓋的導軌之間，在垂直高度上低于艙口蓋，安裝面積與上述方案基本相同，同時在裝卸貨物時因有艙蓋保護，可有效避免船裝卸貨物過程中掉落的雜物破壞電池板，如圖2所示。

3.3.3 安裝于代替主甲板欄桿位置

本安裝要求電池組件垂直于主甲板，且電池安裝要達到船舶建造規范對欄桿安裝的相關要求，如圖3。

已知船舶總長225 m，型寬32 m，沿船舶周長布置電池組件總長225x2+32x2=514 m，去除中間導纜孔、絞纜機等預留寬度20 m，取總長494 m，則安裝面積為494x1.58=780

（1）電池組件敷設面積不夠，直接影響輸出功率；

（2）電池板垂直安裝，接受太陽輻射的面積相較于水平敷設時要小，從而導致輸出功率降低。

但可以采取一定方法規避此不足。在選取電池組件上，可選用雙面太陽電池組件[2]，這種太陽電池正反兩面都可以接受輻射，所以可以區別于傳統單面太陽電池組件的朝南傾斜安裝而可以垂直于地面安裝，經試驗驗證，雙面太陽電池比單面晶硅太陽電池相同條件下發電效率提高30%[3]。采用雙面太陽電池，輸出功率可達 78x1.3=101.4 kW，剛好滿足預設功率要求。同等面積的雙面太陽電池比單面太陽電池貴三分之一，所以這種布置成本較高，經濟性不如前兩種方案。三種安裝位置的對比分析如表1所列，通過對比分析綜合考慮，位置一、位置二可操作性較大。

4 光伏陣列容量確定

4.1 太陽能電池的選擇

國內光伏太陽能電池市場主要提供單晶硅和多晶硅兩種類型的電池板。根據船舶運行特點，非晶硅太陽電池[4]不適合在船舶上安裝，而在晶硅太陽電池中，相同面積情況下單晶硅發電效率比多晶硅高，在實驗室里單晶硅太陽電池最高的轉換效率為24.7%，規模生產時的效率為15%[5]。而型號、輸出功率、封裝質量及防護等級相同的單晶硅電池板和多晶硅電池板相比，前者的價格稍高，但差別不大，所以單晶硅太陽電池是較合適的選擇。

4.2 光伏組件方陣容量計算

太陽電池組件容量設計的指導思想，就是滿足年平均日負載的用電需求。計算太陽電池組件的基本方法是用負載平均每天所需要的能量（安時數）除以一塊太陽電池組件在一天中可以產生的能量（安時數），這樣就可以算出系統需要并聯的太陽電池組件數，使用這些組件并聯就可以產生系統負載所需的電流。將系統的標稱電壓除以太陽電池組件的標稱電壓，就可以得到太陽電池組件需要串聯的太陽電池組件數，使用這些太陽電池組件串聯就可以產生系統負載所需要的電壓。

在船舶運行過程中，由于海區環境的復雜多變，電池組件表面會附著灰塵、結晶的海鹽，再加上組件性能慢慢衰變，會使降低電池組件輸出。我們采取在計算時減少太陽電池組件的輸出8%～10%（衰減因子）來加以修正[6]，也可以看作是光伏系統設計時需要考慮的工程上的安全系數。此外，設計時還要將負載功率增加10%，以應對在船舶營運期限內額外增加的用電設備。

5 總結

太陽能光伏發電在船舶上的應用目前還處于初步探索階段，小型內河船、游艇已有不少成功案例，但在大型遠洋船舶上的應用較少。本文在常規的遠洋船舶上，擬搭載一套太陽能光伏發電系統，介紹了光伏發電系統類型，光伏陣列在船舶上的安裝位置選擇、光伏陣列的容量計算。

本文未對經濟性做深入研究，相關內容另文討論。

參考文獻

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[4]V.V. Tyagi etc. Progress in solar PV technology： Research and achievement[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews20.2013.

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2013年，內蒙古電力（集體）有限責任公司培訓中心教學科研團隊經過多地調研，準備籌建新能源仿真培訓系統；該系統是包含風力發電、光伏發電、電力儲能，并具有微網特性的實際運行系統示范工程，預計2014年5月通過整體驗收。

系統設計構想

該系統主要由分布式電源發電、儲能裝置、交直流負荷、能量管理系統、測控保護裝置和監控裝置匯集而成的智能型的微電網系統。

該系統建成以后可實現：

（1）實現分布式電源、智能儲能系統友好接入電網，實現與配電網并網協調運行。

（2）建成微網運行狀態監控、分布式發電接入微網控制、功率分配調度與發電控制、電能平衡和負載控制的應用平臺。

（3）實現微網雙向潮流環境下控制保護協調工作的系統。

（4）完成分布式光伏電源、儲能系統智能協調工作，成功實現孤島轉并網、并網轉孤島方式的自動切換。

系統設計方案

智能微網系統設計方案

微網系統建設按區域可劃分為微網控制設備室、屋頂光伏系統、室外風力發電等三個區域。最終建成一個包含新能源發電（含使用光伏發電系統、風機發電系統）、儲能裝置（鉛酸電池儲能）、交直流負荷（含模擬負載、普通負荷）、測控保護裝置、能量管理系統匯集而成的微網系統。

微網系統通過微網進線開關和主網連接，有并網運行和孤島運行兩種方式，并可實現功率平滑控制、需求側響應、能效分析等高級功能。微網能量管理系統實現微網主要設備的信息采集、設備控制、狀態監視等功能，可與配網SCADA系統進行有機連接。

該系統平臺為進一步研究微網的穩態分析和數字仿真技術、微網能量管理技術、微網的并網應用和經濟運行理論奠定了基礎。

交互式培訓系統設計方案

交互式培訓系統采用交互式仿真軟件支撐平臺解決分布式仿真培訓系統互操作性、分布性、異構性、時空一致性和開放性問題，具有良好的規模可伸縮性，能夠滿足展示和仿真互動培訓的需要。

交互式可視化仿真支撐平臺由可視化視頻展示、組件化三維建模，數據庫管理、人機交互界面等子系統以及模型庫，為上層各應用提供公共的展示和培訓基礎服務。

同時軟件系統還具有培訓管理系統的功能。包括培訓業務管理、培訓過程管理、系統輔助管理。

系統組成部分

光伏并網發電系統

光伏并網發電系統，含5kW光伏電池和三相光伏并網逆變器。

風力發電系統

風力發電系統，含2kW的風力發電機組和三相變頻器接入微網。

風機控制器系統

風機控制器系統，采用PWM方式控制風機對蓄電池進行限流限壓充電，即在蓄電池電量較低時，采用限流充電。也就是當風機充電電流小于限流點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當風機電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。在蓄電池電量較高時，采用限壓充電。也就是當蓄電池電壓低于限壓點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當蓄電池電壓達到限壓點時，風機會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。該系統具有完善的保護功能，包括：蓄電池過充電、蓄電池防反接、防雷、風機限流、風機自動剎車和手動剎車。

并網逆變器系統

并網逆變器系統，采用美國TI公司專用DSP控制芯片，主電路采用國際知名的西門康IGBT功率模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術和優質進口高效隔離變壓器，可靠性高，保護功能齊全，且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等特點。

雙向儲能逆變器

雙向儲能逆變器，主要功能和作用是實現交流電網電能與儲能電池電能之間的能量雙向傳遞，也是一種雙向變流器，可以適配多種直流儲能單元，如超級電容器組、蓄電池組、飛輪電池等，其不僅可以快速有效地實現平抑分布式發電系統隨機電能或潮流的波動，提高電網對大規模可再生能源發電（風能、光伏）的接納能力，且可以接受調度指令，吸納或補充電網的峰谷電能，及提供無功功率，以提高電網的供電質量和經濟效益。在電網故障或停電時，其還具備獨立組網供電功能，以提高負載的供電安全性。

蓄電池

蓄電池，為20塊12V200AH的太陽能專用膠體電池（浮充次數不少于1500次）工作溫度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蝕性能及深循環性能好。

智能微網控制系統

智能微網控制系統，采用武漢日新公司產品，該公司研發的智能微網控制系統為新技術產品，本設備可實現在各種狀態下智能、穩定切換，極大的提高了內部電網的系統安全性。太陽能電力、市電、儲能單元互為備用，負載供電首選太陽能電力，有多余電量則并入電網；儲能單元在電網故障時可滿足負載供電要求；太陽能電力不足時，引入市電對負載進行供電。用電負載供電方式靈活按照電網狀態選擇切換，各供電方式切換平穩迅速，實現了系統安全性的提高和太陽能電力利用最大化。

智能微網控制系統集成監控系統功能，可實時監控光伏控制器、逆變器、光伏陣列等設備，對整個系統的運行情況通過友好的界面實時的顯示出來。主要功能包括：設備自動檢索：新設備一旦被接入系統，會被自動檢索，并顯示在設備列表中；遠程查詢：用戶可以在任何一臺能登陸網絡的PC上實時監控點點的運行情況；系統詳細運行參數：實時顯示光伏控制器、離網逆變器、光伏陣列等的運行參數；故障記錄及報警：通過聲光等手段及時提醒故障，并作記錄；歷史數據記錄：可查詢設備指定時間范圍內的運行參數信息。

RLC交流負載系統

RLC交流負載模擬器作為微網系統三相模擬負載，主要用于測試微網系統對感性、阻性、容性負載的帶載能力以及微網控制策略對于負載變化的響應情況。其接線形式如下圖所示。

能量管理平臺面向各種控制和優化目標，通過對電源出力調節和自動網絡重構實現電網的能量管理。可實現優化目標包括：

1）平抑波動控制

平抑波動控制主要是指按照一定的策略控制分布式電源系統的發電功率和接入狀態，以保證在滿足負荷需求的前提下盡量多地使用清潔能源，而且同時要保證分布式電源所發電能全部就地消耗，系統也不會向電網反送功率，避免出現逆功率保護動作造成停電。

為了達到這一控制目的，需要在對各分布式電源系統發電的實時功率、負荷消耗功率、光照強度等一系列參數進行實時采集、綜合分析的基礎之上，實時計算得出當前分布式電源發電功率的調節目標，并采用以下手段來實現調節：

遙調：通過遠傳通道下達調節命令，改變分布式電源的發電功率

遙控：控制開關分、合閘以切除或投入該路分布式電源

2）需求側響應

在實時電價基礎上進行需求側響應的研究。通過峰谷電價調節，實現需求側響應調節負荷和分布式電源達到削峰填谷的目的。分布式電源對于電網而言本身具有一定的正調峰特性。而對于微網中的儲能系統而言，在參與削峰填谷時，通常根據負荷的高峰和低谷區域作為電池工作方式切換的邊界點。

3）優化經濟運行

根據電網分時電價與負荷狀況，合理分配光伏系統和風機發電功率、儲能系統充放電狀態，使得整個微網系統實現經濟運行，大大降低運行成本，實現經濟效益最優化。

4）并網與孤島運行模式切換

篇9

關鍵詞： 光伏匯流箱； 多通道電流巡檢； 遞推最小二乘法； 匯流支路故障定位

中圖分類號： TN948.64?34； TP274.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0172?04

Abstract： The photovoltaic （PV） combiner box is an essential device of photovoltaic power generation system， and monitoring for it can improve the operation and maintenance level of PV power plant. The recursive least square （RLSE） method is used to measure the current of PV array， which can reduce the interference of random measurement error， make the measured value closer to the true value， and improve the measurement accuracy. The LabVIEW is used to design a multi?channel online PV array current data acquisition system for PV combiner box. The experimental results demonstrate that the monitoring interface of the system can realize the real?time display， data storage and fault alarm for 8?channel current data simultaneously， and the system can observe the working condition of the components of each channel.

Keywords： photovoltaic combiner box； multi?channel current inspection； recursive least square method； fault location of combining branch

0 引 言

在傳統化石能源不斷減少的今天，同時人們認識到火力發電排放大量的污染物對環境造成了十分嚴重的危害，為了降低污染物的排放，采用新能源發電是減小污染物排放的一個重要途徑。 而光伏發電[1]作為一種高度清潔的能源技術，幾乎不產生污染物，越來越得到大家的重視。隨著光伏電站規模的擴大，由于太陽電池的串并聯特性[2]，使光伏匯流箱的應用得到廣泛應用。特別是大型屋頂光伏電站，由于云層、飛鳥、塵土遮擋等引起光伏組件熱斑效應以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使導線的絕緣受到破壞，引起匯流支路的故障，進而造成光伏發電站的發電量降低，所以對光伏匯流箱的監控就變得尤為重要。文獻[3]通過分析該匯流箱組串電流離散率，定位電流偏低和電流值的異常組串，但不能做到在線實時判斷異常組串。文獻[4]通過單片機控制固態繼電器的通斷來實現故障光伏組串的投入和切除，可是沒有實時保存運行數據。本文在研究光伏匯流箱[5?7]的基礎上，研究設計了一種多通道光伏匯流箱在線監控系統，采用遞推最小二乘法算法來測量光伏陣列電流，減少測量誤差，使測量值更加接近真值，該在線監測系統基于LabVIEW的特點，可以實時監測每路引到匯流箱的匯流支路電流和電壓，由于光伏組件的反向并聯二極管和匯流支路中的二極管的鉗位作用[8]，各匯流支路匯流后的電壓是相同的，即所有陣列電壓是相同的，同時在線處理大量的測試數據，判斷和定位故障光伏組串。

1.2 利用Matlab的仿真計算

利用Matlab語言強大的運算功能，可對量測數據進行處理。因為是仿真在線測量，所以利用三角波模擬測量信號，同時根據所需辨識的參數只有一個參量，取測量矩陣的維數為1×1。圖1是參數辨識的結果，圖2是參數辨識誤差。

圖1中實線是在線輸入的測量值，虛線是參數估計真值，從圖2中可以看出，隨著量測次數的增大，辨識精度逐步提高，并到達一個工程上可以接受的范圍。圖2中的小圖是辨識精度放大后的情況，可以看出在三角波模擬測量值的情況下其辨識精度達到±0.012。從仿真計算中看到，遞推最小二乘算法能快速準確地估計出需測量的參數真值，獲得較好的辨識結果，同時計算量沒有大幅增加，說明這種辨識方法更適用于計算機在線辨識。

2 光伏匯流箱在線監控系統

2.1 電流巡檢電路

根據流入匯流箱的電流是直流電流的特點，電流巡檢電路采用直流分流器來采集電流信號，直流分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，測量電壓正比于被測電流，具有良好的準確度、線性度和穩定性。一般直流分流器的滿負荷電壓是75 mV，其滿量程是15 A分流器的電阻值為0.075 =0.005 Ω，最大功率損失是1.125 W。由于電流信號是通過分流器得到的，其數值是小于1 V的，為低電平信號，為了抑制接地回路感應誤差，同時在一定程度上抑制拾取環境噪聲，采用差分測試系統。圖3所示是一個8通道差分測試調理電路，通過三個地址端A2，A1，A0控制8選1模擬開關CD4051，可以確定工作通道。使用運算放大電路可以減小模擬開關的誤差。

當改變電阻的比值，可以改變式（9）中的量測比值，同時符合電流分流器的要求，使測量的數值轉換為實際數值。差分測試調理電路與計算機連接采用NI公司的 USB?6009多功能數據采集卡，它具有8個模擬輸入通道和12條數字I/O線，利用其中3條數字I/O線可以通過軟件確定A2，A1，A0的數值。

2.2 系統軟件設計

軟件開發環境采用LabVIEW。LabVIEW是美國NI公司開發的一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，又稱G語言[12]，其包含大量用于數據采集、分析、顯示與存儲的工具和函數。根據遞推最小二乘算法的公式，每一次新的量測真值的估計值計算，是利用新的采集數據對前一次的估計值進行修正，這樣需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多個公式組成，在軟件實現上使用LabVIEW提供的公式節點，圖4是利用公式節點實現遞推最小二乘算法的程序框圖。因為在線測量8路光伏陣列電流，系統設計前面板上放置8個波形圖控件和報警控件，分別實時顯示8路光伏組件電流量測真值的估計值變化和報警提示。由于檢測系統是采用多路復用的調理電路，同時確定每路的電流采樣頻率是1 次/s，對8路通道測量，需每隔125 ms轉換一路，可以用LabVIEW的定時器進行時間設定，每125 ms產生一個順序改變測量通道信號。通過 USB?6009多功能數據采集卡的數字I/O線控制調理電路的采集通道，同時通道信號連接對應的通道程序框圖，每個通道的程序框圖中都含有遞推最小二乘算法的公式節點，用于處理電流的采樣數值。這樣系統對每一通道光伏陣列電流的情況，每1 s自動保存一個新數據到對應的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存儲在計算機中，1 min保存60個電流測量真值估計值數據，并且以當日的監測日期作為文件名保存測試結果，并在計算機屏幕上實時顯示，這些電流數據為日后故障檢測進行數據分析提供了大量有用的信息，數據自動保存在預設的路徑中，極大地提高了工作效率。同時使用LabVIEW的數組功能，每分鐘判斷每路電流測量值的差別，當一路光伏陣列電流連續10 min測得數據小于其他光伏支路的電流，說明該條光伏支路有故障，在前面板上給出故障支路編號信息，進行報警提示，同時通過多功能數據采集卡的數字I/O線進行控制，使出現嚴重故障的光伏支路脫離匯流箱，其軟件設計流程圖見圖5。

圖6主要反映最近2 min內第3支路光伏陣列電流的變化情況。從圖6可以看出，在這段時間被測光伏電流變化不是很大，說明采用遞推最小二乘算法可以很好地反應出被測量的真值，減小了隨機測量誤差的干擾。

3 結 論

通過采用遞推最小二乘法使在線測量的電流更接近真值，并利用 LabVIEW對光伏匯流箱設計一個多通道在線光伏陣列電流數據采集系統。監控界面能同時實現8個通道的數據實時顯示、數據保存、故障警示和匯流支路故障定位等，對光伏電池組件進行實時監測，可有效地觀測出每一路組件的工作情況。若匯流支路出現開路、漏電等故障，進行匯流支路故障定位，這樣可縮小巡檢組件陣列故障的范圍。實驗結果表明，本系統可以完成長時間采集，不會出現數據的丟失問題，并且可以根據實際的需要擴充至更多通道的實時采樣和分析并附加控制功能。

參考文獻

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關鍵詞：太陽能；組件；光伏發電；并網

能源是國民經濟發展和人民生活水平提高的重要物質基礎。太陽能是資源最豐富的可再生能源，具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力。充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧相處及能源與環境的協調發展。

隨著太陽能發電成本的下降，家用太陽能小型發電系統成為可能。現在在歐洲很多國家都推出了屋頂光伏計劃。

本文將主要介紹普通家用太陽能光伏發電系統的組成原理，設計與計算，希望能拋磚引玉，為太陽能的普及應用作一點貢獻。

根據普通家庭用電情況，太陽能發電照明示范工程設計方案如下：

一、太陽能光伏發電系統組成

家用太陽能發電的系統原理及組成如下圖所示：

圖a

1太陽能組件 2匯流箱 3電纜 4逆變器 5電表

太陽能光伏發電系統由1太陽能組件 2匯流箱 3電纜 4逆變器 5電表等組成，白天，太陽能組件將太陽光能轉變為電能后匯集到匯流箱后，進入逆變器將直流電轉變成標準的市電供家用電器使用，如有富余還可送到電網上，晚上或太陽光線不強的情況下，仍通過電網取電維持生活用電。

二、太陽能光伏發電系統的設計與計算

（一）普通家庭用電負載的估算：

一個普通家庭的家用電器和平均用電量如下表：

負載電器名稱 耗電功率 數 量 日均工作時間 日耗電量

照明節能燈 11W 8 6 528Wh

電腦 200w 2 5 2000Wh

噴墨打印機 30W 1 1 30Wh

電冰箱 50W 1 24 1200Wh

42寸彩色電視 180W 1 6 600Wh

衛星電視接收機/VCD 25W 1 6 150Wh

日均總耗電量： 4508Wh

通過上表我們可以看出一個普通家庭平均每天的用電量大約在5度左右。

（二）太陽能電池組件陣列的計算：

太陽能光伏發電的發電量：

日均發電量=組件總功率×平均日照峰值時間×綜合設計系數K；

考慮到組件實際利用中的灰塵降低因數0.9，高溫降低因素0.8，逆變器效率0.9，綜合設計系數：K＝0.9×0.8*0.9＝0.648

平均峰值日照時間根據太陽能的輻射不同而不同，我國主要城市平均日照峰值時間詳見下表，這里以長沙為例，長沙的平均峰值日照時間為3.2小時，則家用發電系統所需的總功率為：

組件總功率＝日均發電量/(平均日照峰值時間×綜合設計系數K)= 5KWh/(3.2h×0.648)＝2.41 kW

太陽能組件選用的185W單晶硅組件，其主要參數如下：

峰值功率 (Pmax): 185W

峰值工作電壓 (Vmpp):36.4V峰值工作電流(Impp): 5.09A

開路電壓 (Voc): 45V短路電流 (Isc): 5.43A

組件塊數＝2150/185＝13.03這里取14塊組件。

城市 緯度 最佳傾角 平均日照小時 城市 緯度 最佳傾角 平均日

照小時

北京 39.80 緯度+4 5 杭州 30.23 緯度+3 3.43

天津 39.10 緯度+5 4.65 南昌 28.67 緯度+2 3.80

哈爾濱 45.68 緯度+3 4.39 福州 26.08 緯度+4 3.45

沈陽 41.77 緯度+1 4.60 濟南 36.68 緯度+6 4.44

長春 43.90 緯度+1 4.75 鄭州 34.72 緯度+7 4.04

呼和浩特 40.78 緯度+3 5.57 武漢 30.63 緯度+7 3.80

太原 37.78 緯度+5 4.83 廣州 23.13 緯度-7 3.52

烏魯木齊 43.78 緯度+12 4.60 長沙 28.20 緯度+6 3.21

西寧 36.75 緯度+1 5.45 香港 22.00 緯度-7 5.32

蘭州 36.05 緯度+8 4.40 海口 20.03 緯度+12 3.84

西安 34.30 緯度+14 3.59 南寧 22.82 緯度+5 3.53

上海 31.17 緯度+3 3.80 成都 30.67 緯度+2 2.88

南京 32.00 緯度+5 3.94 貴陽 26.58 緯度+8 2.86

合肥 31.85 緯度+9 3.69 昆明 25.02 緯度-8 4.25

拉薩 29.70 緯度-8 6.70 銀川 38.48 緯度+2 5.45

組件應根據當時的實際情況安裝在屋頂陽光不受遮擋的地方，并據上表選擇相應的最佳的南北傾角，充分發揮太陽能系統的發電效率。

（三）逆變器選用

根據上面的計算結果太陽能組件的選用185W組件，七個串聯后，兩組并聯的型式，選用合肥陽光電源的SG2K5TL型并網逆變器，其具體參數如下：

型號 SG2K5TL

直流側參數

最大直流電壓 450Vdc

啟動電壓 170V

滿載MPP電壓范圍 150~380V

最低電壓 150V

最大直流功率 2800Wp

最大輸入電流 15A

推薦光伏陣列開路電壓 320V

由逆變器的技術參數知其最大直流輸入電壓為450V，最大功率追蹤的范圍是150~380V，而組件的開路電壓為45V,峰值功率電壓為35.2V，串連太陽電池組件數為S，最多為SMAX,,則有：SMAX＝最大直流電壓/組件開路電壓＝450/45=10，這里我們取S＝7塊.

根據太陽能光伏系統設計原則，驗算：

1．7塊組件串聯的最高輸出電壓（開路電壓）＝7×45=315V;

2．7塊組件串聯的最大功率點電壓＝7×35.4＝247.8V；

3．兩組7塊組件并聯后最大電流=5.09×2=10.18A;

4．當組件溫度比標準狀態升高70℃時，最大功率點電壓為178.4（取電壓的溫度系數為：-0.4%）

并網最大功率追蹤的范圍是150~380V，最大輸入電壓450V，由以上驗算可看出，兩組7塊組件串聯后再并聯的組合，符合并網逆變器的要求所選的合肥陽光電源的SG2K5TL型并網逆變器是合適的．

該系統總裝機容量為2.59KW，其發電量在中國大多數地區可滿足一般家庭的日常用電需求。

三、家用太陽能光伏發電的優點

家用在太陽能光伏發電系統大多數都會以光伏屋頂或光伏幕墻的形式出現,光伏發電系統可以以優雅美學的方式集成在建筑上，從而成為家庭建筑的一部分，使建筑更為美觀。家用小型的光伏發電系統分散式發電有如下幾點優點：

1．自產自消，減小了電能傳輸的成本和損失；

2．并網后對電網有削峰的作用，尤其在夏季用電高負荷的地區。

3．零排放，零污染，減小溫室氣體的排放。

四、結語

太陽能作為一種取之不盡用之不謁的，沒有污染排放的清潔能源是未來取代常規石化能源的一種重要形式。以家庭住宅為單位建設小型光伏發電系統，既不用額外占地，同時實現了分散發電，自產自消，節能環保，值得大力推廣應用。

參考文獻

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[2]崔容強，趙春江，吳達成．化學工業出版社，2007．