家用4.24KW分布式光伏发电系统设计(光伏发电技术课程设计)

《家用4.24KW分布式光伏发电系统设计》（光伏发电技术课程设计）

目录

第1章绪论 (3)

1.1 项目背景 (3)

1.2 光伏发电应用 (3)

1.3 光伏发电应用前景 (4)

第2章家庭分布式光伏发电系统组成 (6)

2.1 家用光伏发电系统结构 (6)

2.2 BIPV电池方阵设计 (8)

2.3 BIPV关键部件规划与选型 (9)

2.4 BIPV系统部件选择 (10)

6.3.3BIPV配电及电网接入........................................... 错误!未定义书签。

第3章象山家庭4.24KW分布式光伏发电系统方案设计 (15)

3.1系统设计 (15)

3.2 太阳能光伏组件选配 (15)

3.3 逆变器选型 (15)

3.4 方阵设计 (16)

3.5接入系统方案 (17)

光伏电站应具有适当的抗电磁干扰的能力，绝缘等级能够承受电网正常的过电压，站内设备应能满足系统短路电流要求。由于本次光伏采用分散并网方式，并网点空气路器应满足并网光伏电站容量开断的要求。第4章光伏系统安装与管理 (20)

4.1 光伏系统施工方案 (20)

4.1.1 土建方案 (20)

4.1.2 轨道安装 (20)

4.2 光伏组件安装 (22)

4.3逆变器与交流配电箱安装 (22)

4.4防雷及电气调试 (22)

第1章绪论

1.1 项目背景

象山家庭4.24KW分布式光伏发电系统设计是在学习《光伏发电技术及应用》、《并网光伏发电系统开发与设计》、《光伏系统的开发》等相关理论课程后所设置的重要的综合性实践教学环节，课程的任务是通过选题的设计、安装和调试，巩固已学的理论知识，综合应用所学知识，进行光伏发电系统的设计，从而培养工程实践能力、创新能力，培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过查阅资料、选定方案、设计电站、安装调试、写报告等过程，得到一次科学研究工作的启蒙训练，也为以后工作奠定坚实的基础。

1.2 光伏发电应用

2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。2010年，我国太阳能电池产量达到10GW，约占全球光伏电池产量的一半。目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。从当前光伏发电应用领域来看，现主要广泛应用于工业、农业、科技、国防及人们生活方面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。

当前太阳能光伏发电主要应用领域如下：

1.通信领域的应用。主要包括无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。

2.公路、铁路、航运等交通领域的应用。如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。

3.石油、海洋、气象领域的应用。如石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备，观测站电源系统等。

4.农村和边远无电地区应用。在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决日常生活用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发

电功率大多在及瓦到几百瓦。应用1～5kW的独立光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题。另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等应用。

5.太阳能光伏照明方面的应用。太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，

太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等：还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。

图 1.1太阳能应用实例

6.大型光伏发电系统（电站）的应用。大型光伏发电系统（电站）是10kW～200MW的地面独立或并网光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。

7.太阳能光伏建筑一体化并网发电系统(BIPV)。BIPV将太阳能发电与建筑材料相结合，充分利用建筑的屋顶和外立面，使得大型建筑能实现电力自给、并网发电，这将是今后的一大发展方向。

8.太阳能电子商品及玩具的应用。包括太阳能收音机、太阳能钟、太阳帽、太阳能充电器、太阳能手表、太阳能计算器、太阳能玩具等。

9.其他领域的应用。包括太阳能电动汽车，电动自行车，太阳能游艇，电池充电设备，太阳能汽车空调、换气扇、冷饮箱等；还有太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统，海水淡化设备供电，卫星、航天器、空间太阳能电站等。

1.3 光伏发电应用前景

回顾100年间能源工业的发展历史，人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资

源煤和石油，虽然极大地解放了生产力，但同时也向人类敲响了常规能源面临枯竭的警钟。根据有关材料显示，人类己确知的石油储备将用40多年，天然气60余年，煤大约200年。另外，以化石能源为主体的能源结构，对人类环境的破坏显而易见，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，从而造成冰雪消融，冰川退缩，全球气候变暖。能源短缺和环境保护是21世纪经济发展和能源领域最重要的课题。目前国际上对太阳能资源已经十分重视。

1954年贝尔实验室第一块单晶硅太阳能电池面世，为世界能源提供了一个新的希望。在20世纪70年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期规划：到2010 年日本计划累计装机容量将达到5GW，德国为2.7GW，欧盟为3GW，美国为4.7GW，澳大利亚为0.75GW，印度、中国等发展中国家估计为1.5～2GW。统计表明到2010年，世界光伏系统累计装机容量预计将达到14～15GW。据权威机构预测，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％，2050年约占25％。由此可见，光伏发电具有广阔的市场和发展前景。

其他可再

生能源

光热

太阳能

光伏发电及光

热发电

风能

生物质能

水利发电

核能

天然气

煤炭

石油

世界第一块光伏电池太阳能利用前景

图1.2 太阳能光伏发电应用

第2章家庭分布式光伏发电系统组成

2.1 家用光伏发电系统结构

有别于大型集中式并网光伏电站，建筑物屋顶并网光伏发电系统的设计，由于受制于安装光伏组件的可用面积，其首先考虑的问题有所不同。

另外，在建筑物上安装的并网太阳能光伏发电系统的并网点一般在电网的配电侧(400V、230V)，属于分布式发电系统，其特点为：①并网点在配电侧；②电流是双向，可以从电网取电，也可以向电网送电；③大部分光伏电量直接被负载消耗，自发自用；④分“上网电价”并网方式（双价制）和“净电表计量”（平价制）。它不同于在输电侧(10kV、35kV、110kV)并网的大型集中式光伏电站。屋顶分布式光伏电站如图2.1所示。

图2.1 屋顶分布式光伏系统

1.屋顶分布式光伏电站建设意义

全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右，光伏建筑一体化是太阳能利用最佳的形式。其优点如下：

(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；

(1)能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。并网光伏系统在白天阳光照射时发电，也是用电高峰期，从而舒缓高峰电力，多余的电力并入电网；

(2)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；

(3)光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑集成光伏系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升；

(4)安装简便，可以任意选择发电量；

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

加楼盘的综合品质。

2.屋顶光伏发电系统分类

按光伏系统是否接人公共电网分，可分为并网光伏系统和离网光伏系统。

按光伏系统是否具有储能装置分，分为带有储能装置的系统和不带储能装置的系统。

按光伏系统其太阳电池组件的封装形式分，分为建材型光伏系统、构件型光伏系统、安装型光伏系统。

通常所说光伏与建筑一体化(building integrated photovoltaic，BIPV)，是指光伏系统与建筑物功能及外观协调、有机结合，其中也包括BAPV。

2.屋顶光伏发电系统组件类型

在BIPV设计与安装中使用建材型光伏组件、构件型光伏组件、安装型光伏组件3种不同的光伏组件,如下图6-2所示。

(a)建材型光伏组件(b)构件型光伏组件 (c)安装型光伏组件

图2.2 BIPV电池组件

(1)建材型光伏组件(material photovoltaic module)

将太阳电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等。

(2)构件型光伏组件(elemental photovoltaic module)

与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏组件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件、栏板构件等。

(3)安装型光伏组件(building attached photovoltaic module)

在屋顶或墙面上架空安装的光伏组件，与地面安装的组件几乎一样。光伏与建筑结合可分为如下一些形式：

①采用普通太阳电池组件，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料之上；

②采用特殊的太阳电池组件，作为建筑材料安装在倾斜屋顶上；

③采用普通太阳电池组件，安装在平屋顶原来的建筑材料之上；

④采用特殊太阳电池组件，作为建筑材料安装在平屋顶上；

⑤采用普通或特殊太阳电池组件，作为幕墙安装在南立面上；

⑥采用特殊的太阳电池组件，作为建筑幕墙安装在南立面上；

⑦采用特殊的太阳电池组件，作为天窗材料安装在天窗上；

⑧采用普通或特殊的太阳电池组件，作为遮阳板安装在建筑物上。

2.2 BIPV电池方阵设计

在BIPV系统中，即要注重建筑物系统美观，也要注意光伏系统发电效率问题。

1.太阳电池方阵安装的朝向与发电量估算

太阳电池方阵与建筑相结合，有时不能自由选择安装的朝向。不同朝向的太阳电池方阵发电量不同，不能按照常规方法进行发电量计算。可以根据图2.3对不同朝向太阳电池方阵的发电量进行基本估计。

南东

西

100

90

75

50

65

65

95

95

75

70

图2.3 朝向与发电量

①假定向南倾斜纬度角安装的太阳电池方阵发电量为100；

②其他朝向全年发电量均有不同程度减少；

③在不同地区，不同的太阳辐射条件下，减少的程度不同。

2.太阳电池方阵的遮挡

太阳电池方阵与建筑相结合，右时也不可避免东地会受到遮挡。遮挡对于晶体硅太阳电池的发电量影响大，而对于非晶硅太阳电池的影响小。一块晶体硅太阳电池组件被遮挡1/10的面积，功率损失将达50%;而非晶硅太阳电池组件受到同样遮挡，功率损失只有10%。

如果太阳能电池不可避免会被遮挡，应当尽量选用非晶硅电池。

3.太阳能电池方阵的温升和通风

太阳能电池方阵与建筑相结合还应当注意太阳能电池方阵的通风设计，以避免太阳能电池方阵温度过高，造成发电效率低（晶体管太阳能电池组件的结温超过25度时，每升高1度功率损失大约千分之四）。太阳能电池方阵的温升与安装位置和通风情况有关。具体情况如下：

(1)作为立面墙体材料，没有通风，温升非常高，功率损失9%

(2)作为屋顶建筑材料，没有通风，温升很高，功率损失5.4%

(3)安装在南立面，通风较差，温升很高，功率损失4.8%；

(4)安装在倾斜屋顶，通风较差，温升很高，功率损失3.6%；

(5)安装在倾斜屋顶，有较好通风，温升很高，功率损失2.6%

(6)安装在平屋顶，通风较好，温升很高，功率损失2.1%；

(7)普通方式安装在屋顶，有很大的通风间隙，温升损失最小。

4.太阳电池组件的选择

太阳电池与建筑相结合不同于单独作为发电装置使用，作为建筑的一部分，除了发电，还要考虑其他功能，如使室内和室外隔离、防雨、抗风、隔热、隔噪、美观及作为建筑材料供建筑设计师选用。

为了与建筑结合和安装方便，可将太阳能电池组件制作成太阳电池瓦，也可以制作专用托架或导轨，方便地将普通太阳安装其上。为了便于安装，与建筑结合的太阳电池组件常常制作成无边框组件，且接线盒一般安装在组件侧面，而不像普通组件一样安装在背面。

太阳电池组件还可以与各种不同的玻璃结合制作成特殊的玻璃幕墙或天窗，如隔热玻璃组件、防紫外线玻璃组件；隔声玻璃组件、夹层安全玻璃组件及防盗或防弹玻璃组件、防火组件等。

2.3 BIPV关键部件规划与选型

由于屋顶分布式光伏电站与建筑物相结合，且接入点在电网的配电侧，在进行BIPV设计时要注意如下几点：

1.工业与民用建筑光伏系统应进行专项设计或作为建筑电气工程设计的一部分。

2.光伏组件或方阵的选型和设计应与建筑结合，在综合考虑发电效率、发电量、电气和结构安全、适用美观的前提下，合理选用构件型和建材型光伏组件，并与建筑模数相协调，满足安装、清洁、维护和局部更换的要求。

3.光伏系统输配电和控制用缆线应与其他管线统筹安排，安全、隐蔽、集中布置，满足安装维护的要求。

4.光伏组件或方阵连接电缆及其输出总电缆应符合《光伏(PV)组件安全鉴定第一部分：

结构要求》(GB/T 20047.1)的相关规定。

5.在人员有可能接触或接近光伏系统的位置，应设置防触电警示标识。

6.并网光伏系统应具有相应的并网保护功能。

7.光伏系统应安装计量装置，并应预留检测接口。

8.光伏系统应满足《光伏系统并网技术要求》(GB/T 19939)关于电压偏差、闪变、频率偏差、谐波、三相不平衡度和功率因数等电能质量指标的要求。

2.4 BIPV系统部件选择

屋顶分布式光伏发电系统一般由光伏方阵、光伏接线箱、逆变器（限于包括交流线路系统）、蓄电池及其充电控制装置（限于带有储能装置系统）、电能表和显示电能相关参数的仪表组成。光伏系统中各部件的性能应满足国家或行业标准的相关要求，并应获得相关认证。

1.光伏阵列选型

(1)屋顶分布式光伏发电系统光伏阵列应根据新建建筑或既有建筑的使用功能、电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定光伏系统为建材型、构件型或安装型。

(2)根据建筑设计及其电力负荷确定光伏组件的类型、规格、安装位置和可安装场地面积,使光伏组件规格与现有安装面积达到最优配对。

(3)根据尽量采用最佳倾角且便于清除灰尘、保证组件通风良好的原则确定光伏组件的安装方式。

(4)根据逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数，确定光伏组件的串联数（或称光伏组件串或组串）。

(5)根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件申的并联数。

(6)同一组串及同一子阵内，组件电性能参数宜尽可能一致，其中最大输出功率P

、最大

m 的离散性应小于±3%。

工作电流I

m

(7)建材型光伏系统和构件型光伏系统在建筑设计时，就需要统筹考虑电气线路的安装布置，同时要保证每一块建材型光伏组件和构件型光伏组件金属外框的可靠接地。

2.光伏接线箱（汇流箱）选配

(1)光伏接线箱内应设置汇流铜母排或端子。

(2)每一个光伏组件串应分别由线缆引至汇流母排，在母排前分别设置直流分开关，并设置直流主开关。

(3)光伏接线箱内应设置防雷保护装置。

(4)光伏接线箱的设置位置应便于操作和检修，宜选择室内干燥的场所。设置在室外的光