大型光伏并网发电系统方案设计

岳峰

摘 要：随着光伏产业相关组件价格的不断下降，以及国家政策的大力扶持，光伏并网电站的收益巨大。文章简要阐述了光伏发电的原理以及光伏阵列的结构。为了提高发电效率，结合实际施工实例对太阳能子阵列进行了设计，进而对太阳能光伏并网系统的结构进行了分析。大力发展太阳能产业，不仅是能源结构调整的需要，而且也符合生态环境保护的诉求。

关键词：光伏发电；光伏并网；光伏阵列

随着以煤炭、石油为代表的传统型化石能源储量的日益减少，世界能源危机日益严峻，备受各国关注。在这种环境下，很多国家纷纷将目光转向新型的能源。太阳能作为一种非常清洁高效的新能源，储量巨大，于是各国纷纷往太阳能发电项目中投入巨资，推动了光伏产业的快速发展。我国地理辽阔，太阳能资源丰富，理论储量约相当于为15 000亿t/a的标准煤，而我国目前每年的煤炭消耗量约为37亿t，可见太阳能利用市场潜力巨大[1]随着光伏产业相关组件的价格不断下降，以及政府的大力支持，我国的光伏产业呈现蓬勃发展的良好势头。在可以预见的将来，利用太阳能光伏发电将会在全球的能源结构中占据不可替代的重要地位。

1 光伏电池组件

光伏发电是利用太阳能电池组件将太阳辐射能直接转换成可供电器设备使用的电能。当前光伏发电的组件多以硅为原材料，如单晶硅、多晶硅、非晶硅。单晶硅是3种之中转换效率最高的，通常情况下，实验室试验的时候能够达到25%，而企业和厂家规模化大生产的单晶硅板子要低于实验制备的，但也还是具有15%的高效率。因此，高转换效率必然导致单晶硅太阳能电池板很受开发商的青睐，销量很高。但单晶硅成本较高，其推广还有待于成本的大幅度降低。为了能大幅度降低光伏发电站的建设成本，开发能够代替单晶硅的低成本化半导体电池板也就显得势在必行。多晶硅电池板的企业生产成本要比单晶硅低廉得多；而且多晶硅电池板对太阳能转化的效率在试验条件下转化效率可达18%左右，在规模化的光伏电站上也可以达到l0%左右。鉴于其在价格和效率方面的诸多优势，多晶硅薄膜电池已经在这个行业中占据着主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池具有密度低、重量轻、生产成本低等优点，但它的稳定性较差，势必严重制约其在光伏电站中的实际使用。

太阳能电池单晶硅通常是P型，厚度约0.3-0.5 mm。单晶硅材料的上表面为N+型，这样就使得P型单晶硅构成了一个PN+结。而且单晶硅的整个上表面还均匀覆盖着减反射膜，用以减小电池表面对太阳辐射能的反射作用。

2 太阳能光伏阵列的设计

2.1光伏板阵列及子阵的结构及其特點

太阳能到达地球表面时的能量密度很低，要想获得大量的太阳能能源，就需要用大面积的太阳电池方阵来采集太阳能。而单个太阳电池板的输出电压是有限的，输出电压不高，要想获得所需要的电压大小，就需要用一定数量的太阳电池组件通过串联、并联的方式连接起来，从而构成方阵[2]一个光伏阵列包含有多个光伏组件，组件的数目、组件之间的连接方式、组件所需要的电压（或电流），以及每个组件的参数是由系统设计决定的。

2.2光伏子阵的设计

光伏发电站一般追求电站功率最大化，太阳电池阵列布置较大，为了节约场地，通常情况下需要前后排布太阳电池方阵，而且有些时候，光伏电站的附近还会存在较高的障碍物，会对太阳光的照射产生遮挡作用。这种情况下，就需要计算避免这种遮挡作用所必须的最小距离，不然的话就会使得某些电池板或者电池板的某些部分接收不到太阳光，从而在整体上降低了太阳能的利用效率。由于太阳高度角和方位角随地理位置以及时间而变化，并没有一个确定的值用以参考，通常情况下，为了简便起见，前后方阵最小距离的计算原则是冬至当地平太阳时当天9：00至15：00太阳电池方阵不应被遮挡住。最小间距的计算示意如图l所示。

根据方阵间距示意图所示，可以推导出电池方阵间距D的计算表达式：

式中，D：太阳电池方阵间距；L太阳光线照射在遮挡物后，在其后面所产生投影的长度；H：前面遮挡物最高点与后面方阵底部的高度差；α：太阳高度角；β：太阳方位角；φ：当地纬度；δ：太阳赤纬角；Ω：时角，时角Q在每天中是连续变化的，每个小时的变化量为15。，并规定正午时刻时角Q为0。，上午正，下午为负。

于是，根据前后阵列最小距离计算原则，结合施工当地纬度，以及冬至日的太阳赤纬角和9：00至15：00时的时角，即可得到太阳光线照射到遮挡物后在其后面所产生的投影长度L然后再计算D的值。本文论述湖南某地大型地面光伏电站设计过程，根据以上计算方法可以得出湖南地区组件子阵前后间距为D=4 m，方阵系统倾斜角度为23。，方位角为0。，如图2所示。图2中所示的光伏组件，额定电压36 V，额定功率为305W。

3 并网型光伏发电的组成

并网型的光伏发电属于可逆流系统，可逆流系统的设计一般不需要考虑与负载的匹配问题。光伏发电是直流电，而通常情况下的工业和居民用电都是交流电，而且电压和频率都有严格的规定，这就需要将光伏电站的低压直流电转换成与电网同样的标准[3]光伏并网发电系统主要包括光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置等组件。 逆变器的主电路采用两级并网结构模式。第一级逆变器的主要功能是将电站所产生的直流电变换成易于控制的直流电并且存储到蓄电池中。第二级逆变器就是将直流电转换成为交流电。在大型并网光伏电站建设中，可以采用多个逆变器并联，这样比较符合实际应用情况。 本次设计采用TP672P-305Wp规格多晶硅的光伏组件，每个子阵由40块组件组成，分成两个回路并联，其中每个回路串联20块组件，采用分块发电集中并网的方案。各发电组件的直流电汇集到逆变器，经逆变器逆变为380 V低压交流电后，再送至升压变压器将电压升至10 kV后输送至电网，实现光伏发电的并网。

4结语

目前我国能源的主要来源来自于煤炭，而煤炭的储量是有限的，如果经济的发展过分地依赖于这种有限的资源，若干年后将资源枯竭。煤炭的燃烧还会对环境造成严重的影响，破坏生态环境，而且燃烧石化能源产生的固体颗粒物会进入人体呼吸道，危害人类身体健康。大力发展太阳能产业，不仅能有效调整能源结构，而且也符合生态环境保护的要求。

[参考文献]

[1]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M]北京：化学工业出版社，2012.

[2]袁晓，赵敏荣，胡希杰，等.太阳能光伏发电并网技术的应用[J]上海电力，2006 （4）：342-347.

[3]郑志杰，李磊，王葵.大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨[J]电网与清洁能源，2010 （2）：74-76