光伏发电系统设计及应用范文

导语：如何才能写好一篇光伏发电系统设计及应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：太阳能；光伏发电；光伏电池组件；

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

中图分类号： TK511 文献标识码：A 文章编号：2095-2104

随着综合国力的大力提升，人们对能源的需求量越来越大，能源的供应量日益紧张，而核能的发展又受到很多条件的限制，因此能源问题已经成为制约社会发展的关键问题，能源的结构也面临着巨大的挑战，因此尝试发展新的可再生能源已经成为社会发展亟待解决的问题。太阳能最为一种新型的、最安全、最环保、最取之不尽、用之不竭的新能源，越来越得到人们的日益关注和重视。据报道显示：我国国土面积的70%左右日照都在2200h以上，陆地表面每年接受太阳能的辐射相当于4.9万亿的标准煤，与我国的三峡工程相比，若其全部用于发电相当于上万个三峡发电量的总和，因此，太阳能的应用前景十分广阔。随着新科技的发展，人们对于合理利用太阳能有了进一步的发展，太阳能光伏发电在我国的研究情况也得到了极大的重视，正成为我国再生能源的主要组成部分。本文主要介绍太阳能光伏发电的基本工作原理、组成情况，并分析探讨了光伏发电系统的设计及应用情况。

1、太阳能光伏发电系统的工作原理

基本工作原理：利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。白天，当太阳光照在光伏电池组件时，在半导体的P-N结上，会形成新的极性相反的电子—空穴对，这些载流子在P-N结中电场的作用下，空穴和电子分别发生移动形成电路，从而获得能量。产生的能量分为两部分：一部分供给负载工作，另一部分给蓄电池充电。当没有阳光时，这是光伏电池就无法工作，给负载供电的任务就由蓄电池来完成。

2、太阳能光伏发电系统的组成情况

系统主要由以下几部分组成：光伏电池组件、蓄电池组、太阳能控制器、逆变器和DC-DC变换装置组成。

2.1、光伏电池组件：主要作用是当太阳光照在上面时，电池吸收光能并将太阳能转化成电能，是光伏发电系统最基本的组成部分。一般为硅电池，可分为三种类型：单晶硅、多晶硅及非晶硅。

2.2、蓄电池组：主要作用是存贮产生的电能，当光线不足或者晚上时，将电能释放供负载使用，是一种储能部件，在选择存储容量时，要与光伏电池组件的容量保持一致。

2.3、太阳能控制器：主要作用是规定和控制蓄电池的充、放电条件，对负载的电能输出，保证任何条件都可输出最大功率。

2.4、逆变器：主要作用是将储存的电能由直流变成交流。

2.5、DC—DC变换装置：主要作用是通过控制功率元件的通断，将输出的低压变为高压，保证能输出稳定的高压直流电。

3、太阳能光伏发电系统的设计

要设计太阳能光伏发电系统，主要设计两个方面的内容：容量和硬件。容量设计一般包括以下几个部分的计算：负载用电量、太阳能光伏电池组件、蓄电池组容量及安装最佳倾角等。

硬件设计一般包括以下几个部分：电池组件的选型、支架设计、逆变器及电缆的选择等，由于硬件设计比较简单，所以本文不做详细的介绍，主要介绍容量的设计。在本例中以独立式太阳能为例做着重介绍。

3.1、设计的基本步骤

3.1.1、收集使用太阳能地域的基本数据

设计时应该首先了解所用低于的地理位置、气象资料、太阳总辐射量、直接及散射辐射量等气象情况。

3.1.2、光伏电池组件的设计

基本要求：满足年平均日负载的用电需求。

并联的计算公式为：并联组件数量=日平均负载（AH）/{库仑效率×[组件日输出（AH）×衰减因子]}

串联的计算公式为：串联组件数量=系统电压（V）/组件电压（V）

3.1.3、蓄电池组的设计

基本要求：太阳连续低于平均值时负载的正常工作仍不受影响。

容量的计算公式：蓄电池组容量=[自给天数×日平均负载（AH）]/[最大允许放电深度×温度修正因子]

并联设计：根据容量，决定选择蓄电池的个体数，一般不超过4组，常用为2组，以保证在一组出故障时，另外一组可以正常工作。

3.1.4、安装的最佳倾角设计

最佳倾角设计是整个设计过程中最重要的环节，计算过程比较复杂，相关专家已经使用计算机计算出了我国部分城市的最佳倾角，设计时只需查表就可以。

3.2、光伏电池组件及蓄电池组容量设计示例

某个偏远地区的独立式太阳能光伏发电系统的设计实例。负载：24 V，140 AH/d，为直流，该地区最低光照辐射是一月份，采用30°倾角，斜面上的平均日太阳辐射为3 kWh/m2（相当于3个标准峰值小时），选择典型的75W太阳能光伏电池组件（其峰值电流I mp为4.4 Amps），自给天数为2 d，蓄电池允许的最大放电深度为50%，库仑效率为90%，温度修正系数为0.7，太阳能光伏电池组件的输出衰减为10%，计算太阳能光伏电池组件数及蓄电池组容量。

3.2.1太阳能光伏电池组件计算

（1）组件日输出=3峰值小时×4.4安培=13.2 AH/d

（2）并联组件数量=日平均负载/{库仑效率×[组件日输出×衰减因子]}=140/{0.9×[13.2×（1-10%）]}=13.09；选择并联组件数量为13。

（3）串联组件数量=系统电压/组件电压=24/12=2；选择串联组件数量为2。

（4）所需的太阳能光伏电池组件总数为：13（并）×2（串）=26块

3.2.2蓄电池组容量计算

①蓄电池组容量=[自给天数×日平均负载]/[最大允许放电深度×温度修正系数]=[2×140]/[50%×0.7]=800AH

②选用12V/400AH的蓄电池，则需要该蓄电池2（串）×2（并）=4个

4、太阳能光伏发电系统应用案例

随着新能源的普及，目前太阳能光伏发电系统得到了越来越广泛的应用，我国的光伏产业也得到了前所未有的快速发展和重视程度，太能能光伏发电系统的使用会使我们的生活方式更加健康、环保、节能。下面举几个在我国使用的案例：奥运会、世博会、加油站、公园等。

案例一、应用在我国的奥运体育场馆。奥运体育场馆的太阳能光伏发电的总装机容量为130kv。此系统的电力直接输送到国家体育场馆的电力系统，不仅给奥运馆提供巨大的帮助作用，也可以对有效控制大气污染，倡导绿色环保的生活方式起到良好的促进作用。

案例二、应用在上海世博会。在上海世博会中，有许多的主题馆都使用的是太阳能光伏发电系统，例如：中国馆、主题馆、演艺中心等。安装的总机容量超过4.68兆瓦，一年的发电量大约是408万KWh，与标准的条件相比，1d的发电量能够供应150户人家使用1个月。

案例三、应用在上海世博园附近的太阳能加油站。此加油的太阳能光伏发电具有以下几个特点：其一，采用防爆安全等级最高的C1D2；其二，能实现太阳能供电系统和普通供电系统的自动切换；其三，可节约能量，每年可节约的经济款项可高达4万元。

案例四、应用在北京的各个公园和许多风景区。在北京一共有106个公园及部分的风景区，采用目前最新型的“并网独立”发电系统，推广的路灯大约8843盏，依照常态的500W一盏路灯每天照明8h计算，一年大约可以节省用电量1200kW.h。

太阳能应用的案例特别多，比如许多城市的路灯等，本文不进行一一列举。

我国目前的光伏产业在世界上的地位是处于较为领先的水平，并且经过近几年的发展，发电规模达到了世界上的领先地位。太阳能作为一种新型的取之不尽、用之不竭的绿色环保能源，经过更深层次的发展和改进和科技的进一步发展，太阳能的发电成本会逐步的降低，将会在社会中使用的越来越广泛。

参考文献：

[1] 周丽梅,薛钰芝等,小型太阳能光伏发电系统的实现[J].大连铁道学院学报,2006(3):94-96.

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【关键词】太阳能；光伏系统；设计；计算

引言

随着传统能源的不断减少，新能源发展迅猛，而太阳能发电因环保清洁等因素备受各国青睐，并且日益广泛地应用于各个领域。为了保证太阳能系统稳定，可靠，我们在设计初期就会综合考虑多种因素，合理化设计系统方案，以达到光伏系统最优化配置。

1、太阳能光伏系统简介

1.1太阳能光伏系统组成

太阳能光伏系统由以下几部分组成：太阳电池组件，充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。

1.2太阳能光伏系统优点

光伏系统具有以下的特点：没有转动部件，不产生噪音；没有空气污染、不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好；作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；根据需要很容易扩大发电规模。

1.3太阳能光伏系统分类及应用

光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。

光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。

2、太阳能光伏系统设计

2.1影响设计的诸多因素

太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。太阳能电池方阵的光电转换效率，受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到充电的效率等。负载的用电情况，也视用途而定，如通信中继站、无人气象站等，有固定的设备耗电量。而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的。

2.2太阳能光伏系统设计方案

2.2.1光伏离网系统设计计算

系统设计计算应包括：蓄电池选型计算、太阳能组件选型计算、控制器选型计算、逆变选型计算等，这些计算可根据用户的要求来提供。

①蓄电池容量的计算

在独立供电系统中储能主要依靠铅酸蓄电池，蓄电池的容量的简单计算可利用下面的公式

Cbat=负载耗电量×备电时间÷系统电压÷逆变效率÷放电深度

浅循环蓄电池的放电深度：0.5；深循环蓄电池放电深度：0.7；逆变效率：0.9。

②太阳能组件容量的计算

太阳能组件容量的计算可依据下面的公式：

光伏方阵总功率=每天用电量÷标准日照÷系统转换效率

考虑到供电的可靠性，对求得的组件容量进行修正，一般容量扩大5%-15%，本系统计算中取容量扩大10%。

③太阳能控制器容量的计算

输入电流=组件的峰值电流×并联块数×安全系数

④逆变器容量的计算

由于我国当地的用电电压为AC220V，所以选择输出电压为AC220V的离网逆变器，考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程时有较大的冲击电流，同时考虑系统的临时增加负载的情况，所以逆变器功率应相对选择较大的。

2.2.2光伏并网系统设计

本设计在遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想和设计原则下，着重考虑以下设计原则。

先进性原则。随着太阳能技术的发展，太阳能电源设计必须考虑先进性，使系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证系统具有较长的生命周期。

实用性原则。太阳能电源系统设计充分考虑我国太阳能电源设备生产现状，选用有大规模实际工程应用经验的产品，采用先进成熟的技术，保证产品的稳定性、可靠性和可维性。

经济性原则。太阳能电源系统设计在保证系统各项技术指标的前提下，努力降低工程、设备成本，提高系统的性能价格比，保证用户的投资效益。

并网系统设计根据有效面积计算实际安装太阳能电池组件的容量，并根据此计算选配逆变器的参数，计算方法和离网系统计算大致相同。在并网系统里没有蓄电池和控制器，太阳能电池组件发出的电能经过逆变后直接并入电网。

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关键词：建筑光伏发电；并网发电；经济效益估算；绿色建筑；分布式能源

引言

随着国家大力推进节能减排战略，绿色建筑的概念日益被人们接受。我国到2020年，绿色建筑占新建建筑比重将超过30%。在绿色建筑评价体系中，对太阳能的利用是重要的一部分。太阳能光伏发电技术目前较为成熟，市场上应用广泛，市场运营模式健全，经济效益可观，而且国家大力扶持，有一系列补贴政策。所以太阳能是目前利用最广泛的可再生能源，我国太阳能资源丰富，发展潜力巨大。建筑光伏发电较集中式光伏电站，对土地资源的要求更低，且电能可以就地消纳，无需长距离传送，避免了电能的损耗，同时对公共电网的冲击也较小。建筑屋顶可利用面积大，增长潜力巨大，是可再生能源发展利用的重要方向。

绿色建筑的光伏系统在设计应用时，需要考虑其他方面的要求，如对建筑结构承载能力的考量，对建筑功能和外观的影响。系统设计会变得更为复杂，根据所在地区的气候特点，建筑的周边环境，阴影遮挡，选择相应的光伏组件，安装位置和方式，兼顾建筑的外观，同时考虑发热对建筑的影响。设计流程为：光伏电量需求分析，确定光伏系统的形式，收集当地日照、气象、地理等条件，确定建筑可利用光伏发电的区域；光伏组件的选型与布置、确定发电容量，控制器、逆变器的型号容量选择，组件的支架与安装方式设计，交流侧系统设计，系统防雷、接地与保护的设计与配置，监控和测量系统的设计。

1 光伏发电主要设备选型

1.1 光伏组件的选型及安装

1.1.1 光伏电池类型及特点分析

光伏组件需满足下列要求：（1）有足够的机械强度，能够承受诸如冰雹等极端天气的影响；（2）有良好的密封性，可以防风、防水、减少外界对太阳能电池的腐蚀；（3）抗紫外线辐射；（4）绝缘良好；（5）电池单元间的连接可靠且能耗小；（6）有足够的工作寿命，一般工程上要求有20年以上的使用寿命；（7）组件之间的特性偏差不大，有相同的输出特性。主流的太阳能组件尺寸规格大约有两种，1000mm×1600m和1000mm×1900mm，分别由60个和72个电池片组成。整个系统应尽量选择同一型号的光伏组件，避免出现各支路电流不平衡，各时段效率不同等情况。

1.1.2 光伏设备的组装要求

光伏电池方阵应选择朝南安装，如果有特殊原因限制，方阵面向东或西偏转的角度不应大于当地地理纬度的角度[1]。在屋顶安装光伏系统时，应设置避雷装置及栏杆扶手等保护设施。光伏阵列一般为固定式安装，安装倾角可参考文献[1]附录B的值，不同于集中式电站，建筑光伏与屋顶面积、周边环境、屋顶承载力等相关，宜根据实际情况进行综合考虑。光伏设备支架的承载和防风及屋顶的承重应经过严格力学计算的验证。光伏组件间距的设计原则是在冬至当天9：00～15：00光伏方阵不被阻挡。

光伏阵列的布置需要综合考虑屋顶面积的利用率和早晚阵列前后遮挡所造成的热斑效应来选择横排或竖排方式。根据理论计算，横向排布可比纵向排布多5%左右的发电量，增加20%的占地面积，但安装的工程量和难度会稍大。

1.2 光伏逆变器的选型

光伏逆变器将光伏发出的直流电转换为民用电压的交流电或并网点电压的交流电，是光伏发电系统中关键的一个环节。光伏逆变器的选型原则如下：（1）由于光伏逆变器容量越大，单位功率制造成本越低，效率越高，对于绿色建筑，可考虑选用一台容量可覆盖发电功率的逆变器；（2）由于一天中光伏发电量变化较大，需要选择直流输入电压范围宽的逆变器，从而可以最大限度地利用太阳能，增加光伏系统发电时间；（3）需要有抗干扰能力和过载能力；（4）当光伏发电系统发生故障后，逆变器应能将光伏系统从主网中解列，当故障排除后应能重新并网；（5）光伏逆变器必须装有防止孤岛运行的保护措施[2]。

MPPT（Maximum Power Point Tracking最大功率点跟踪）控制器可以对光伏阵列直流输出的最大功率点进行跟踪，光伏电池的输出特性随环境温度和日照强度的变化会呈现不同的功率输出特性，MPPT控制器及其算法可以通过改变负载特性提高光伏组件的发电效率。典型的MPPT算法有：扰动观察法、定压跟踪法、模糊控制法、导纳增量法[3]。这些控制算法各有优缺点，应用于建筑光伏系统时需要根据实际环境情况及项目需求选择合适的算法。

根据实际的设计经验，光伏组件的串联数目一般为18个、20个或22个，依据光伏组件的选型计算出逆变器MPPT电压最大值和最小值以及最大直流输入电压，选择符合要求的MPPT电压范围，并估算整个系统的发电功率和直流侧总电流，最后决定逆变器型号和个数。

1.3 汇流箱的选型及安装

汇流箱的作用是将光伏方阵的多路直流输出电缆分组并汇集，使得接线有序便于维护，在发生局部故障时，可以局部检修，不影响整体工作，汇流箱的下一级接入逆变器，建筑光伏系统中常用12串或16串输入的汇流箱，汇流箱中应由直流故障保护单元、断路器、熔断器、防雷、浪涌保护器等元件构成，并配有电量检测系统和通信单元，可以实时将汇流箱内部的分支电流、电压和功率等参数上传到控制中心并可以远程操作开关。汇流箱的安装位置应就近安装在组件串的附近，从而减少电缆铺设长度和线损。箱体的安装高度满足各限制的要求，箱体底部留有足够空间用来安装、维修，箱体的防护等级应根据现场环境确定。

2 光伏系统运行方案

2.1 独立运行系统

独立光伏系统即离网光伏发电系统，系统所发出的电能提供本建筑物内电器使用，与公共电网隔离。负荷类型可以是直流负荷，交流负荷或者交直流混合的负荷。系统可分为有蓄电池和无蓄电池系统。在有蓄电池系统中，当发电功率大于本地负荷，可以将电能存储于蓄电池中，在发电低谷时使用。当发电功率低于负荷，并且蓄电池提供的电量仍不满足要求时，可以使用公共电网提供负荷。系统中需要安装光伏控制器，在蓄电池充满电时，光伏系统停止发电，防止蓄电池过充，当蓄电池低电量时，停止蓄电池放电，有效保护蓄电池。

2.2 并网运行系统

并网运行是通过并网逆变器将所发的电能直接并入电网，光伏发电系统可以看做是一个分布式的电源，在建筑的公共电网接入点，电能可以是由电网流入建筑，也可以由建筑流向电网。相比独立运行系统，并网运行可以不采用蓄电池和光伏控制器，但需要并网逆变器和防孤岛运行系统。并网运行可以充分利用光伏电能，不会造成能量浪费，系统的固定成本比独立运行系统小，使用寿命一般按25年设计，而独立系统受制于蓄电池的使用寿命一般为10年左右，并网系统的运行维护成本也相对较低，目前并网技术已经成熟，建筑周边的电网接入点较多，因此，在设计建筑光伏发电系统时，一般重点考虑并网运行方案。并网逆变器配置以太网通讯和RS-485接口，把数据传输到计算机上观察、操作，监控系统应对下列参数进行监测和显示：光伏阵列直流侧的电压和电流、交流侧电压和电流、当日发电量、实时发电功率、总发电量、太阳辐射量、环境温度等系统参数、光伏组件温度，减少的二氧化碳排放量和故障状态等信息。

2.3 系统接线的设计方法

以并网运行系统为例，并网接入电网的方式有：专线接入和支线接入方式。在设计系统前应先统计光伏组件的总数，选择串联个数和总串数，根据串数选择合适的光伏汇流箱型号和个数，组成光伏系统直流侧的接线。为保证系统电压稳定，每一串组件个数必须相同，而每个汇流箱接入的串数可以不同，要以节省汇流箱个数为原则进行分配。统一连接到室内直流配电柜，直流电压接入光伏逆变器逆变后连接到公共电网中。并网型建筑光伏发电系统是典型的分布式电源，为保证并网后对公共电网的冲击影响不超过限值，要求分布式电源的装机容量不超过上一级变压器容量的20%。

3 经济效益分析

在设计建筑光伏系统时，经济效益是衡量项目是否可行的一个重要指标，需提供经济效益的评估表，确定投资回收周期和收益。建筑光伏系统输出功率相对较小，一般而言，一个建筑光伏系统项目的容量在数千千瓦以内，相比集中式电站，免去了土地价格，降低了安装费用和输配电费用。建筑光伏系统项目在发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染，环保效益突出，因此，发电系统的外部效益同样不可忽视。

光伏系统的实际收益为：寿命期内发电量上网的总收入加上政府补贴收入，扣除设备采购安装费用和维护保养费用。每块太阳能光伏组件年发电量W1为：

W1=■×？浊1×S×103 （1）

式中：E-安装地点的年太阳辐射量，MJ/m2，根据气象资料取值；η1-光伏组件能量转换效率，%，根据样本资料取值；S-光伏组件面积，m2。光伏系统年发电量W2为：

W2=W1×N×？浊2×？浊3 （2）

式中：N为系统中光伏组件的总数；η2为逆变器效率，%；η3为计入其他传输损耗加上光伏设备维修保养停运损耗的系统效率，%；《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》国家光伏上网补贴价为0.42元/kWh，期限为20年，各地还有不同的地方性补贴政策和电价，设计使用寿命内的总收益为：

式中：Pgt：光伏发电上网功率，kWh；Pct：光伏发电自发自用功率，kWh；Pg：国家补贴，元/kWh；Pl：地方性补贴，元/kWh；Pk：工商业或民用电价，元/kWh；Pc：脱硫燃煤电价，元/kWh；t1：国家补贴期内总时数，h；t2：地方性补贴期内总时数，h；t3：设计寿命期内总时数，h；R1：设备的平均损耗率，%；R2：平均供电可靠率，%；Ig：光伏发电系统的初始投资，元；Mei：光伏系统第i年的运行维护费用，元。随着中国光伏产业链的完善和普及，光伏组件和光伏逆变器的价格不断下降，安装成本也逐步降低，电能不需要远距离输送，降低了网损，因此建筑光伏系统的投资回报率不断提高，成为绿色建筑的一个重要应用技术。

4 案例

以上海地区一个绿色建筑示范工业园屋顶光伏系统的设计为例，选择并网运行模式，可利用的屋顶面积约为5000m2，采用1496块1.6m*1m的光伏组件，最大输出功率为250W，装机容量374kWp。22块组件为一串，共68串，每12串接入同一个汇流箱，不同建筑之间不宜共用汇流箱，所以项目总计使用7个汇流箱。所有直流线路接入园区的配电间的直流配电柜内，采用一个550kVA的三相逆变器，满载MPPT电压范围为450-850V，最大输入电流为1200A。

光伏组件分别安装在2个车间、1个办公楼的屋顶以及停车场顶棚上，组件的安装倾斜角度为25°。上海地区的年太阳辐射量约在4700MJ/m2[4]，则每块太阳能光伏组件年发电量为421.2kWh，1496块光伏组件的年发电量为630115kWh。逆变器平均效率为96%，其他传输损耗加上光伏设备维修保养停运的损耗，系统的效率按80%计算，光伏系统的年发电量可以达到500000kWh以上。根据《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》，分布式光伏的“度电补贴”金额为工、商业用户0.25元/kWh，补贴时间为5年，上海市的脱硫燃煤电价为0.4593元/kWh。《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》国家补贴为0.42元/kWh，期限为20年。本项目光伏组件设计使用寿命为25年，系统设计使用年限为25年。预计7～8年可收回投资，其余工作年份收入即为收益。

5 结束语

（1）光伏发电系统的设计需要遵循可靠性、合理性、经济性的原则，既保证可以长期可靠运行，满足预计的发电量需求，又以经济合理的方式配置整个系统，以最小的投资达成设计的目标。系统设计可分为两个阶段，第一阶段选型和布置光伏组件，确定直流侧电能的参数。第二阶段完成整个系统的设计，对系统中用到的电力电子设备选型，匹配第一阶段设计的参数。

（2）总结了对光伏系统设计中重要设备的选型，在建筑光伏发电系统中，可按照预算投资和发电量需求选择采用单晶硅或多晶硅光伏材料，计算出最优光伏组件串并联组合。逆变器的选型需要根据光伏阵列的串并联数，选择最大电压，最大电流和容量，而直流电压输入范围需与MPPT控制器结合，范围尽量宽。保护系统至少监测到每一串光伏组件的工作状况，配置过流、过压、雷电、浪涌等保护单元，并网运行需安装防孤岛运行保护。光伏组件的安装和布置原则是尽量多地收集太阳能，同时考虑到电压恒定和遮挡的问题。

（3）采用离网型式的光伏系统时，需要配置蓄电池和光伏控制器，能量利用率较低。而并网系统对并网条件要求较高，需配置相关继电保护系统，双向电能表和足够容量的并网接入点。目前，并网设备已较为成熟，城市电网容量和规模越来越大，为追求更高的发电效率和经济效益，优先考虑采用并网发电系统。

（4）目前光伏发电可以享受上网电价和政府补贴，一般7～10年可收回投资，其余十多年寿命期内的收入都是利润，随着光伏产业技术升级，市场扩大，设备的成本已大幅降低，即使补贴政策今后退出，光伏系统仍然可以盈利。合理地设计建筑光伏系统可以提高发电效率，减少能量损耗，提供更稳定可靠的电能，减少污染排放。

参考文献

[1]GB 50797-2012.光伏发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[2]郑诗程，丁明，等.光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究[J].系统仿真学报，2005.

[3]黄克亚，尤凤翔，李文石.组合模糊控制技术与扰动观察法提升光伏发电MPPT性能[J].测控技术，2012，31（7）：130-135.

篇4

以广州地区建设的装机容量为10MW的并网光伏发电项目为例，进行光伏项目LCOE评估。本项目基本信息如下：装机容量为10MW；运行年限为25a；建设成本为8元/W;折现率为8%；首年发电量为1080万kWh；每年运行维护费用为96万元；系统年衰减率为0.8%；其他费用为24万元；所得税率为25%；增值税率为17%；系统PR值为80%；系统残值率为5%[11]。PR值（性能比）是国际上评价并网光伏电站性能质量的一个非常重要的指标，其值为系统实际交流发电量与理论直流发电量之比。PR值考虑了光伏阵列效率、逆变器效率以及交流配电设备效率等因素，在一定程度上体现了光伏电站的综合性能和质量。把以上初始条件带入公式（3）测算本项目LCOE水平，LCOE=0.85元/kWh。通过测算得出：以目前的行业技术经济水平，在广州地区建设一个装机容量为10MW的光伏发电项目，其LCOE水平在0.85元/kWh左右，与广州市脱硫煤上网电价（0.502元/kWh）相比，约高出0.35元/kWh。

2影响LCOE的典型因素及敏感性分析

光伏发电技术日臻成熟，为尽快实现光伏发电平价上网，降低光伏发电项目的LCOE是亟待解决的问题。对光伏发电项目而言，影响LCOE的典型因素包括项目单位造价、项目所在地的太阳辐射量、系统效率、系统衰减率、运营维护费用、逆变器等关键设备使用年限。因此要理清系统成本、发电量和电站生命周期中的其他因素间的联系，通过优化光伏系统设计施工质量以及完善运维管理体系等措施，尽可能降低项目的LCOE水平。下面将分析光伏系统单位造价、系统PR值、光伏组件衰减率以及太阳辐射量这4个典型因素，对项目LCOE水平的影响。本文选取广州、上海、深圳、北京、兰州和西宁等6个典型地点进行光伏项目LCOE比较与分析。6个地点的地理位置及年太阳辐射量数据见表1，其中太阳辐射量数据来自NASA。为清晰描述不同地点的光伏发电项目LCOE水平，在图1中标出了6个地点的年太阳辐射值。图1（a），（b），（c）分别展示了单位造价、光伏组件衰减率、系统PR值与太阳辐射量对项目LCOE影响作用的敏感性。测算条件如下：装机容量为10MW；单位造价为8元/W；PR值为80%；年衰减率为0.8%；折现率为8%。可以看出，系统单位造价、光伏组件衰减率与项目的LCOE水平呈正相关，系统PR值和项目地太阳年辐射量与LCOE呈负相关。因此，光伏项目选址、系统设计、光伏组件及逆变器等关键设备选型与采购、光伏系统安装、系统运行维护等各个环节都可能存在影响项目LCOE水平的因素。在进行项目选址时，尽可能选择太阳能资源条件好、空气洁净度高的地区；在进行光伏系统设计、设备选型时，要根据项目实际情况优化系统设计，提高光伏系统PR值；要遵循合理的运行维护方案，平衡系统运行维护的投入与产出，保证光伏项目处于最佳收益状况。从以上各个环节着手，方可最大程度地降低项目LCOE水平。由图1（a）可见，项目LCOE水平随系统单位造价的升高而升高。若系统单位造价为8元/W，当项目地太阳年辐射量由1000kWh/m2增至1800kWh/m2时，项目的LCOE水平将从1.038元/kWh降至0.577元/kWh。若某地太阳年辐射量为1300kWh/m2，当系统单位造价为6元/W时，项目LCOE为0.599元/kWh；当系统造价为10元/W时，项目的LCOE将升至1.297元/kWh。图1（b）展示的是光伏组件年衰减率与太阳年辐射量对项目LCOE水平的影响作用。可以看出，当组件年衰减率以0.1%的幅度变化时，项目LCOE变化幅度并不显著。当组件年衰减率从0.8%降低至0.7%时（在项目运营期25a内，光伏组件总衰减率从20%降低至17.5%），若太阳年辐射量为1300kWh/m2，项目LCOE将从0.792元/kWh升至0.798元/kWh。由图1（c）可知，项目LCOE水平随系统PR值的升高而降低。目前我国光伏项目的系统PR值绝大部分处于70%~80%。当太阳年辐射量在1300kWh/m2时，若系统PR值从70%升至80%，项目LCOE将从0.912元/kWh降至0.798元/kWh，降幅达12.5%。可见，提升系统PR值对降低系统LCOE水平的效果非常显著。

3我国光伏发电项目LCOE水平测算

以装机容量为10kW，500kW和10MW的光伏发电系统为例，对我国不同地区、不同光照资源条件的LCOE水平进行评估。评估边界条件如下：太阳年辐射量资源条件为1000~1800kWh/m2；系统效率为80%；光伏组件的衰减率为0.5%~0.8%；光伏发电系统运营年限为25a；3种容量发电系统的单位造价分别为10~14元/W，7~9元/W，6.5~8.5元/W。图2为针对不同装机容量、不同光照条件、不同建设成本等条件下的LCOE评估。由图2可知，装机容量10kW的光伏发电项目LCOE为0.6~1.1元/kWh；装机容量500kW的光伏发电项目LCOE为0.65~1.1元/kWh；装机容量10MW的光伏发电项目LCOE为0.5~0.9元/kWh。根据国家发改委《关于进一步疏导环保电价矛盾的通知》，31省市脱硫煤上网电价处于0.279～0.502元/kWh，因此根据我国光伏发电项目的LCOE水平测试结果显示，对于10MW以上装机容量的项目，通过对项目建设成本进行精确控制，在脱硫煤上网电价较高地区可首先实现光伏电力平价上网。

4光伏项目LCOE发展趋势预测

户用光伏发电项目的应用和推广，从某种程度上标志着光伏产业在人民日常生活中的普及程度，因此本文结合文献[10]的数据，就户用光伏发电项目LCOE水平的变化趋势进行了预测图3展示了FraunhoferISE针对LCOE的研究数据[10]。由图3可见，2013年户用光伏发电项目LCOE的平均水平为0.86元/kWh左右，其中平均PR为80%的曲线比较符合我国光伏发电项目的平均水平。观察这条曲线可知，根据目前光伏产业发展水平预测，2015～2030的15年，光伏发电项目的LCOE水平将从0.108欧元/kWh降至0.072欧元/kWh，折合人民币约从0.82元/kWh降至0.54元/kWh，降幅高达34%。本文分析显示，从目前我国光伏产业的发展状况来看，装机容量为10kW的光伏发电项目在不同单位造价、不同太阳辐照条件下的LCOE处于0.6~1.1元/kWh。该结论与文献[10]中的数据相吻合，通过这两组数据可以预测我国光伏发电成本的发展趋势。目前，我国居民生活用电价格在0.65元/kWh左右，如不考虑通货膨胀等因素，我国可在未来15年内实现光伏发电平价上网；考虑近年来化石能源发电价格逐年上涨的现实，我国有可能在未来10年，甚至更短时间内，迎来光伏发电平价上网的时代。

5结论

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[关键词]风光互补；电力职业院校；教学平台

[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]1671-5918（2016）04-0114-02

引言

能源对人类的重要性不言而喻，近几年随着经济步伐的加快，世界各国也逐渐认识到在常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，人们对此也付出了沉重的代价，新的能源形式和利用呼之欲出，为此很多国家相继出台相关政策，治理和缓解已经恶化的环境，并把挖掘开发、有效利用可再生、无污染的新能源作为可持续发展的重要内容。

风能、太阳能是人们最先想到、最容易获取和利用的可再生能源，但其不稳定、不连续的特点在季节更替和天气变化时又表现得十分突出，单一形式的风力发电或单一形式的太阳能光伏发电都存在发电量不稳定的缺陷而收到制约，但二者具有天然的互补优势，即白天光照强，夜间风量多；夏天光照好、风力弱而冬春季节风大、光照弱。风光互补发电系统克服了单纯风能和太阳能发电的不足，具有较高的性价比，呈现出光明的应用前景。

当前，高等职业教育进入新的发展阶段，在坚持以服务为宗旨、以就业为导向积极适应区域经济和社会发展的需求的基础上，很多职业院校根据国家新能源战略以及产业结构升级转移的目标要求，开设了新能源及相关专业。2010年教育部核定增选的新能源类专业就有新能源应用技术、风力发电设备及电网自动化、新能源发电技术和光伏发电技术及应用等。

为配合国家支持高等职业院校提升专业服务产业发展能力要求和培养模式的改革，探索和实践新能源应用技术专业已成为职业院校一个新的目标方向。

一、小型风光互补教学平台建设的目的意义

风能、太阳都是重要的可再生的清洁、无污染能源，并且使用安全、储量丰富、可持续发展等特点普遍收到重视和应用。职业院校大力开展新能源的课程建设，以风光互补发电技术为典型作为着手点，目的就是让学生通过认识、学习、掌握风光发电技术的基本理论和基本技能，适应今后新能源发电企业的岗位需求和要求，积极投身国家风光发电事业，建设资源节约型和环境友好型社会。

当前，在国家重视并大力发展职业教育的新时期，在电力职业院校里建设小型风电互补发电教学平台，必将促进电力职业院校和风光互补发电教学平台共同发展。

（一）节约成本。在电力职业院校建设风光互补发电项目，能为学校的用电设备供电，节省了学校的用电成本。在学校办公楼、教学楼、实训楼、餐厅等屋顶建设光伏发电，还会有“隐形效益”。在屋顶安装太阳能电池板，使顶层房间在夏天时空调用电量减少，进一步节省了用电成本，形成。

（二）教学示范。在电力职业院校建设小型风光互补发电教学平台，一方面电力职业院校拥有专业教师，发挥自身的优势，可以增设新能源专业方向，充分发挥教学平台的教学示范功能，培养新能源专业的学生，毕业后可以去太阳能、风能发电企业工作；另外一方面可以对风能、太阳能发电企业员工进行技能鉴定。

二、小型风光互补教学平台的建设

（一）系统组成。风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，可从以下几方面给来具体来描述。

1.风力发电的原理是风力机将风能转换为机械能，风力发电机再将机械能转换为电能，进而通过风电控制器对蓄电池充电，最终经过逆变器对负载供电。

2.光伏发电的原理是太阳能电池板受光照后产生光伏效应，将光能转换为电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后经逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电.

3.逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

4.控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

5.蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

（二）平台建设。依据职业院校专业建设要求风，建设小型风光互补教学平台可从课程建设、实训系统建设三个方面着手进行。

1.课程建设

围绕学校新能源教学大纲目标要求规划课程建设，其中风光互补发电技术为理实一体化类型课程，作为职业院校高年级学生必修课，按照预期需要达到的知识目标、能力目标和素质目标，安排、规划和设计教学课程的主要内容、课程进度和教学方法，使学生掌握风光互补发电系统的运行原理和结构组成，掌握风光互补发电系统中风力供电装置和光伏供电装置的安装、调试与使用，能够进行适当的风光互补发电系统设计。

（1）在课程教学设计中，主导以学生为本来设计分配教学任务，以任务驱动引领，严格实施“教、学、练、做”过程，紧密结合购置的风管互补实训装置，充分利用形式多样的现代化教学手段和方法，生动活泼地开展实训教学活动。

（2）在课程的教学内容和要求上，设计单元化和模块化教学内容，运用情境教学形式实施教学进程。教材选用国家示范性高等职业院校规划教材《风光互补发电技术》，内容包括风能、太阳能发电系统设计、风光互补路灯照明系统设计、PLC风光互补发电系统设计、风光互补发电系统安装与维护以及远程监控系统。

（3）在考核评价方面，注重过程和结果、理论与实践的多元化考评方式，把培养学生的动手实践能力、分析解决实际问题的能力落到实处，对有进取和创新意识的学生给予鼓励和重点培养。

2.实训系统建设

建立与课程相配套的实训系统是建设教学平台的重要部分。

（1）根据学生人数和实训装置所占空间，按照学校实训室建设的标准要求，选择适当地点建立小型风光互补发电系统实训室。

（2）购置或搭建小型风光互补发电系统实训装置（以南京康尼科技有限公司的KNT―WP01风光互卒f，E电实训装置为例）。

整套设备设计了关于光伏发电系统和风力发电系统的19个实训项目，较为全面地介绍了光伏发电系统和风力发电系统的基础知识，系统主要功能是按照实训模拟要求，对小型风光发电系统实现状态监控与保护。利用该实训系统装置通过实训指导，学生（学员）可达到自行完成对系统的安装、接线、故障排查、PLC控制、组态画面设计、系统调试等系列实训操作的能力目标要求。

整个系统由风力供电控制单元、光伏供电控制单元、小型风力机模拟单元、小型光伏板模拟单元、逆变输出单元。其中风力供电控制单元和小型风力机模拟单元构成风力发电系统，光伏供电控制单元和小型光伏板模拟单元构成太阳能光伏发电系统，两个系统发出的电能经储能电池（输出电压为12VDC）送入逆变单元，最后转换为交流电（220VAC）供给外部负载。

通过课程和实训两方面的建设，基本形成了小型风光互补发电教学平台，可以看出教学平台的建立不仅涵盖了风光发电、电力电子、PLC、组态软件等都门课程知识，而且还可以进行现场情境授课，发挥教学示范功能。在此基础上，还可带领学生拓展挖掘实训项目，为学生提供更加丰富的毕业设计研究内容和实践机会。

3.师资建设

在拥有课程和实训建设的基础上，配备“双师型”的师资队伍是现代高等职业教育的重要方面，如果实现良好的理论教学和实训功能的充分发挥，那么就要选配具有丰富的理论教学经验和实践操作技能的教师队伍。

通过加快培养和人才引进相结合壮大“双师型”队伍，同时，通过校企合作方式，适当聘用经验丰富的现场人员为兼职讲师到校讲授实训课程。

毋庸置疑，风光互补发电系统教学平台的建设，能更好地体现学校贯彻国家职业教育的理念，实现以学生为本，服务新能源专业需求，将来更好地为社会服务的宗旨。

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关键字：太阳能路灯 系统设计 技术经济

中图分类号： TK511 文献标识码： A

一、项目背景

目前，我国太阳能光伏发电生产能力已跃居世界第一，而国际太阳能产量是应用需求量2倍，产能过剩是光伏发电行业最大问题。太阳能光伏发电利用主要有两种技术途径，分别为离网光伏发电和并网光伏发电两大类；离网光伏发电又包括太阳能路灯、太阳能庭院灯、风光互补路灯、太阳能交通信号灯等。

太阳能照明由于采用先进到光源、独特数码控制和成熟储能技术系统集成技术外加安装的方便性，其应用性能价格比是目前所有光伏应用系统最具有优势的产品。

本项目于2014年6月在辽宁省丹阜高速公路实施，主要针对丹阜高速公路桃仙-石桥子段道路两侧安装12米太阳能路灯，道路全长29.7公里，总共安装1781基杆；包括12米太阳能路灯，太阳能独立光伏电站（集中供电控制）等。合同总额2600万元，太阳能电池组件总发电峰值功率为73万瓦。于2014年6月开工，2014年8月末竣工。

迄今为止，本项目为东北三省首个大型高速公路太阳能路灯亮化工程。通过这个平台可以对系统配置、太阳能路灯充放电控制器研制、蓄电池组直埋方式、太阳能路灯的经济效益和社会效益等课题进行研究，对拓展太阳能资源综合开发利用，提高辽宁省太阳能光伏产业的技术水平，为太阳能光伏发电技术在辽宁省高速公路发展应用起到积极良好的示范作用。同时太阳能路灯照明技术的应用可以带动辽宁省其他相关产业的发展并促进地方相关产业的兴起，并将进一步推动辽宁省太阳能光伏产业链的形成和发展，具有深远的意义。

二、项目地理环境

沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，属于半湿润大陆性气候，全年降水量500毫米，全年无霜期183天。受季风影响、降水集中、温差较大、四季分明。年平均气温6.2～9.7℃，沈阳极端最高气温为38.3℃，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。冬寒时间较长，近六个月，降雪较少，春秋两季气温变化迅速，持续时间短：春季多风，秋季晴朗。日照时数平均为2372.5小时

丹阜高速公路是国家高速公路规划重要干线“鹤大高速（G11）”的联络线，编号：G1113

G1113丹阜高速 丹东-本溪-沈阳-新民-阜新，辽宁段：丹东至新民段已通车，新民至阜新段规划在建，规划路线由原国道主干线丹拉线丹东至沈阳段，国家重点公路集安至锡林浩特线支线通化至阜新线中的沈阳至阜新段组成。

三、太阳能路灯照明系统设计

3.1 施工现场勘察

由于太阳能路灯与常规交流路灯在工作原理上有着本质的区别，同时太阳能路灯主要采用太阳能电池组件进行发电与供电，所以与交流路灯相比对安装地点会有特殊的要求，所以太阳能路灯在安装之前需要对现场进行详细勘查，勘查内容主要包括：

1、首先勘查所要安装路段两侧采光情况，是否有树木、建筑物遮光现象，如果存在树木、建筑物遮挡对所安装地点有影响的情况，可以通过指南针、全站仪、激光测距仪，利用阴影测量法，测量树木与建筑物高度到安装地点的距离及其他所需参数，从而确定太阳能路灯安装高度及与遮光物之间的距离，尽量避免遮光对太阳能电池组件的影响。

2、如果周边遮光情况比较严重，且还需进行安装，那就得考虑采用集中供电的方式进行控制，即太阳能独立光伏电站。同时还需对集中控制的太阳能路灯地面以下进行勘测，是否存在光线、光缆、电缆、供暖管道等埋入物，为电缆直埋进行准备。

3、观察安装地点两侧上空是否存在高压电线杆及电话线，如果存在，需准确进行测量电线杆高度及距安装地点之间距离，并做好记录。

4、对所勘查道路周边情况进行拍照。

5、通过汽车码表、皮尺、激光测距仪，详细测量所安装道路的长度、宽度、及距遮光物之间的距离，并且做好详细记录。

6、通过现场勘查所记录的数据及参数，书写现场勘查报告。

3.2太阳能路灯照明系统安装布置

1、根据现场测量所安装道路长度、宽度及照明要求，合理选择太阳能路灯安装及布置方式，常规照明灯具的布置可分为单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种基本方式。本项目太阳能路灯主要采用单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置三种布置方式，主要根据道路横断面形式、宽度及照明要求进行选择。如图1所示：

图1常规照明灯具布置的五种基本方式

（a）单侧布置 （b）双侧交错布置 （c）双侧对称布置（d）中心对称布置（e）横向悬索布置

2、灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的1/4，灯具的仰角不宜超过15°；

3、灯具的布置方式、安装高度和间距按照表1经计算后确定。

3.3 太阳能路灯照明系统优化配置

太阳能路灯照明系统主要由太阳能电池组件、组件支架 、LED光源、太阳能充放电控制器、蓄电池（铅酸电池或胶体电池）、灯杆（含灯具）、导线等组成。

太阳能路灯照明系统主要利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳能电池板吸收太阳能光子能量产生电能，通过充放电控制器储存在蓄电池里，夜晚当照度逐渐降低一定程度、太阳能电池板开路电压降低到预设值后，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电预设定时间后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

图2 太阳能路灯照明系统工作原理图

采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大” 的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则，即根据蓄电池组件均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池组件放电深度,确定出组件和蓄电池组件的合理搭配容量。设计方法首先根据各向异性的天空辐射模型，计算出在纬度为ф处，倾角为β的斜面上的太阳辐射量HT 。在实际应用时，可在当地纬度的-20°~+30°范围内分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量H1和H2，然后根据上述原则，确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量。

3.4 太阳能路灯照明系统配置计算

下面简单介绍本项目太阳能路灯系统配置计算方法：

本项目太阳能路灯照明系统电压为24V。

（一）太阳能电池组件容量计算

具体配置计算公式如下:

P=发光光源功率（P1）×发光光源工作时间（T）×平均峰值日照系数（1.5―1.8）÷平均峰值日照时间

其中P―太阳能电池组件功率，单位：瓦（W）；

P1―发光光源实际输出功率，单位：瓦（W）；

T―发光光源（LED灯）实际亮灯时间，单位：小时（T）；

平均日照时间根据该安装地区过去10～20年逐月太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量的平均值作为依据。北票地区平均峰值日照时间取4.5小时。

（二）蓄电池容量计算

具体配置计算公式如下：

蓄电池容量=发光光源功率（P1）×发光光源每天工作时间（T）×该地区连续阴雨天数÷（蓄电池放电深度×系统电压）

其中蓄电池容量―单位：安时（AH）；

P1―发光光源（LED灯）实际输出功率，单位：瓦（W）；

T―发光光源（LED灯）实际亮灯时间，单位：小时（T）；

地区连续阴雨天数―采用3天~5天；

蓄电池放电深度―一般取0.6~0.7;

以上计算过程中各个参数需要结合实际需要进行简单修正，以达到整个系统配置合理。

（三）太阳能充放电控制器

本项目采用了自主研发的新一代智能型太阳能充放电控制器，采用工业级产品可靠性设计，具有超强稳定性和极高的使用寿命，该控制器采用了目前先进PWM脉宽调制恒压充电技术、最大功率点跟踪智能充电、12V\24V电压自动识别、自动判断并可执行维护、输出电流根据负载情况而变化、自动恢复、温度补偿等功能，同时还为蓄电池提供了更多的保护装置。具体包括过充、过放、反接、过载、短路、雷击保护等。系统根据蓄电池充电状态自动地进行科学精确的计算，并显示相应的测量值，可自动识别蓄电池的工作年限及容量，新型的多功能控制器比传统的控制系统更为有效，控制器附带的电子保险为用户提供了更为简易的操作。再同时应客户要求，与控制器配套，所有太阳能路灯通过计算机实现集群无线数据采集的功能，可以随时随地通过计算机实时观察太阳能路灯工作状态及数据，对太阳能路灯后期维护维修提供了坚实有效的措施，大大提高维修效率。

四、太阳能路灯照明系统技术经济评估

根据可再生能源的技术经济学的有关评价原理《Financial Evaluation of Renewable Energy Technologies》,T.C Kandpal H.P Garg,2003，结合不同地点太阳能光伏发电系统的性能特点并考虑到各种因素的影响，采用太阳能光伏发电系统与普通电力系统相比对的方法,以项目净现值(Net Present Value―NPV)和动态投资回收期(Discounted Payback Period―ndp)两个指标对太阳能光伏发电系统进行技术经济评价和分析。

1、太阳能光伏发电系统收益(节电费用)分析

由太阳能光伏发电系统的特点可知，太阳能光伏发电系统的整体使用寿命可达到20-25年。太阳能光伏发电系统总成本包括初始设备费，蓄电池和照明灯具的更新费等，由于太阳能光伏发电系统可靠性高,又不消耗常规能源,每年的维修费和运行费基本为零,可以不必考虑。

根据目前非居民用电电价0.776元/kWh，及其《中国电价和电力发展研究》课题组的最新研究结论，无论从宏观经济运行，还是从行业发展来看，电价水平还有一定的调升空间；适当调整电价水平及其结构，不仅不会导致价格总水平的显著上涨，而且还会有利于产业结构的优化升级。经过复杂的公式测算，目前中国的经济和社会状况能够承受的电价水平的合理上涨系数是每年0.04元/千瓦时。按太阳能光伏发电系统20年运行周期计算，同时考虑社会利率及电价上涨因数，进行经济技术分析，节约的电费现值分别计算如下：

经过统计可知；太阳能光伏发电系统每年总体功率为730210KW，

年节约的电费A=730210kWh*0.776元/kWh=56万元,以后每年节约的电费除A还有个对应电价上调节约的增加额G=730210×kWh*0.04元/kWh=2.92万元；分别利用等额收付(Uniform Series Present Worth Factor)和递增等差收付序列(Present Worth Factor of the Uniform Gradient Series)现值计算公式，太阳能光伏发电系统20年节约电费现值P：

=56×+＝500.36(万元)

2、太阳能光伏发电系统寿命期净现值的计算

太阳能为非商品能源，其价值不能直接确定，只能用能源替代的方法来计算。按当地太阳能光伏发电系统等流明亮度的电力使用成本的标准来计算太阳能光伏发电系统的年收益。

通过计算，太阳能光伏发电系统的年收益（即太阳能光伏发电系统每年可节约电费）：

A＝500.36×=70.52（万元/年）

与普通发电系统相比对的太阳能光伏发电系统的初始投资C0=5000万元；太阳能光伏发电系统与等照度普通发电系统相比对的年收益70.52万元；太阳能光伏发电系统年运行成本0元；在系统运行的20年中无需进行任何维修及更换，不需任何费用。

太阳能光伏发电系统寿命期净现值评判原理

如果NPV>0，说明该系统投资可以接受；

如果NPV

太阳能光伏发电系统寿命期净现值：

NPV=-450+70.52×=80.39万元＞0

可见对于太阳能光伏发电系统在寿命使用期内不仅可以把投入的初始资本收回来，而且可以额外节省80.39万元的电费,从技术经济的角度分析可以得出，太阳能光伏发电系统投资是可以接受的。

3、太阳能光伏发电系统投资回收期计算

采用动态投资回收期(Discounted Payback Period)原理，设投资回收期为ndp年，则：

ndp==10.7年

也可以利用静态回收期(Simple Payback Period)原理计算太阳能光伏发电系统的投资回收期分别为:

C01/（B－C）=450/70.52=6.38年

通过计算，可见太阳能路灯照明系统的回收期为6.38年，太阳能路灯照明系统投资方案是可行的。

4、太阳能路灯与普通电力灯相比主要优势与劣势

太阳能路灯以太阳能作为能源，节省了电力能源，并可利用节省的电费收回原始成本。太阳能路灯可以根据安装地点光照情况实现单灯系统独立安装与集中光伏电站供电系统集中安装模式。

施工灵活方便，可以免去挖电缆沟铺设电缆及回填繁复的工序。施工简单，由于各部件的先进性，使太阳能路灯后期维护简单方便。

太阳能路灯主要缺点：①由于目前太阳能路灯各部件价格偏高，成本比电力路灯偏高。②太阳能路灯地面亮度基本上能够满足国家对不同道路等级照明标准要求，而我国城市道路电力照明一般均高出国家标准，有的甚至高出百倍。因此从效果上看太阳能路灯照度不如电力路灯，但是太阳能路灯的照度能够满足实际照明亮度的要求。③光源选择上存在瓶颈，由于安装在高速公路上，容易给车辆驾驶者造成眩光。因此太阳能路灯在目前情况下，安装原则符合国家道路照明要求，用户满意，够用为度。

五、结论

太阳能“取之不尽，用之不竭”，它是自然界可持续再利用的绿色能源，在大气不断变暖及雾霾横行的今天，它的应用越来越广泛，但是在高速公路上应用还存在很多问题，随着太阳能光伏发电技术的不断进步，这些问题将在未来迎刃而解，通过以上分析，不难看出太阳能路灯在高速公路上应用还是比较经济和环保的，它对推动太阳能光伏技术在高速公路应用起到了示范性作用，具有重大的指导意义。

参考文献

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关键词：光伏发电；远洋船舶；位置选择；容量计算

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

1 前言

随着全球经济由“重碳经济”向“低碳经济”转型，作为国民经济重要组成部分的航运业温室气体排放问题日益受到国际社会关注。根据国际油轮船东协会的研究报告，目前航运业每年消耗20亿桶燃油，排放超过12亿t的二氧化碳，约占全球总排放量的6%。有预测认为，到2020年全球航运业将需要40亿t燃油，温室气体排放也将在目前基础上增长75%。可见，航运业承担着低碳减排的社会责任和历史使命，各主要航运国家和地区开始高度重视发展安全、环保、节能的“绿色船舶”，倡导“绿色航运”。太阳能是一种可再生能源，不污染环境，被认为是替代石油能源的理想能源。太阳能光伏发电技术在船舶上应用近年来得到发展，尤其在内河小型船舶、游艇上已有初步的应用成功的案例。但在远洋船舶方面，太阳能光伏发电技术应用还不成熟，许多国家正在致力于此技术的开发和完善。本文通过分析，拟在常规船舶上建立一套太阳能光伏发电系统，为船舶提供部分电力支持，达到节能减排的目的。

2 光伏系统介绍

2.1 光伏系统的组成及原理

光伏系统由三部分组成：太阳电池组件；充放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。图1为直流负载太阳能光伏系统原理图。

太阳能光伏发电基本工作原理就是在阳光照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于交流负载，还要增加逆变器，将直流电转换成交流电。

2.2 光伏系统的分类

一般将光伏系统分为独立系统、并网系统、混合系统三类。

2.2.1 独立（离网）型光伏系统

独立型光伏系统，又称为离网型光伏发电系统，独立给用电设备供电，但整体能量利用比较低，系统的供电稳定性和可靠性比较差，需要储能设备（蓄电池）稳定供电电网电压和平衡发电与负载。

2.2.2 并网型光伏系统

并网型光伏系统的最大特点是太阳电池组件产生的直流电，经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统光伏方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网，不足时由电网补充，但系统中需要专用的并网逆变器。这种系统可降低整个系统负载缺电率，而且可以对公共电网起到调峰作用。

2.2.3 混合型光伏系统

混合型光伏系统中除了使用太阳能电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机等作为备用电源。这种系统控制比较复杂，比独立系统需要更多的维护，而且因为系统中使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪声和污染。很多偏远地区的通信电源盒民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以达到最好的性价比。

在远洋船舶上选用何种类型光伏发电系统，要综合考虑船舶结构、性能、航线、经济性等因素确定，本文将在下节详细论述。

3 光伏阵列安装位置的确定

3.1 目标船型的确定

典型的远洋船舶通常包括以下六种类型：集装箱船；特种船；杂货船；客滚船；干散货船；大型运油船。在船上敷设光伏发电系统，要求目标船舶主甲板及以上某些位置具有足够的安装光伏阵列的空间。经计算，平均输出功率1 kW的单晶硅太阳能电池阵列需要10左右的布置面积[1]（组件效率13%左右）。一般远洋船舶整船系统功率都在100kW以上，有的甚至几千千瓦，若以100kW为参考，则大约需要1 000的布置面积。考虑到集装箱船、杂货船及特种船的主甲板上及主甲板以外的其它位置不具有提供大面积安装电池阵列的可能性，而油船主甲板虽有较大面积，但因主甲板管路纷繁复杂，其所运输的石油类燃料易挥发出可燃易爆性气体，对电器要求的绝缘防护等级较高，所以以上四种船舶不适合安装光伏发电系统。客滚船的主甲板驾驶台后的区域附属甲板机械设备较少，拥有较大的可利用空间，其与油船相比对易燃易爆性物质的安全防护等级较低，因而可以搭载光伏系统。对于干散货船，其主甲板上若干货舱盖占有很大的一部分面积，除部分船型有辅助克令吊外，大多数船舶的甲板上属于平整区域，其有利于太阳能电池阵列的安装。因此，滚装客货船和散货船是搭载光伏阵列的理想船型。

3.2 光伏系统类型选择及用电负荷确定

远洋船舶航程较远，每一航次历经天数较长，且海洋环境、天气复杂多变，在此条件下不宜建立独立型（离网型）和混合型光伏发电系统[1]。对于并网光伏发电系统，光伏阵列只需提供部分负载的用电需求，多余的电能反馈给主电网，不足时就由主电网供电，故此类型发电系统适合于安装在船舶上。

船舶在航行中动力和机械等设备要求供电系统能持续、稳定地供电，而光伏发电量依赖于天气条件，供电稳定性达不到动力设备用电要求，所以不适合为动力设备和机械设备供电。选择目标供电系统为上建的生活用电部分，经查76 000DWT某散货船上建的电力系统图，上建部分生活用电总功率在200 kW左右。显然，如果200 kW的电量全部由光伏系统提供，需要为光伏阵列提供约2 000 m2的敷设面积，这在目标船上是无法实现的。由电力系统图可知，空调系统压缩机在机舱，可不考虑为其供电，只考虑风机部分供电20kW；厨房电器功率60kW；全部房间照明功率4kW。这三部分合计功率84 kW，我们把光伏系统的设计容量定位在100kW，为这三部分系统供电。除去传输损耗及遮挡引起的功率减少（约10%～15%），光伏系统也可以提供足够的电量。白天有太阳辐射时，光伏系统直接为这三部分系统供电，多余的电能可以反馈给主电网，晚上或白天太阳辐射不足时，转换成船舶主电网供电，这样100kW的光伏系统可以承担船舶部分用电要求，起到节约能源的作用。

3.3 安装位置的选择

以76 000DWT散货船为例， 100kW的光伏阵列至少需要1 000m2的敷设面积，经查总布置图，有三处位置区域开阔，即舱口盖、主甲板上舱口围与栏杆之间的区域、栏杆处，适合搭建光伏系统，可以初步确定为光伏阵列的安装位置。

3.3.1 直接安装于舱口盖上

两个舱口盖合在一起可供安装面积为15x14=210， 7个舱口合计14个舱口盖可供安装的面积为210x7=1470。但因No.7舱靠近上建，不可避免在一天当中会受到遮挡，所以总体输出功率会因遮挡而减少；而No.4舱盖为直升机坪，不允许安装其他部件，所以从总面积中减去420。考虑上述因素后剩余面积为1050>1000，可以满足安装面积需求。

该安装位置在装卸货物时可能会遭受坠落物的撞击，故要在上面安装防护装置，此防护装置在装卸货物时要能闭合，起到保护作用；在航行时敞开，不影响光伏阵列发电。

3.3.2 安装于主甲板上舱口围与栏杆之间

将光伏电池板安放于支承舱盖的导轨之间，在垂直高度上低于舱口盖，安装面积与上述方案基本相同，同时在装卸货物时因有舱盖保护，可有效避免船装卸货物过程中掉落的杂物破坏电池板，如图2所示。

3.3.3 安装于代替主甲板栏杆位置

本安装要求电池组件垂直于主甲板，且电池安装要达到船舶建造规范对栏杆安装的相关要求，如图3。

已知船舶总长225 m，型宽32 m，沿船舶周长布置电池组件总长225x2+32x2=514 m，去除中间导缆孔、绞缆机等预留宽度20 m，取总长494 m，则安装面积为494x1.58=780

（1）电池组件敷设面积不够，直接影响输出功率；

（2）电池板垂直安装，接受太阳辐射的面积相较于水平敷设时要小，从而导致输出功率降低。

但可以采取一定方法规避此不足。在选取电池组件上，可选用双面太阳电池组件[2]，这种太阳电池正反两面都可以接受辐射，所以可以区别于传统单面太阳电池组件的朝南倾斜安装而可以垂直于地面安装，经试验验证，双面太阳电池比单面晶硅太阳电池相同条件下发电效率提高30%[3]。采用双面太阳电池，输出功率可达 78x1.3=101.4 kW，刚好满足预设功率要求。同等面积的双面太阳电池比单面太阳电池贵三分之一，所以这种布置成本较高，经济性不如前两种方案。三种安装位置的对比分析如表1所列，通过对比分析综合考虑，位置一、位置二可操作性较大。

4 光伏阵列容量确定

4.1 太阳能电池的选择

国内光伏太阳能电池市场主要提供单晶硅和多晶硅两种类型的电池板。根据船舶运行特点，非晶硅太阳电池[4]不适合在船舶上安装，而在晶硅太阳电池中，相同面积情况下单晶硅发电效率比多晶硅高，在实验室里单晶硅太阳电池最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%[5]。而型号、输出功率、封装质量及防护等级相同的单晶硅电池板和多晶硅电池板相比，前者的价格稍高，但差别不大，所以单晶硅太阳电池是较合适的选择。

4.2 光伏组件方阵容量计算

太阳电池组件容量设计的指导思想，就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。

在船舶运行过程中，由于海区环境的复杂多变，电池组件表面会附着灰尘、结晶的海盐，再加上组件性能慢慢衰变，会使降低电池组件输出。我们采取在计算时减少太阳电池组件的输出8%～10%（衰减因子）来加以修正[6]，也可以看作是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。此外，设计时还要将负载功率增加10%，以应对在船舶营运期限内额外增加的用电设备。

5 总结

太阳能光伏发电在船舶上的应用目前还处于初步探索阶段，小型内河船、游艇已有不少成功案例，但在大型远洋船舶上的应用较少。本文在常规的远洋船舶上，拟搭载一套太阳能光伏发电系统，介绍了光伏发电系统类型，光伏阵列在船舶上的安装位置选择、光伏阵列的容量计算。

本文未对经济性做深入研究，相关内容另文讨论。

参考文献

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

篇8

2013年，内蒙古电力（集体）有限责任公司培训中心教学科研团队经过多地调研，准备筹建新能源仿真培训系统；该系统是包含风力发电、光伏发电、电力储能，并具有微网特性的实际运行系统示范工程，预计2014年5月通过整体验收。

系统设计构想

该系统主要由分布式电源发电、储能装置、交直流负荷、能量管理系统、测控保护装置和监控装置汇集而成的智能型的微电网系统。

该系统建成以后可实现：

（1）实现分布式电源、智能储能系统友好接入电网，实现与配电网并网协调运行。

（2）建成微网运行状态监控、分布式发电接入微网控制、功率分配调度与发电控制、电能平衡和负载控制的应用平台。

（3）实现微网双向潮流环境下控制保护协调工作的系统。

（4）完成分布式光伏电源、储能系统智能协调工作，成功实现孤岛转并网、并网转孤岛方式的自动切换。

系统设计方案

智能微网系统设计方案

微网系统建设按区域可划分为微网控制设备室、屋顶光伏系统、室外风力发电等三个区域。最终建成一个包含新能源发电（含使用光伏发电系统、风机发电系统）、储能装置（铅酸电池储能）、交直流负荷（含模拟负载、普通负荷）、测控保护装置、能量管理系统汇集而成的微网系统。

微网系统通过微网进线开关和主网连接，有并网运行和孤岛运行两种方式，并可实现功率平滑控制、需求侧响应、能效分析等高级功能。微网能量管理系统实现微网主要设备的信息采集、设备控制、状态监视等功能，可与配网SCADA系统进行有机连接。

该系统平台为进一步研究微网的稳态分析和数字仿真技术、微网能量管理技术、微网的并网应用和经济运行理论奠定了基础。

交互式培训系统设计方案

交互式培训系统采用交互式仿真软件支撑平台解决分布式仿真培训系统互操作性、分布性、异构性、时空一致性和开放性问题，具有良好的规模可伸缩性，能够满足展示和仿真互动培训的需要。

交互式可视化仿真支撑平台由可视化视频展示、组件化三维建模，数据库管理、人机交互界面等子系统以及模型库，为上层各应用提供公共的展示和培训基础服务。

同时软件系统还具有培训管理系统的功能。包括培训业务管理、培训过程管理、系统辅助管理。

系统组成部分

光伏并网发电系统

光伏并网发电系统，含5kW光伏电池和三相光伏并网逆变器。

风力发电系统

风力发电系统，含2kW的风力发电机组和三相变频器接入微网。

风机控制器系统

风机控制器系统，采用PWM方式控制风机对蓄电池进行限流限压充电，即在蓄电池电量较低时，采用限流充电。也就是当风机充电电流小于限流点时，风机的能量全部给蓄电池充电。当风机电流大于限流点时，以限流点的电流给蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。在蓄电池电量较高时，采用限压充电。也就是当蓄电池电压低于限压点时，风机的能量全部给蓄电池充电。当蓄电池电压达到限压点时，风机会以限压点对蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。该系统具有完善的保护功能，包括：蓄电池过充电、蓄电池防反接、防雷、风机限流、风机自动刹车和手动刹车。

并网逆变器系统

并网逆变器系统，采用美国TI公司专用DSP控制芯片，主电路采用国际知名的西门康IGBT功率模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。

双向储能逆变器

双向储能逆变器，主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，也是一种双向变流器，可以适配多种直流储能单元，如超级电容器组、蓄电池组、飞轮电池等，其不仅可以快速有效地实现平抑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源发电（风能、光伏）的接纳能力，且可以接受调度指令，吸纳或补充电网的峰谷电能，及提供无功功率，以提高电网的供电质量和经济效益。在电网故障或停电时，其还具备独立组网供电功能，以提高负载的供电安全性。

蓄电池

蓄电池，为20块12V200AH的太阳能专用胶体电池（浮充次数不少于1500次）工作温度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蚀性能及深循环性能好。

智能微网控制系统

智能微网控制系统，采用武汉日新公司产品，该公司研发的智能微网控制系统为新技术产品，本设备可实现在各种状态下智能、稳定切换，极大的提高了内部电网的系统安全性。太阳能电力、市电、储能单元互为备用，负载供电首选太阳能电力，有多余电量则并入电网；储能单元在电网故障时可满足负载供电要求；太阳能电力不足时，引入市电对负载进行供电。用电负载供电方式灵活按照电网状态选择切换，各供电方式切换平稳迅速，实现了系统安全性的提高和太阳能电力利用最大化。

智能微网控制系统集成监控系统功能，可实时监控光伏控制器、逆变器、光伏阵列等设备，对整个系统的运行情况通过友好的界面实时的显示出来。主要功能包括：设备自动检索：新设备一旦被接入系统，会被自动检索，并显示在设备列表中；远程查询：用户可以在任何一台能登陆网络的PC上实时监控点点的运行情况；系统详细运行参数：实时显示光伏控制器、离网逆变器、光伏阵列等的运行参数；故障记录及报警：通过声光等手段及时提醒故障，并作记录；历史数据记录：可查询设备指定时间范围内的运行参数信息。

RLC交流负载系统

RLC交流负载模拟器作为微网系统三相模拟负载，主要用于测试微网系统对感性、阻性、容性负载的带载能力以及微网控制策略对于负载变化的响应情况。其接线形式如下图所示。

能量管理平台面向各种控制和优化目标，通过对电源出力调节和自动网络重构实现电网的能量管理。可实现优化目标包括：

1）平抑波动控制

平抑波动控制主要是指按照一定的策略控制分布式电源系统的发电功率和接入状态，以保证在满足负荷需求的前提下尽量多地使用清洁能源，而且同时要保证分布式电源所发电能全部就地消耗，系统也不会向电网反送功率，避免出现逆功率保护动作造成停电。

为了达到这一控制目的，需要在对各分布式电源系统发电的实时功率、负荷消耗功率、光照强度等一系列参数进行实时采集、综合分析的基础之上，实时计算得出当前分布式电源发电功率的调节目标，并采用以下手段来实现调节：

遥调：通过远传通道下达调节命令，改变分布式电源的发电功率

遥控：控制开关分、合闸以切除或投入该路分布式电源

2）需求侧响应

在实时电价基础上进行需求侧响应的研究。通过峰谷电价调节，实现需求侧响应调节负荷和分布式电源达到削峰填谷的目的。分布式电源对于电网而言本身具有一定的正调峰特性。而对于微网中的储能系统而言，在参与削峰填谷时，通常根据负荷的高峰和低谷区域作为电池工作方式切换的边界点。

3）优化经济运行

根据电网分时电价与负荷状况，合理分配光伏系统和风机发电功率、储能系统充放电状态，使得整个微网系统实现经济运行，大大降低运行成本，实现经济效益最优化。

4）并网与孤岛运行模式切换

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关键词： 光伏汇流箱； 多通道电流巡检； 递推最小二乘法； 汇流支路故障定位

中图分类号： TN948.64?34； TP274.5 文献标识码： A 文章编号： 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

在传统化石能源不断减少的今天，同时人们认识到火力发电排放大量的污染物对环境造成了十分严重的危害，为了降低污染物的排放，采用新能源发电是减小污染物排放的一个重要途径。 而光伏发电[1]作为一种高度清洁的能源技术，几乎不产生污染物，越来越得到大家的重视。随着光伏电站规模的扩大，由于太阳电池的串并联特性[2]，使光伏汇流箱的应用得到广泛应用。特别是大型屋顶光伏电站，由于云层、飞鸟、尘土遮挡等引起光伏组件热斑效应以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使导线的绝缘受到破坏，引起汇流支路的故障，进而造成光伏发电站的发电量降低，所以对光伏汇流箱的监控就变得尤为重要。文献[3]通过分析该汇流箱组串电流离散率，定位电流偏低和电流值的异常组串，但不能做到在线实时判断异常组串。文献[4]通过单片机控制固态继电器的通断来实现故障光伏组串的投入和切除，可是没有实时保存运行数据。本文在研究光伏汇流箱[5?7]的基础上，研究设计了一种多通道光伏汇流箱在线监控系统，采用递推最小二乘法算法来测量光伏阵列电流，减少测量误差，使测量值更加接近真值，该在线监测系统基于LabVIEW的特点，可以实时监测每路引到汇流箱的汇流支路电流和电压，由于光伏组件的反向并联二极管和汇流支路中的二极管的钳位作用[8]，各汇流支路汇流后的电压是相同的，即所有阵列电压是相同的，同时在线处理大量的测试数据，判断和定位故障光伏组串。

1.2 利用Matlab的仿真计算

利用Matlab语言强大的运算功能，可对量测数据进行处理。因为是仿真在线测量，所以利用三角波模拟测量信号，同时根据所需辨识的参数只有一个参量，取测量矩阵的维数为1×1。图1是参数辨识的结果，图2是参数辨识误差。

图1中实线是在线输入的测量值，虚线是参数估计真值，从图2中可以看出，随着量测次数的增大，辨识精度逐步提高，并到达一个工程上可以接受的范围。图2中的小图是辨识精度放大后的情况，可以看出在三角波模拟测量值的情况下其辨识精度达到±0.012。从仿真计算中看到，递推最小二乘算法能快速准确地估计出需测量的参数真值，获得较好的辨识结果，同时计算量没有大幅增加，说明这种辨识方法更适用于计算机在线辨识。

2 光伏汇流箱在线监控系统

2.1 电流巡检电路

根据流入汇流箱的电流是直流电流的特点，电流巡检电路采用直流分流器来采集电流信号，直流分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，测量电压正比于被测电流，具有良好的准确度、线性度和稳定性。一般直流分流器的满负荷电压是75 mV，其满量程是15 A分流器的电阻值为0.075 =0.005 Ω，最大功率损失是1.125 W。由于电流信号是通过分流器得到的，其数值是小于1 V的，为低电平信号，为了抑制接地回路感应误差，同时在一定程度上抑制拾取环境噪声，采用差分测试系统。图3所示是一个8通道差分测试调理电路，通过三个地址端A2，A1，A0控制8选1模拟开关CD4051，可以确定工作通道。使用运算放大电路可以减小模拟开关的误差。

当改变电阻的比值，可以改变式（9）中的量测比值，同时符合电流分流器的要求，使测量的数值转换为实际数值。差分测试调理电路与计算机连接采用NI公司的 USB?6009多功能数据采集卡，它具有8个模拟输入通道和12条数字I/O线，利用其中3条数字I/O线可以通过软件确定A2，A1，A0的数值。

2.2 系统软件设计

软件开发环境采用LabVIEW。LabVIEW是美国NI公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，又称G语言[12]，其包含大量用于数据采集、分析、显示与存储的工具和函数。根据递推最小二乘算法的公式，每一次新的量测真值的估计值计算，是利用新的采集数据对前一次的估计值进行修正，这样需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多个公式组成，在软件实现上使用LabVIEW提供的公式节点，图4是利用公式节点实现递推最小二乘算法的程序框图。因为在线测量8路光伏阵列电流，系统设计前面板上放置8个波形图控件和报警控件，分别实时显示8路光伏组件电流量测真值的估计值变化和报警提示。由于检测系统是采用多路复用的调理电路，同时确定每路的电流采样频率是1 次/s，对8路通道测量，需每隔125 ms转换一路，可以用LabVIEW的定时器进行时间设定，每125 ms产生一个顺序改变测量通道信号。通过 USB?6009多功能数据采集卡的数字I/O线控制调理电路的采集通道，同时通道信号连接对应的通道程序框图，每个通道的程序框图中都含有递推最小二乘算法的公式节点，用于处理电流的采样数值。这样系统对每一通道光伏阵列电流的情况，每1 s自动保存一个新数据到对应的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存储在计算机中，1 min保存60个电流测量真值估计值数据，并且以当日的监测日期作为文件名保存测试结果，并在计算机屏幕上实时显示，这些电流数据为日后故障检测进行数据分析提供了大量有用的信息，数据自动保存在预设的路径中，极大地提高了工作效率。同时使用LabVIEW的数组功能，每分钟判断每路电流测量值的差别，当一路光伏阵列电流连续10 min测得数据小于其他光伏支路的电流，说明该条光伏支路有故障，在前面板上给出故障支路编号信息，进行报警提示，同时通过多功能数据采集卡的数字I/O线进行控制，使出现严重故障的光伏支路脱离汇流箱，其软件设计流程图见图5。

图6主要反映最近2 min内第3支路光伏阵列电流的变化情况。从图6可以看出，在这段时间被测光伏电流变化不是很大，说明采用递推最小二乘算法可以很好地反应出被测量的真值，减小了随机测量误差的干扰。

3 结 论

通过采用递推最小二乘法使在线测量的电流更接近真值，并利用 LabVIEW对光伏汇流箱设计一个多通道在线光伏阵列电流数据采集系统。监控界面能同时实现8个通道的数据实时显示、数据保存、故障警示和汇流支路故障定位等，对光伏电池组件进行实时监测，可有效地观测出每一路组件的工作情况。若汇流支路出现开路、漏电等故障，进行汇流支路故障定位，这样可缩小巡检组件阵列故障的范围。实验结果表明，本系统可以完成长时间采集，不会出现数据的丢失问题，并且可以根据实际的需要扩充至更多通道的实时采样和分析并附加控制功能。

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篇10

关键词：太阳能；组件；光伏发电；并网

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展。

随着太阳能发电成本的下降，家用太阳能小型发电系统成为可能。现在在欧洲很多国家都推出了屋顶光伏计划。

本文将主要介绍普通家用太阳能光伏发电系统的组成原理，设计与计算，希望能抛砖引玉，为太阳能的普及应用作一点贡献。

根据普通家庭用电情况，太阳能发电照明示范工程设计方案如下：

一、太阳能光伏发电系统组成

家用太阳能发电的系统原理及组成如下图所示：

图a

1太阳能组件 2汇流箱 3电缆 4逆变器 5电表

太阳能光伏发电系统由1太阳能组件 2汇流箱 3电缆 4逆变器 5电表等组成，白天，太阳能组件将太阳光能转变为电能后汇集到汇流箱后，进入逆变器将直流电转变成标准的市电供家用电器使用，如有富余还可送到电网上，晚上或太阳光线不强的情况下，仍通过电网取电维持生活用电。

二、太阳能光伏发电系统的设计与计算

（一）普通家庭用电负载的估算：

一个普通家庭的家用电器和平均用电量如下表：

负载电器名称 耗电功率 数 量 日均工作时间 日耗电量

照明节能灯 11W 8 6 528Wh

电脑 200w 2 5 2000Wh

喷墨打印机 30W 1 1 30Wh

电冰箱 50W 1 24 1200Wh

42寸彩色电视 180W 1 6 600Wh

卫星电视接收机/VCD 25W 1 6 150Wh

日均总耗电量： 4508Wh

通过上表我们可以看出一个普通家庭平均每天的用电量大约在5度左右。

（二）太阳能电池组件阵列的计算：

太阳能光伏发电的发电量：

日均发电量=组件总功率×平均日照峰值时间×综合设计系数K；

考虑到组件实际利用中的灰尘降低因数0.9，高温降低因素0.8，逆变器效率0.9，综合设计系数：K＝0.9×0.8*0.9＝0.648

平均峰值日照时间根据太阳能的辐射不同而不同，我国主要城市平均日照峰值时间详见下表，这里以长沙为例，长沙的平均峰值日照时间为3.2小时，则家用发电系统所需的总功率为：

组件总功率＝日均发电量/(平均日照峰值时间×综合设计系数K)= 5KWh/(3.2h×0.648)＝2.41 kW

太阳能组件选用的185W单晶硅组件，其主要参数如下：

峰值功率 (Pmax): 185W

峰值工作电压 (Vmpp):36.4V峰值工作电流(Impp): 5.09A

开路电压 (Voc): 45V短路电流 (Isc): 5.43A

组件块数＝2150/185＝13.03这里取14块组件。

城市 纬度 最佳倾角 平均日照小时 城市 纬度 最佳倾角 平均日

照小时

北京 39.80 纬度+4 5 杭州 30.23 纬度+3 3.43

天津 39.10 纬度+5 4.65 南昌 28.67 纬度+2 3.80

哈尔滨 45.68 纬度+3 4.39 福州 26.08 纬度+4 3.45

沈阳 41.77 纬度+1 4.60 济南 36.68 纬度+6 4.44

长春 43.90 纬度+1 4.75 郑州 34.72 纬度+7 4.04

呼和浩特 40.78 纬度+3 5.57 武汉 30.63 纬度+7 3.80

太原 37.78 纬度+5 4.83 广州 23.13 纬度-7 3.52

乌鲁木齐 43.78 纬度+12 4.60 长沙 28.20 纬度+6 3.21

西宁 36.75 纬度+1 5.45 香港 22.00 纬度-7 5.32

兰州 36.05 纬度+8 4.40 海口 20.03 纬度+12 3.84

西安 34.30 纬度+14 3.59 南宁 22.82 纬度+5 3.53

上海 31.17 纬度+3 3.80 成都 30.67 纬度+2 2.88

南京 32.00 纬度+5 3.94 贵阳 26.58 纬度+8 2.86

合肥 31.85 纬度+9 3.69 昆明 25.02 纬度-8 4.25

拉萨 29.70 纬度-8 6.70 银川 38.48 纬度+2 5.45

组件应根据当时的实际情况安装在屋顶阳光不受遮挡的地方，并据上表选择相应的最佳的南北倾角，充分发挥太阳能系统的发电效率。

（三）逆变器选用

根据上面的计算结果太阳能组件的选用185W组件，七个串联后，两组并联的型式，选用合肥阳光电源的SG2K5TL型并网逆变器，其具体参数如下：

型号 SG2K5TL

直流侧参数

最大直流电压 450Vdc

启动电压 170V

满载MPP电压范围 150~380V

最低电压 150V

最大直流功率 2800Wp

最大输入电流 15A

推荐光伏阵列开路电压 320V

由逆变器的技术参数知其最大直流输入电压为450V，最大功率追踪的范围是150~380V，而组件的开路电压为45V,峰值功率电压为35.2V，串连太阳电池组件数为S，最多为SMAX,,则有：SMAX＝最大直流电压/组件开路电压＝450/45=10，这里我们取S＝7块.

根据太阳能光伏系统设计原则，验算：

1．7块组件串联的最高输出电压（开路电压）＝7×45=315V;

2．7块组件串联的最大功率点电压＝7×35.4＝247.8V；

3．两组7块组件并联后最大电流=5.09×2=10.18A;

4．当组件温度比标准状态升高70℃时，最大功率点电压为178.4（取电压的温度系数为：-0.4%）

并网最大功率追踪的范围是150~380V，最大输入电压450V，由以上验算可看出，两组7块组件串联后再并联的组合，符合并网逆变器的要求所选的合肥阳光电源的SG2K5TL型并网逆变器是合适的．

该系统总装机容量为2.59KW，其发电量在中国大多数地区可满足一般家庭的日常用电需求。

三、家用太阳能光伏发电的优点

家用在太阳能光伏发电系统大多数都会以光伏屋顶或光伏幕墙的形式出现,光伏发电系统可以以优雅美学的方式集成在建筑上，从而成为家庭建筑的一部分，使建筑更为美观。家用小型的光伏发电系统分散式发电有如下几点优点：

1．自产自消，减小了电能传输的成本和损失；

2．并网后对电网有削峰的作用，尤其在夏季用电高负荷的地区。

3．零排放，零污染，减小温室气体的排放。

四、结语

太阳能作为一种取之不尽用之不谒的，没有污染排放的清洁能源是未来取代常规石化能源的一种重要形式。以家庭住宅为单位建设小型光伏发电系统，既不用额外占地，同时实现了分散发电，自产自消，节能环保，值得大力推广应用。

参考文献

[1]沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术．化学工业出版社，2005．

[2]崔容强，赵春江，吴达成．化学工业出版社，2007．