3KW家庭屋顶光伏太阳能发电系统

摘要

随着不可再生能源的日益稀缺，伴随的环境污染日益恶劣，因此新能源的开发得到了极大的推广。太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，它集开发利用绿色可再生能源、改善环境、改善人民生活条件于一体，被认为是当今最有发展前景的新能源技术，因而越来越受到人们的青睐。太阳能光伏发电的广泛应用将对保护生态环境、走经济可持续发展道路起到重要作用。

太阳能光伏发电的利用有两种方式，一种是将太阳能光伏发电系统所发出的电力输送到电网中然后供给负载使用，称谓并网发电方式。另一种是凭借蓄电池来进行能量存储的独立发电方式，它主要用于因架设线路困难市电无法到达的场合。本论文主要介绍南京某3kW屋顶光伏并网发电系统的最佳设计，其中包括光伏组件的布局，光伏组件的串并联设计，汇流箱设计，屋面的处理，配电系统设计，系统防雷设计等等因素。这些直接影响屋顶光伏并网发电站的合理性、稳定性和用户的经济效益。关键字：屋顶光伏并网；配电系统；防雷设计；汇流箱

Abstract

As non-renewable energy sources increasingly scarce, along

withworsening environmental pollution, so the new energy development has been greatly promoted.Solar

photovoltaicpower generation is an important part of new and renewable sources ofenergy,itscollectiondevelopmentandutilizationof greenrenewableenergyandimprovethe e nvi ronme nt,impr ov etheli v ing c onditionsofthepe opl ei n one,isbel i evedtobethemost promising new energy technologies, and thus more and more people of all ages. Widespreadadoptionofsolarpowerwillprotecttheecologicalenvironment,andtakethe road of sustainable economic development played an importantrole.

Solar photovolt a ic pow e r ge n era t ion i n two w ays, one be i ng em i tt e d

bys o larphotovoltaic power generation system used in load and supply electricity to the grid,andgrid-connected power generation. Another is an independent power with batteriesforenergy storage, it is mainly used in transmission due to erection difficulties mainscannotbe reached for the occasion. This paper introduces the Nanjing 3kW rooftopphotovoltaicgrid-connected generation system, the best design, including layout

of PV modules,PVmodule and parallel design, combiner box design, roof, electrical distributionsystem design,Systemlightningprotectiondesign,amongotherfactors.Thesedirectlyaf fectthe roof grid-connected PV stations of rationality, stability and user benefits. Key words:photovoltaic power generation and distribution system lightning protectiondesign of combiner box

Keywords ：Roof grid-connected PV ;generation and distribution system;lightningprotection design of combinerbox

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

目录 (2)

1 绪论 (4)

1.1 课题的背景 (4)

1.2 光伏系统原理 (5)

1.3 太阳能光伏发电的优点 (5)

1.4 本次设计的总体概述 (6)

2 光伏方阵总体设计 (6)

2.1 光伏组件的选型 (6)

2.2 光伏组件的串并联方式 (7)

2.3 太阳能电池组件的布臵及安装 (7)

2.3.1 组件的最佳倾角 (7)

2.3.2 组件的最小间距 (7)

2.4 组件的安装事项 (8)

2.4.1 安装系统地点的要求 (8)

2.4.2 平面和斜面屋顶式安装 (9)

3 光伏汇流箱 (10)

3.1 光伏汇流箱的功能 (10)

3.2 光伏汇流箱的设计特点 (10)

3.3 光伏汇流箱安装注意事项 (11)

4 并网逆变器 (12)

4.1 并网逆变器原理及选择 (12)

4.2 容量匹配设计 (13)

4.3 MPP电压范围与电池组电压匹配 (13)

4.4 最大输入电流与电池组电流匹配 (13)

4.5 转换效率 (13)

5 光伏系统的电气接入方案 (13)

5.1 电气接线图 (13)

5.2 电缆的选型 (14)

5.2.1 家用电缆的选型 (14)

5.2.2 光伏电缆的选型 (15)

6 防雷设计 (16)

6.1 雷电的三种形式 (16)

6.2 防直击雷的措施 (17)

6.3 防雷电感应措施 (18)

6.4 防止雷电波侵入 (18)

7 维护检修设计 (19)

8 总结 (21)

9 致谢 (22)

10参考文献 (23)

11附录 (23)

1 绪论

1.1 课题的背景

随着我国现代化经济的快速发展，全社会对能源的需求日益迫切，在大规模的过度开采下，石油、煤炭等不可再生资源变得日益稀缺，并将很快面临枯竭的命运。因此，新能源的开发与使用已经成为焦点，并且开始在很多地区得到推广。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。

李克强认为，工业化与信息化的深度融合是产业升级的方向和动力。他注意到，发

达国家依靠信息技术和电力技术的结合，可再生能源发电上网比例可以达到50％，

而中国存在风电、光伏发电并网难的问题。李克强要求，智能电网不能只对大用户开放，而要利用信息技术，鼓励发展小规模、分布式发电。在他的推动下，国家电网已向单位、家庭的屋顶光伏发电开放。特别是国家电网公司发布的《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》的实施，极大的激发了单位和家庭个人投资分布式发电项目的热情，对新能源分布式发电及并网的推广与应用起到了积极的促进作用。

1.2 光伏系统原理

屋顶光伏并网发电系统就是将太阳能发电设备组件安装在屋顶上，其中包括：光伏

组件、组件支架、防雷汇流箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、交流配电柜、升压变压

器系统等。系统与常规电网相连，共同承担供电任务。当有阳光照射时，逆变器将光伏

发电系统所发的直流电转变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给家庭交流负载使用，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。在没有充足阳

光照射的时候，负载用电全部由电网供给。

1.3 太阳能光伏发电的优点

1、太阳能资源随处可得，可就近供电。不必长距离输送，避免了长距离输电线路

所造成的电能损失，同时也节省了输电成本。这同时也为家用太阳能发电系统在输电不

便的西部大规模使用提供了条件。

2、太阳能光伏发电的能量转换过程简单，没有中间过程和机械运动，不存在机械

磨损，发电效率高

3、太阳能光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何

物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而

造成的冲击，是绿色环保的新型可再生能源。

4、太阳能光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，

可节省宝贵的土地资源。5、太阳能光伏发电操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有

太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上不需人值守，维护成本低。

6、太阳能光伏发电工作性能稳定可靠，使用寿命(30年以上)。晶体硅太阳能电池寿命可达20~35年。

7、太阳能电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而用根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。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。

1.4 本次设计的总体概述

本课题为3kW家庭屋顶光伏太阳能发电系统的设计与施工，但并没有实际去完成项目，而是参考其它已建成使用的并网光伏发电项目与理论知识结合，本课题设计一个3kWp 的小型系统，针对普通家庭的用电的需求，拟设在南京某建筑屋顶，可利用面积为40平米，整体面向正南，屋面基本为平面结构也考虑斜面屋顶。平均每天发电5.5kWh,即可供一个1kW 的负载工作5.5小时，并且实施并网操作。

2 光伏方阵总体设计

2.1 光伏组件的选型

为了有效合理利用太阳能，必须选择转换效率比较高的光伏组件作为系统的发电单元，当然性价比也很重要。这样选择不仅能够节约高效合理的使用有限面积，而且可以达到高发电量的要求。

项目采用了190W 多晶硅层压太阳能电池组件，其参数见表1。

表 2-1

2.2 光伏组件的串并联方式

光伏组件的串并联方式不仅和光伏组件的技术参数有关，而且与光伏并网逆变器的技术参数、光伏组件发电效率有关，同时也与整个光伏并网发电系统的施工方便、发电效率、造价成本等等都有很大的关系。光伏组件原则上必须在同一日照的条件下进行串联否则整体的发电效率肯定会受到输出能量最低的光伏组件的影响，从而导致整体发电效率的下降。

按照预期假设，则需要在屋顶布臵16 块光伏组件，功率约为3kW，需要占用屋顶面积为不到30 ㎡。以8 块光伏电池串联为1 组，再用 2 组并联的方式，即8 串2兵方式接入一台并网逆变器。

2.3 太阳能电池组件的布臵及安装

2.3.1组件的最佳倾角

南京位于北纬31°14′～32°37′,属于北亚热带季风气候区，四季分明，水量充沛，光能资源充足，年峰值日照小时数为1300h左右。根据光伏设计软件计算，光伏组件方阵最佳倾角为23度。

2.3.2组件的最小间距

设太阳能电池组件方阵阵前后安装时的最小间距D。一般确定原则：冬至当天早9:00 至下午3:00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。

计算公式如下：

式中：

φ：为纬度(在北半球为正、南半球为负)，根据项目地点经纬度计算；H：为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列间距应不小于D。

工作温度

-40℃～+85℃

图 2-1

根据选用的光伏电池参数计算得到D=0.45m 。

2.4 组件的安装事项

2.4.1 安装系统地点的要求

家庭屋顶光伏系统需要考虑的条件是可使用面积、房屋结构和承重要求等。屋面承重能力必须大于20kg/m 2

。不考虑房梁是木质结构的房屋，因为光伏系统使用年限长达 25 年，木质房梁易腐坏，所以不建议进行安装。若在斜面屋顶（如图2-2和图2-3）建设太阳能光伏电站，不能像平面结构那样方便的设计和选择最佳倾角。如在平面屋顶上（如图2-4），为了便于光伏组件和屋顶结合，一般都在屋面上直接平铺支架，由地理元素决定得北半球铺朝南面，南半球铺朝北面原则，能够最大效率利用光

能。支架与屋顶采用夹具连接，光伏电池组件再安装于支架上。这种方式不仅美观，而且可以实现屋顶面积利用最大化。

图 2 -2 图 2 -3

图

2 -4

2.4.2 平面和斜面屋顶式安装

屋顶太阳能电池组件阵列应采取抗风压措施。设计初期应向建筑结构专业提出要求,按抗风力等级要求对电池板方阵载荷进行力学计算。在整个屋面上采用镀锌不锈钢

支架组装的方式，组装非常方便，同时增加钢支架与屋面结构和相关承重结构的连接点,

将支架的重心设计在屋面的承重梁上，不仅解决屋面承重能力，也不破坏屋面防水层，还适应南京的气候环境特点。

（1）支架材料的选择电池组件的支架框架要求简单、结实、耐用。但无论哪种安装结构，都要确保牢

固支撑以及组件的固定良好，目标是能够使光伏方阵稳固的工作多年，并能够抵住各种恶劣天气的侵袭。许多组件制造商同时也专门为自己产品设计生产了固定装臵。

方阵支架重量要轻，以便运输和安装。制造安装电池方阵支架的材料，要能够耐受风吹雨淋的侵蚀及各种腐蚀。专门定制安装材料会比较昂贵，不同的材料成本又不尽相同。

铝材：重量轻，结实，耐腐蚀。铝角铁是一种容易加工的材料，用常用的工具就可以钻孔，而且这种材料很容易与多种光伏组件框架配合。缺点是铝不容易焊接。

角铁：容易加工，但也容易被腐蚀，镀锌角铁抗腐蚀性相对较好，但是安装支架或螺栓会使其生锈，特别是环境比较潮湿的季节。这种材料容易买到，可以直接焊成支架。

在实际工程中，电镀铝、电镀钢以及不锈钢都是较为理想的方阵支架材料。

（2）平面屋顶式安装在屋顶上选择合适的安装平面，根据电池组件支架的规格在屋顶适当的位臵打

孔，通过用螺栓将支架固定在屋顶上。各种安装方法会增加屋顶承重及风应力等问题。在整个组件安装完毕后，用防水胶把屋顶打孔缝隙填实，防止雨水渗透。施工期间要特

别注意安全，应在房屋周边搭建脚手架。

由于气流通路完全环绕电池组件周围，组件可保持相对较低的工作温度，从而提高

了效率。有些支架安装方式可以按照季节调节倾角，以提高光伏系统效率。

屋顶栏杆离方阵边缘距离应该大于1米，栏杆高度应按实际情况确定，但周围墙及栏杆不得影响方阵表面的光照。如安装面积有限，则可根据现场条件适当调整。

（3）斜面屋顶安装

在屋顶安装U 型卡件，方阵支架与U型卡件连接，能够方便、可靠地固定于建筑屋面。铺设油毛毡或用密封胶把孔填实，光伏组件安装从屋檐由左向右横向安装，再自下向上一层一层安装。保证各组件连接外的防渗漏功能。若有雨水渗漏，都能顺畅的沿组件边框下趟，不会渗漏到组件下面。

根据方阵的数量以及屋面安装面积合理排列方阵。并且保证背板留有空间通风散热。如果方阵距离屋顶超过8cm，那么方阵就会保持比较低的温度从而输出更多的电量。不推荐光伏组件与建筑屋顶平齐安装，因为这样组件将难以测试和更换，而且方

阵也会因为工作温度较高而导致性能下降。

3 光伏汇流箱

3.1 光伏汇流箱的功能

太阳能发电系统主要有光伏电池阵列、光伏汇流箱、光伏逆变器和电网组成。太阳

光经过太阳能电池阵列被转换为直流电，然后再通过逆变器变为交流电并入电网或者直

接供给负载使用。但是，由于光伏电池的转换效率不高，所以光伏电站往往占用很多的

土地，范围比较大。为了减少光伏电池阵列和逆变器之间的连线，并在电池阵列和逆变

器之间进行保护，就需要把多路太阳能电池阵列输出进行汇流、保护后，变为较少路的

输出输入到逆变器里。而光伏汇流箱就是起到这么一个作用。

光伏汇流箱用于连接光伏阵列与逆变器的设备，其防护等级为IP65，具备防雷及过流保护功能，并监测光伏阵列的单串电流、电压、防雷箱体内温度情况。为了提高系统的可靠性和实用性，可在光伏汇流箱里配臵光伏专用直流防雷模块、直流熔断器、断路器、监控模块等，方便用户及时准确的掌握光伏电池板的工作情况，保证太阳能光伏发电系

统发挥最大功效。光伏汇流箱的电气原理图见附录1。

无论太阳能电站大小，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装臵。使用光伏汇流箱，可以根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联组成1 个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏阵列防雷汇流箱，通过防雷器与断路

器后输出，方便了后级逆变器的接入。

3.2 光伏汇流箱的设计特点

1）箱体结构安全、可靠，保证元件安装后及操作时无摇晃、不变形，在该箱体

设计中对机盖及底均增加了加强筋，具有足够的机械强度。

2）设计保证防护等级IP65，采用了机盖四周封闭密封胶条方案，具备防水、

防灰、防锈、防烟雾，满足室外安装的使用要求。

3）每路电池串列的正负极都配有光伏专用保险丝进行保护；

4）汇流箱采用自供电模式，节省了汇流箱安装时的电源布线，给前期施工布线也带来了方便；