屋顶光伏发电系统

屋顶光伏发电系统设计

[摘要]介绍太阳能光伏并网系统及屋顶太阳能利用目前的状况、主要技术特点、设计原则、技术参数，以山东大学千佛山校区电气实验楼为例，设计了一个屋顶太阳能光伏发电系统。

【关键词】太阳能；光伏；并网发电；逆变器；山东大学；电气楼

太阳能是一种清洁、可再生能源，太阳能光伏发电实现了直接将太阳能转化为电能。我国人口众多，人均能源资源量较低，发展可再生能源是我国的必然选择，其中太阳能发电是最有前景的技术之一，从环境保护和能源战略上都具有重大意义。

在人们对能源需求急剧增加，而化石能源日益匮乏的背景下，开发和利用太阳能等可再生能源越来越受到重视。世界各国政府纷纷把充分开发利用太阳能作为可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。新世纪伊始，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税收政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础。近几年光伏发电快速发展，光伏市场开始由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，即2060年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到占世界能源构成的13～15％，成为人类的基础能源之一。

利用太阳能的必然性：

能源是人类经济社会发展的前提条件。自工业革命以来，在以石油、煤炭为代表的常规能源的大力推动下，人类社会得到空前发展。然而，常规能源的逐渐枯竭和自然环境的不断恶化已成为当今人类社会不可回避的现实难题。单纯依靠“节能减排”来缓解能源紧张的局面不能解决根本性的问题，必须要大力调整能源结构，用新能源、核能来逐步取代传统的一次能源。

表1．1是中国一次能源消费结构简表：

从表1—1中可以看出，煤炭占能源消费总量的比重至少在66％以上，1990更是高达76．2％，煤炭所占比重过大。2008年何祚庥院士在《物理学和调整能源结构》一文中指出，我国己不能再用石油、天然气取代煤，而是必须转向新能源、转向核能、转向不排放碳或低排放碳的可再生能源。鉴于能源需求日趋紧张的形势，一个逻辑的必然结论：我国必须从现在起转向大力开发可再生能源。胡锦涛在2005年国际可再生能源大会的致辞中指出：加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类实现可持续发展的必由之路。很难精确估计到2050""2100年，我国15亿人口的未来能源需求。一个国家处于工业化前期和中期时，能源消费通常经历一段快速增长期，能源消费上升速度和国民经济增长速度之比，或又称为能源消费弹性系数～般大于1；到了工业化后期或后工业化时期，能源消费弹性系数才有可能小于1。然而很难估计这～转折何时到来!但如果我国未来人均需求10吨标准煤(注：这是美国现有消费的水平)，这将是150亿吨；如果我国未来电力装机是人均3．3千瓦(注：这也是美国现有消费水准)，这将是50亿千瓦。已知2007年我国一次能源消费量是27亿吨标准煤，2007年电力装机量是7．2亿千瓦。下面是我国已知各种可再生能源的技术可开发的资源数量简表：

将上述太阳能以外的所有可再生能源的资源总量加起来，显然并不能满足我国未来对能源的需要!所以，要满足我国未来能源需求，就必须利用太阳能。

将太阳能光伏发电技术应用于大型民用建筑项目，国内目前尚缺少先例。将太阳能光伏发电应用于建筑物时，与建在边远地区、荒漠地区的独立电站有很多不同点，深入研究这些特点才能设计出经济、合理、高效、可靠的电力配电系统。

光伏发电的优点：

安全可靠、无噪音、无振动、无污染、无需消耗燃料，无需架设输电线路即可就地发电供电，建设周期短、可靠性高、维护简便，对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要的意义。

山东大学是我国历史悠久的著名大学，中国一流大学，是一所学科最为齐全、学术实力雄厚、办学特色鲜明，在海内外具有重要影响力的教育部直属老牌重点综合性大学，是首批进入国家“211工程”和“985工程”重点建设的高水平大学之一。本光伏发电系统是针对坐落于山东大学千佛山校区的电气工程学院办公楼（实验楼）设计的。

实验楼鸟瞰图

————————谷歌地球（卫星）20米/50英尺

光照及工程设计可用面积：

长46.5米，宽12.2米。总面积567.3平方米。

光伏系统的地理位置与该地的气象参数对系统很重要。下图为地理位置及气象参数：

阵列角度选择

根据当地纬度36°40'(36．7°)可以得到当地的冬至日太阳高度角。

A--90°一(L+23°27’)，L——地球纬度。

A--90°-(36．7°+23．45°)=29．85°。

计算评估各种仰角全年平均接受的日照辐射强度，可以得出在高

仰角情况下春冬两季的日照强度较好，在不考虑调整角度，且不使用跟踪系统的前提下，固定角度在35°得到的年平均辐射强度较好。

原理图如下：

在电气楼上安装朝向相同且规格相同的光伏阵列，在电气设计时，采用单台逆变器集中并网发电方案实现联网功能。

光伏电池的原理及其结构

光伏电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应。光伏电池的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明，图2．1为光伏电池的单元模型。当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴(因失去电子而带正的电荷)，如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。

太阳能光伏组件:

本系统采用HYPV—175型单晶硅

太阳电池组件，如图2。

技术参数如下。

组件由72片125×125的晶体硅太阳电池串联组成。阳极氧化铝合金边框构成实用的方形结构，允许单个使用或阵列使用。配有标准支架系统，安装孔。保证25年使用寿命。防尘接线盒，保证接线的安全可靠。银白色铝合金边框、高透光率钢化玻璃、。白色TPT衬底。输出功率为175W。开路电压为43．0V。短路电流为5．21A。工作电压为35．0V。工作电流：5．0A。组件尺寸为1580mm x 808mm ×35mm。最大系统耐压电压为1000V。重量为15．5kg。电池尺寸为125×125mm。在电气楼计划安装30*10即300数量的的光伏电池组件

总功率P（在一般标准情况下发电量）=52.5KW

年发电量约为459900 KW`·h

采用特点PVI-CENTRAL-300型号逆变器

光伏并网逆变器特性

特性见表3。

光伏阵列的最大功率点跟踪控制常用方法:

扰动观察法(Perturb＆Observe，PO),，恒压法(ConstantV oltage)，电导增量法也。光伏阵列的输出电压和输出电流随着外部环境或负载的变化具有强烈的非线性，因此在特定的工作环境下存在一个唯一的最大功率输出点。光伏阵列能否工作在最大功率点取决于光伏阵列所带的负载大小，图3．1是光伏阵列工作时的等效电路图。

图3．2是用图解法得出光伏阵列的工作点的示意图。图3．2中曲线为光伏阵列输出的电流电压(I-V)特性曲线，喜线表示负载电阻的I．V特性，二者的交点即为光伏阵列的工作点，工作点的电压电流既要符合光伏阵列的I．V特性又符合负载自身的I．V特性。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负载和光伏阵列就处于失配状态，光伏阵列所J^√M，J电能就没有被充分利用。

无法人为控制外界环境因素的变化，温度和光强在一天中经常是不断变化的，光伏阵列的输出特性也要随之变化，要使光伏阵列始终能够输出最大功率，必须适时改变其所接的负载。通常在光伏阵列和负载之间串联最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)电路来实现。最常用的最大功率点跟踪电路示意图如图3．3所示，是一个DC／DC变换器，光伏阵列所带的等效负载是DC／DC变换器占空比D和其所带负载R的函数，调节占空比就可以达到改变光伏阵列所带负载的目的，从而实现最大功率点跟踪。

MPPT控制方法是太阳能光伏发电系统高效利用太阳能的关键技术之一。

孤岛效应及其防护。

当一部分配电系统从电力系统中隔离开来，但仍继续由分布式发电设备供电时，则形成了孤岛。孤岛是一个没有调节控制的电力系统，由于发电和供电之间的不平衡且孤岛电网中可能没有电压、频率控制，其特性是不可预知的。孤岛处理方法：目前电力系统对孤岛的处理是立即停止所有分布式发电机的运行，使得整个线路都处于无电状态，防止可能对设备造成的损害，消除潜在的安全隐患。

当孤岛形成后，应能立即检测出来，要成功地探测到孤岛，基本要求为：孤岛检测方案应能对任何可能的孤岛都有效。孤岛的检测应在允许的时间内完成。主要是为了使分布式发电机重合闸时, 防止其与系统电压相位相差太大,重合闸装置的典型的延迟时间为0.5~1s, 理想情况下,反孤岛方案必须在重合闸装置进行重合之前将分布式发电机解列开.

孤岛检测方法

无源的检测方法：该方法主要是基于所测量的电压和电流信号在孤岛发生后的参数变化是否超过给定的阈值来判断孤岛是否产生。有源检测方法：该方法对系统加入扰动信号，然后根据检测到的系统响应来判断孤岛是否发生。

太阳能光电建筑的优点

从建筑、技术和经济角度来看，太阳能光电建筑有以下诸多优点：

（1）可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵

的城市建筑尤其重要；

（2）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。

对于联

网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网；（3）能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。光伏并网发电系统在白天阳光照射时发

电，该时段也是电网用电高峰期，从而舒缓高峰电力需求

（4）光伏组件一般安装在建筑的屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑集成

光伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升；

（5）并网光伏发电系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保

概念，可增加楼盘的综合品质。

光伏系统的避雷技术要求

对于光伏系统的避雷设计，主要考虑直击雷和感应雷的防护：

1) 光伏阵列安装在室外，当雷电发生时可能会受到直击雷的侵入，直击雷的防护通常

都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件作为接闪器，将雷电流接收

下来，并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入

地。

2) 感应雷的防护需要考虑太阳能电池板四周铝合金框架与支架应等电位接地，以及交

直流输电线路和逆变器等感应雷的防护，防护措施可采用防雷保护器。

3)防雷防护国家现在还没有专门针对光伏系统的设计规范，在项目设计时是要

委托专业的设计单位来设计。

太阳能光电建筑设计时，安全性设计有几点需要注意：

屋顶和建筑作为安装太阳能发电系统的场所，要有荷重（自重、积雪、风压）的承能力。

阵列的安装考虑到漏雨的问题，确保不给房屋系统造成破坏。

支架等安装材料的耐用性。

太阳能组件到室内的配线性能及保护方法。

施工作业的安全防护。

系统的防雷安全保护措施。

光伏发电的优点及存在的问题

目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但热能不便传输，一般只能就地使用，而且热能不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电以电能作为最终输出形式，具有传输极其方便的特点，在可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于光伏电池的原料一硅的储量十分丰富、光伏电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重

要地位，因而光伏发电受到广泛关注。

除提供能源外，光伏发电还有许多特殊优势，尤其是它可以为边远地区、特殊场合供电。考虑到光伏发电的附加价值，光伏发电的综合经济效益大大提升，因此不能单纯与传统发电模式比较单位发电成本。光伏发电可以降低温室气体和污染物排放、创造就业机会、保障能源安全和促进农村尤其是边远农村的发展。总之，发展光伏发电有许多经济、社会和环境保护的积极意义。

光伏发电虽具备以上优点，但在实际应用中还存在以下问题：

首先，光伏发电成本高。但自2008受金融危机的影响以来，多晶硅等上游材料价格的降低，光伏发电的成本与传统发电的成本差距也进一步缩小。2009年初，包括无锡尚德、赛维LDK、常州天合、林洋新能源、CSI阿特斯、南京冠亚等在内的光伏企业巨头们日前已将1元／度光伏发电成本的方案上交给科技部。从光伏发电利用较好的国家，如德国等发达国家来看，对光伏发电进行的补贴政策起到了很大作用。2009年3月份，我国财政部发布《关于加快推进太阳能光电建筑应用实施意见》，7月份，财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，计划在2—3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目。随着相关政策的出台，将适时地推动我国光伏发电产业的发展。其次，光伏发电中光电转换效率低，且光伏阵列的输出功率大小与外部环境密切相关，为了充分利用光伏阵列，通常在光伏发电系统中增加辅助电路以获得最大的输出功率。从而使系统的控制难度和复杂性相应增加。

此外，在系统并网运行时，需要同时实现的目标包括并网电流的正弦度、最大功率点跟踪、孤岛检测等，控制复杂，存在的居多问题严重阻碍光伏并网发电系统的推广与应用。

致谢：感谢王振树老师对我的帮助，为我提供大量的资料，书刊，文献影音资料，教我良好的查阅资料的能力。

参考文献：

《济南市园博园项目太阳能并网发电系统》张平王庆峰傅宁

《太阳能光伏发电系统的控制问题研究》熊远生

《光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法》董密罗安

《太阳能光电建筑应用及并网发电系统设计方案介绍》合肥阳光有限公司