家用分布式光伏专业系统设计并网型.docx
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家用分布式光伏专业系统设计并网型
家用分布式光伏系统设计
邓李军
(通威太阳能光伏电力事业部技术研发部,成全部)
摘要:
太阳能是最普遍自然资源,也是取之不尽可再生能源。
分布式光伏发电特指采取光伏组件,将太阳能直接转换为电能分布式发电系统。
它是一个新型、含有宽广发展前景发电和能源综合利用方法,它提倡就近发电,就近并网,就近转换,就近使用标准,不仅能够有效提升相同规模光伏电站发电量,同时还有效处理了电力在升压及长途运输中损耗问题。
现在应用最为广泛分布式光伏发电系统,是建在建筑物屋顶光伏发电项目,方便接入就近接入公共电网,和公共电网一起为周围用户供电。
从发电入网角度出发,依据家庭用电情况能够给出系统施工要求、设计方法和光伏组件、逆变器选择等。
关键词:
太阳能分布式光伏发电系统
1.序言
太阳能是一个关键,可再生清洁能源,是取之不尽用之不竭、无污染、人类能够自由利用能源。
太阳每秒钟抵达地面能量高达50万千瓦,假如把地球表面0.1%太阳能转换为电能,转变率5%,每十二个月发电量可达5.6×1012kW·h,相当于现在世界上能耗40倍。
从长远来看,太阳能利用前景最好,潜力最大。
近30年来,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产和市场开拓方面全部取得了长足发展,成为快速、稳定发展新兴产业之一。
本文简单地叙述了家用分布式光伏发电系统设计方法和施工要求,仅供参考。
2.太阳能光伏发电应用现实状况
太阳能转换为电能技术称为太阳能光伏发电技术(简称PV技术)。
太阳能光伏发电不仅能够部分替换化石燃料发电,而且能够降低CO2和有害气体排放,预防地球环境恶化,所以发展太阳能光伏产业已经成为全球各国处理能源和经济发展、环境保护之间矛盾最好路径之一。
现在发达国家如美国、德国、日本光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用,如德国“百万屋顶计划”使很多家庭不仅利用太阳能光伏发电处理了自家供电,而且这些家庭还办成了一所所私人“小型电站”,能够源源不停地为公用电网提供电能。
近几年,中国光伏行业发展也很快速。
国家对光伏发电较为重视,国家和地方政府相继出台了部分列补助政策以促进光伏产业发展,国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目,地方政府也陆续开启了光伏照明项目工程。
和此同时,偏远地域消费者逐步认可光伏产品,越来越多居民开始使用家用太阳能电源产品。
光伏应用市场发展较为快速。
但现在中国太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距,关键表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。
所以中国还必需不停改善技术,使中国太阳能光伏发电产业更上新台阶。
3.分布式光伏系统结构
太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料“光伏”效应,将太阳光辐射直接转换为电能一个新型发电系统。
它规模可大可小,在发电过程中不会排放污染物质,含有安装方便,没有噪音,整个寿命期间几乎无需维护等优点。
太阳能光伏发电系统分为两大类,一类是太阳能光伏发电独立系统,另一类是太阳能光伏发电并网系统,本文只讲述后者。
太阳能光伏发电并网系统关键包含太阳能光伏组件、光伏汇流箱、直流配电柜、并网型逆变器和交流配电柜等,家用并网型分布式光伏系统因为规模不大,汇流箱和交直流配电柜全部用不到,整体框架图1所表示。
图1太阳能光伏发电并网系统
本文包含家用太阳能光伏发电系统为小型分布式光伏系统,所以在设计过程中应充足考虑实际情况,通常应遵照经济适用标准,可靠性高、牢靠耐用、轻易维护、充足考虑地理和气候环境影响。
4.安装地点选择
家庭分布式光伏系统选址通常可选择在自家屋顶或空地上,需要考虑条件就是可使用面积、房屋结构和承关键求、地面基础情况和气象水文条件等。
若选择安装在自家屋顶上,屋面承重能力必需大于20kg/m2。
房屋房梁假如是木质结构话就不要考虑了,光伏系统使用年限长达25年,木质房梁易腐坏,提议不要进行安装。
若在人字结构屋顶建设太阳能光伏电站,不能像地面电站那样设计最好倾角,而且考虑前后遮挡间距。
为了便于光伏组件和屋顶结合,通常全部在屋面上直接平铺支架,北半球铺朝南面,南半球铺朝北面,这么方可最大效率利用光能。
支架和屋顶采取夹具连接,电池组件再安装于支架上。
这种方法不仅美观,而且能够实现屋顶面积利用最大化,见图2。
在平顶结构屋顶建设太阳能光伏电站,需要架设光伏支架和设计最好倾角和组件前后间距,见图3。
图2人字屋顶安装方法图3平顶屋顶安装方法
若选择安装在自家空地上,能够采取锚桩和混凝土条基做支架基础,见图4和图具体选哪种则需要从地质情况和成本综合考虑了。
另外,支架基础强度设计还要以当地气象条件做依据。
图4锚桩基础图5水泥条基础
需要注意一点,考虑到组件热胀冷缩效应,安装时上下左右组件之间间隔要达成3cm左右为佳。
5.家用分布式光伏系统设计
5.1光伏组件
现在使用较多两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。
(1)单晶硅太阳能电池
现在单晶硅太阳能电池板单体光电转换效率为16%~18%,是转换效率最高,不过制作成本高,还没有实现大规模应用。
(2)多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池板单体光电转换效率约15%~17%。
制作成本比单晶硅太阳能电池要廉价部分,材料制造简便,节省电耗,总生产成本较低,所以得到大量发展。
现在主流组件是250Wp多晶硅太阳电池组件,技术参数见表1。
太阳能电池组件种类
多晶硅
指标
单位
数据
峰值功率
Wp
250
组件效率
%
15.3
最大工作电压(Vmpp)
V
30.3
最大工作电流(Impp)
A
8.27
开路电压(Voc)
V
38.0
短路电流Isc
A
8.79
开路电压系数
/℃
0.32%
短路电流系数
/℃
0.053%
抗风力
Pa
2400
最大保险丝额定电流
A
15
最高系统电压
V
1000
尺寸
mm
1650×992×40
表1250Wp太阳电池组件技术参数
(3)中国太阳能资源分布情况以下
一类地域年日照3200~3300小时,辐射量7500~9250MJ/m2。
青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
二类地域年日照3000~3200小时,辐射量5850~7500MJ/m2。
河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
此区为中国太阳能资源较丰富区。
三类地域年日照2200~3000小时,辐射量5000~5850MJ/m2。
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。
四类地域年日照1400~2200小时,辐射量4150~5000MJ/m2。
长江中下游、福建、浙江和广东一部分地域。
五类地域整年日照时数约1000~1400小时,辐射量3350~4190MJ/m2。
四川、贵州两省。
此区是中国太阳能资源最少地域。
结合现在光伏发电技术,1kWp多晶硅太阳能电池组件五类区域年发电量大致以下:
地域
1kWp发电量(kW·h)
一类地域
1666~2055
二类地域
1300~1666
三类地域
1111~1300
四类地域
922~1111
五类地域
744~922
用户能够依据系统安装地点和自己年用电量情况来合理选择装机规模。
比如A家庭在太阳能资源四类区域,平均年用电量是3000kWh,装机3000W就够用了;B家庭在二类地域,平均年用电量也是3000kWh,装机W就能够了。
5.2光伏组件阵列安装朝向和角度
假如安装地点是平面,则要计算光伏支架倾角,北半球朝南,南半球相反。
考虑到跟踪系统即使能提升系统效率,但需要维护,而且会增加故障率,再结合费用、实用性等原因,家庭分布式光伏系统采取固定光伏方阵很好。
从气象站得到资料,均为水平面上太阳能辐射量,需要换算成光伏阵列倾斜面辐射量才能进行发电量计算。
对于某一倾角固定安装光伏阵列,所接收太阳辐射能和倾角相关,较简便辐射量计算经验公式为:
Rβ=S×[sin(α+β)/sinα]+D
式中:
Rβ——倾斜光伏阵列面上太阳能总辐射量
S——水平面上太阳直接辐射量
D——散射辐射量
α——中午时分太阳高度角
β——光伏阵列倾角
依据当地气象局提供太阳能辐射数据,按上述公式能够计算出不一样倾斜面太阳辐射量,确定太阳能光伏阵列安装倾角。
现在用得很多是利用RETScreen软件来分析不一样倾角是斜面上辐照度,再依据组件相关参数计算出不一样倾角年发电量,最终取年发电量最大所对应倾角。
比如A地不一样倾斜面各月辐射量(KWh/m2)见表2所表示,
表2
从中能够看出,当倾角在38°~40°之间时,光伏阵列上辐射量能达成最大,固A地太阳能光伏阵列安装最好倾角就在38°~40°之间。
5.3太阳电池方阵间距计算
计算当太阳能电池组件子阵前后安装时最小间距D。
通常确定标准:
冬至当日早9:
00至下午3:
00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。
计算公式以下:
式中:
φ:
为纬度(在北半球为正、南半球为负),依据项目地点经纬度计算;H:
为光伏方阵阵列高度;光伏方阵阵列间距应大于D。
6.并网逆变器选择
6.1选型
并网逆变器关键分高频变压器型、低频变压器型和无变压器型三大类。
依据所设计系统和业主具体要求,关键从安全性和效率两个层面来考虑变压器类型。
以下是它们之间对照表:
类型原因
安全性
转换效率
成本价格
重量、尺寸
高频变压器型
中
低
中
中
低频变压器型
高
中
高
大
无变压器型
低
高
低
小
家用分布式光伏系统是小系统,不需要很高技术指标,逆变器不带隔离变压器时,能源转换效率更高,再结合成本等原因,选择无变压器型较为合理。
6.2容量匹配设计
并网系统设计中要求电池阵列和所接逆变器功率容量相匹配,通常设计思绪是:
组件标称功率×组件串联数×组件并联数=电池阵列功率
在容量设计中,并网逆变器最大输入功率应近似等于电池阵列功率,已实现逆变器资源最大化利用。
6.3MPP电压范围和电池组电压匹配
依据太阳能电池输出特征,电池组件存在功率最大输出点,并网逆变器含有在特点输入电压范围内自动追踪最大功率点功效,所以电池阵列输出电压应处于逆变器MPP电压范围以内。
电池组件电压×组件串联数=电池阵列电压
通常设计思绪是电池阵列标称电压近似等于并网逆变器MPP电压中间值,这么能够达成MPPT最好效果。
6.4最大输入电流和电池组电流匹配
电池组阵列最大输出电流应小于逆变器最大输入电流。
为了降低组件到逆变器过程中直流损耗,和预防电流过大对逆变器造成过热或电气损坏,逆变器最大输入电流值和电池阵列电流值差值应尽可能大部分。
电池组件短路电流×组件并联数=电池阵列最大输出电流
6.5转换效率
并网逆变器效率标示通常分最大效率和欧洲效率,经过加权系数修正欧洲效率更为科学。
逆变器在其它条件满足情况下,转换效率应越高越好。
6.6常见家用并网型逆变器见下表
容量
范围
厂家
型号
输入
功率
输入
电压
输入
电流
输入
端口
效率
相数
1.2kw~9.6kw
SMA
SunnyBoy
1200
1320w
100v~320v
12.6A
1
90.9%
单相
SMA
SunnyBoy
1700
1850w
139v~320v
12.6A
1
91.8%
单相
SMA
SunnyBoy
HF
2100w
175v~560v
12A
1
95%
单相
SMA
SunnyBoy
2100
2200w
200v~480v
11A
1
95.2%
单相
SMA
SunnyBoy
2500HF
2650w
175v~560v
15A
1
95.4%
单相
SMA
SunnyBoy
3000
3200w
210v~560v
15A
1
95.5%
单相
SMA
SunnyBoy
3000HF
3150w
125v~440v
17A
1
96.3%
单相
SMA
SunnyBoy
3300
3820w
200v~400v
20A
1
94.4%
单相
SMA
SunnyBoy
3300TLHC
3440w
125v~600v
11A
1
94.6%
单相
SMA
SunnyBoy
3800
4040w
200v~400v
20A
1
94.7%
单相
SMA
SunnyBoy
4000
4200w
125v~440v
30A
2
96.4%
单相
SMA
SunnyBoy
5000
5300w
125v~440v
30A
2
96.5%
单相
阳光
SG1K5TL
1800w
180v~430V
10A
1
94%
单相
阳光
SG3KTL-M
3200w
125v~550v
20A
2
96.5%
单相
阳光
SG4KTL-M
4300w
125v~550v
26A
2
97%
单相
阳光
SG5KTL-M
5300w
125v~550v
26A
2
97%
单相
KACO
Powador
3200
3200w
350v~600v
8.6A
1
95.8%
单相
KACO
Powador
4400
4400w
350v~600v
12A
1
95.8%
单相
KACO
Powador
5300
5300w
350v~600v
14.5A
1
95.8%
单相
KACO
Powador
5500
5500w
350v~600v
15.2A
1
95.3%
单相
KACO
Powador
6600
6600w
350v~600v
18A
1
95.3%
单相
KACO
Powador
7700
7700w
350v~600v
19A
1
95.8%
单相
KACO
Powador
7900
7900w
350v~510v
19.7A
1
96.5%
单相
KACO
Powador
8600
8600w
350v~600v
21.4A
1
95.8%
单相
KACO
Powador
9600
9600w
350v~600v
24A
1
95.8%
单相
7.接入方案
7.1电气接线图
本方案关键适适用于自发自用/余量上网(接入用户电网)家用光伏电站系统,见图。
首先需要在家庭户内配电箱内安装一台微型式断路器和一台含有双向计量功效智能电能表。
经过该空气开关控制接入电网,增加一个显著开断点,满足自动断开、闭锁功效,低电压失电要求,符合电网安全运行要求;双向计量功效智能电能表精度不低于2.0级,作为计量关口。
其次,需要在并网交流配电箱内安装一台精度不低于2.0级计量多功效表,作为校核电能表,电能表电流电压回路接线接入低压侧尽可能回路。
图6电气主接线图
7.2电缆选型
7.2.1家用电缆选型
(1)压降估量
导线线径通常按以下公式计算:
S=IL/r×U`
式中:
I~导线中经过最大电流(A);
L~导线回路长度(m);
r~导电率,铜取57,铝取34;
U`~许可电源降(V);
S~导线截面积(mm2);
说明:
①U`电压降可由整个系统中所用设备(如探测器)范围分给系统供电用电源电压额定值综合起来考虑选择。
②计算出来截面积往上靠,绝缘导线载流量估算
(2)截面电流
通常金属导线截面存在最大经过电流,除了计算电缆压降之外,还需验证电缆界面电流是否满足条件。
铝芯绝缘导线载流量和截面倍数关系以下表。
截面/mm2
倍数
电流/A
1
9
9
1.5
9
14
2.5
9
23
4
8
32
6
7
48
10
6
60
16
5
90
25
4
100
35
3.5
123
50
3
150
70
3
210
95
2.5
238
120
2.5
300
经过上表能够估算出电缆截面安全载流量。
估算方法以下:
十下五;百上二;二五三五四三界;七零九五两倍半;穿管温度八九折;铜线升级算;裸线加二分之一。
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;七零九五两倍半就是七零和九五线全部乘以二点五;穿管温度八九折就是伴随温度改变而改变,在算好安全电流数上乘以零点八或零点九;铜线升级算就是在同截面铝芯线基础上升一级,如二点五铜芯线就是在二点五铝芯线上升一级,则按四平方毫米铝芯线算。
裸线加二分之一就是在原已算好安全电流数基础上再加二分之一。
现在通常家用电缆规格是1.5mm2或2.5mm2,在安装光伏系统时候,需要考虑光伏系统装机容量和自家原有电缆规格关系,看原有电缆能否满足光伏系统承载电流,尤其是电表进线规格大小。
7.2.2光伏电缆选型
光伏系统中电缆选择关键考虑以下原因:
1)电缆绝缘性能;
2)电缆耐热阻燃性能;
3)电缆防潮,防光;
4)电缆敷设方法;
5)电缆芯类型(铜芯,铝芯);
6)电缆大小规格。
光伏系统中不一样部件之间连接,因为环境和要求不一样,选择电缆也不相同。
以下分别列出不一样连接部分技术要求:
1)组件和组件之间连接:
必需进行测试,耐热90℃,防酸,防化学物质,防潮,防曝晒。
电缆使用在户外,直接暴露在阳光下,光伏系统直流部分应选择耐氧化、耐高温、耐紫外线电缆。
2)方阵内部和方阵之间连接:
能够露天或埋在地下,要求防潮、防曝晒。
提议穿管安装,导管必需耐热90℃。
3)方阵和逆变器之间接线:
必需进行测试,耐热90℃,防酸,防化学物质,防潮,防曝晒。
电缆使用在户外,直接暴露在阳光下,光伏系统直流部分应选择耐氧化、耐高温、耐紫外线电缆。
电缆大小规格设计,必需遵照以下标准:
1)交流负载连接,选择电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流1.25倍。
逆变器连接,选择电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流1.25倍。
方阵内部和方阵之间连接,选择电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流1.56倍。
2)考虑温度对电缆性能影响。
3)考虑电压降不要超出2%。
4)合适电缆尺径选择基于两个原因,电流强度和电路电压损失。
完整计算公式为:
线损=电流×电路总线长×线缆电压因子(可由电缆制造商处取得)。
8.防雷设计
为了确保本工程光伏并网发电系统安全可靠,预防因雷击、浪涌等外在原因造成系统器件损坏等情况发生,系统防雷接地装置必不可少。
太阳能光伏电站为三级防雷建筑物,防雷和接地包含到以下方面:
1、尽可能避免避雷针投影落到光伏组件上
2、地线是避雷、防雷关键。
预防雷电感应:
包含设备、机架、金属管道、电缆金属外皮全部要可靠接地,每件金属物品全部要单独接到接地干线,不许可串联后再接到接地干线上。
预防雷电波侵入:
在出线杆上安装阀型避雷器,对于低压220/380V能够采取低压阀型避雷器。
要在每条回路出线和零线上装设。
架空引入室内金属管道和电缆金属外皮在入口处可靠接地,冲击电阻不宜大于30欧姆。
接地方法能够采取电焊,假如没有措施采取电焊,也能够采取螺栓连接。
接地系统要求:
全部接地全部要连接在一个接地体上,接地电阻满足其中最小值,不许可设备串联后再接到接地干线上。
光伏电站对接地电阻值要求较严格,所以要实测数据,提议采取复合接地体,接地机根数以满足实测接地电阻为准。
电气设备接地电阻R≤4欧姆,满足屏蔽接地和工作接地要求。
在中性点直接接地系统中,要反复接地,R≤10欧姆。
防雷接地应该独立设置,要求R≤30欧姆,且和主接地装置在地下距离保持在3m以上。
引下线采取圆钢或扁钢,宜优先采取圆钢直径≥8mm,扁钢截面不应该小于4mm。
接地装置:
人工垂直接地体宜采取角钢、钢管或圆钢。
水平接地体宜采取扁钢或圆钢。
圆钢直径不应该小于10mm,扁钢截面不应小于100mm2,角钢厚度不宜小于4mm,钢管厚度大于3-5mm。
人工接地体在土壤中埋设深度不应小于0.5mm,需要热镀锌防腐处理,在焊接地方也要进行防腐防锈处理。
9.维护检修设计
光伏发电系统使用和维护好坏直接影响着系统使用寿命,影响着系统运行成本和发电效率。
通常情况下,无需对太阳能电池组件进行表面清洁处理,但对暴露在外接线接点要进行定时检验,维护。
1)遇有大风、暴雨、冰雹、大雪等情况,应采取方法保护太阳能方阵,以免损坏。
2)太阳能方阵采光面应常常保持清洁,如有灰尘或其它污物,应先用清水冲洗,再用洁净纱布将水迹轻轻擦干,切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。
3)运输中应注意预防太阳能电池组件受到碰撞,以免损坏。
避免太阳能电池组件方阵架在运输过程中有太大变形。
4)逆变器等电气设备是全自动控制设备,无需人工操作。
如无电压输出,请检验空气开关是否合上、保险盒是否熔断。
逆变器无输出,检验前面板状态指示灯判定原因;若一切指示正常,检验逆变器输出保险是否熔断。
5)逆变器等电气设备接地:
每六个月测一次接地电阻。
参考文件:
[1]黄丽华,纪建伟等.电力系统分析.中国水利水电出版社,
[2]张秀然等编.电工技术.机械工业出版社,1986
[3]李刚.太阳能发电原理.北京电力出版社,
[4]王永东.固定式光伏方阵日照性能.太阳能学报,第3期
[5]王春学.太阳能在并网发电中应用.机械工业出版社,
[6]蒋路平.风电、光电发电中逆变器选择.太阳能,第5期
[7]汤叶华.光伏技术发展现实状况.可再生能源,第3期
[8]彭丽新.太阳能利用技术.化学工业出版社,1月
[9]曹莹.家用太阳能发电系统设计.机电工程.1月
[10]李国荣等.光伏发电系统中电缆选型及敷设.GB50217-,
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