5kWp光伏太阳能离网发电系统设计方案

5kWp 光伏太阳能离网发电系统设计方案第 1 页 /共 45 页目 录一、光伏太阳能离网发电系统简介 2 二、项目地参数 2 三、相关规范和标准 5 四、系统组成与原理 6 五、设计过程 8 1、方案简介 8 2、用户信息 8 3、蓄电池设计选型 8 4、组件设计选型 12 5、离网逆变器设计选型 16 6、控制器设计选型 18 7、交直流断路器 21 8、电缆设计选型 23 9、方阵支架 23 10、配电室设计 23 11、接地及防雷 23 12、数据采集检测系统 24 六、仿真软件模拟设计 25 七、设备配置清单及详细参数 31 八、系统建设及施工 31 九、系统安装及调试 32 十、工程预算投资分析报告 36十二、运行及维护注意事项 38 十三、设计图纸 41 第 2 页 /共 45 页5kWp 光伏太阳能离网发电系统配置方案一、光伏太阳能离网发电系统简介独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。 它的主要特点就是集中供电， 如在一个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能， 当然这是在该村庄地理位置较偏远， 无法直接利用电力公司电能的情况下，所能用到的方法。用这种方式供电便于统一管理和维护。而户用系统是采用分散供电的方式提供电能， 如果要在该村庄安装户用光伏系统， 这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小，控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是完全一致的。太阳能光伏建筑一体化（ Building Integrated Photovoltaic BIPV）是应用太阳能发电的一种新形式， 简单的讲就是将太阳能发电系统和建筑的围护结构外表面如建筑幕墙、 屋顶等有机的结合成一个整体结构， 不但具有围护结构的功能， 同时又能产生电能供本建筑及周围用电负载使用。 还可通过建筑物输电线路离网发电， 向电网提供电能。 太阳能光伏方阵与建筑的结合由于不占用额外的地面空间， 是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而备受关注。二、项目地参数图片来自 Google 地球1、项目地点江苏省泰州市 XX 区 XX 镇；2、经度 120 12’ ，纬度 32 23’；3、平均海拔高度 7m；第 3 页 /共 45 页4、温度Monthly Averaged Earth Skin Temperature CLat 32.5 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual Lon 119.9 Average10-year Average 0.56 3.24 7.99 14.3 19.4 23.6 26.2 25.7 21.8 15.3 8.4 1.89 14.1 5、湿度Monthly Averaged Relative Humidity Lat 32.5 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual Lon 119.9 Average10-year Average 74.7 73.6 75.5 77.7 80.5 82.7 84 81.6 78.7 74.5 72.9 75.5 77.6583 6、辐照度Monthly Averaged Radiation Incident On An Equator-Pointed Tilted Surface / RETScreen Method kWh/m 2/day Lat 32.5 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec AnnualLon 119.9 AverageSSE HRZ 2.69 3.07 3.62 4.78 5.32 4.98 5.01 5.09 3.87 3.53 3.11 2.68 3.98 K 0.48 0.45 0.42 0.47 0.48 0.43 0.44 0.48 0.42 0.47 0.52 0.52 0.47 Erbs DIF 1.06 1.47 1.83 2.16 2.37 2.45 2.41 2.23 1.95 1.59 1.11 0.97 1.8 RET DNR 3.52 3.09 2.84 3.62 4.14 3.44 3.59 4.19 2.86 3.52 4.1 3.97 3.58 Tilt 0 2.64 3.04 3.58 4.67 5.29 4.95 4.99 5.07 3.81 3.5 3.04 2.64 3.94 Tilt 17 3.29 3.49 3.85 4.8 5.22 4.81 4.88 5.11 4.01 3.96 3.77 3.42 4.22 Tilt 32 3.69 3.71 3.89 4.68 4.9 4.46 4.55 4.89 4 4.15 4.2 3.9 4.26 Tilt 37 3.76 3.72 3.85 4.57 4.72 4.34 4.37 4.74 3.94 4.15 4.27 3.99 4.20 Tilt 47 3.89 3.74 3.76 4.35 4.36 3.92 4.02 4.45 3.81 4.15 4.41 4.18 4.09 Tilt 90 3.29 2.86 2.53 2.45 2.18 1.94 2.01 2.38 2.41 3.06 3.67 3.66 2.7 OPT 3.91 3.75 3.9 4.8 5.3 4.95 4.99 5.14 4.03 4.18 4.42 4.23 4.47 OPT ANG 53 42 29 16 4 0 2 11 23 39 52 57 27.2 7、风速Monthly Averaged Wind Speed At 10 m Above The Surface Of The Earth For Terrain Similar To Airports m/s Lat 32.5 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecAnnualLon 119.9 Average10-year Average 3.75 3.78 3.5 3.35 3 2.9 3.02 2.98 2.91 2.88 3.21 3.46 3.22 第 4 页 /共 45 页8、负载参数用户平均日用电量如下表所列清单家 用 电 器 功 耗 表序号 电器名称功率 /W 电器数量平均使用时间/h/day 耗电量 /Wh/day 备注Min/W Max/W日电量MinWh 日电量MaxWh 1 灯具日光灯 40 60 4 2 320 480 2 节能灯 5 50 4 2 40 400 3 LED灯 5 20 4 4 80 320 4 1.5 匹空调 1200 1400 2 2 4800 5600 5 水空调 1000 1200 1 2 2000 2400 6 小型洗衣机 100 200 1 1 100 200 7 电视机液晶 25 100 2 4 200 800 8 纯平 11 100 1 4 44 400 9 模拟接线盒 10 15 2 4 80 120 10 卫星接收器 15 20 1 4 60 80 11 笔记本电脑 20 50 1 4 80 200 12 微风扇 5 20 2 4 40 16013 电热器电热水壶 800 1500 1 0.5 400 750 14 吹风机 600 1000 1 0.3 180 300 15 电热毯 60 100 2 6 720 1200 16 电饭煲 500 900 1 1 500 900 17 微波炉 750 1100 1 0.3 225 30018 冰箱交流 100 150 1 24 2400 3600 电器总功率 8210 18420同时使用率为 0.6 4926 11052 第 5 页 /共 45 页三、相关规范和标准光伏离网逆变系统的制造、试验和验收可参考如下标准GB/T 18479-2001地面用光伏 PV发电系统导则GB/T 20046-2006光伏 PV系统电网接口特性GB2297-89太阳光伏能源系统术语GB/T 18210-2000 晶体硅光伏方阵 I－ V 特性的现场测量GB/T 20514-2006 光伏系统功率调节器效率测量程序GB/T 20513-2006 光伏系统性能监测 测量、数据交换和分析导则GBT 18911- 2002 IEC 61646 1999 地面用薄膜光伏组件设计鉴定和定型GBT 20047.1 2006 光伏 PV组件安全鉴定 第一部分 结构要求GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程GB4064-1984电气设备安全设计导则GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波DL5027-1993电力设备典型消防规程EN50178 用于电力安装的电气设备中华人民共和国消防法电力监管条例 国务院令〔 2005〕第 432 号 中华人民共和国电力法太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法的通知关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见（财建 [2009]128 号）第 6 页 /共 45 页四、系统组成与原理1、光伏太阳能离网发电系统主要包括太阳能电池板（阵列） 、控制器、蓄电池、逆变器、用户（即照明负载）等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。（ 1）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；（ 2）太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态， 并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（ 3）蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来， 到需要的时候再释放出来。（ 4）离网逆变器在很多场合，都需要提供 220VAC、 110VAC 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC、 110VDC、 220VDC。为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。 在某些场合， 需要使用多种电压的负载时， 也要用到 DC-DC 逆变器，如将 24VDC 的电能转换成 5VDC 的电能（注意，不是简单的降压） 。2、光伏太阳能离网发电系统主要组成如下（ 1）光伏电池组件及其支架；（ 2）太阳能控制器（ 3）蓄电池（组）（ 4）离网逆变器；（ 5）系统的通讯监控装置；（ 6）系统的防雷及接地装置；（ 7）土建、配电房等基础设施；（ 8）系统的连接电缆及防护材料。第 7 页 /共 45 页3、下图为离网系统原理示意图系统方框图离网系统示意图控制器 离网逆变器交流负载蓄电池光伏阵列直流负载第 8 页 /共 45 页五、设计过程1、方案简介本太阳能离网发电系统因考虑全年平均用电量， 将系统设计成全年发电量均衡， 以此设计组件阵列倾角等参数。本太阳能离网发电系统将采用分布式离网的设计方案，该 5kWp 的离网发电系统，通过控制器将电能储存到蓄电池， 再连接到离网逆变器， 并通过逆变器将直流电转化成交流电供应交流负载使用。另外，系统可选择配置 1 套监控装置，可采用 RS232/RS485或 Ethernet（以太网）的通讯方式，实时监测离网发电系统的运行参数和工作状态。2、用户信息（ 1）要求连续使用阴雨天数 1 天；（ 2）负载类型 220Vac 负载；（ 3）日用电量根据家用电器功耗表统计，用户电器全额总功率为 8210W，日均用电量为18420Wh，按照 60的同时使用率计算，得出电器总功率为 4926W，日均用电量为 11052Wh。日均负荷平均耗电量时，增加 5的预期负荷留量，所以日均耗电总量为11052Wh 1.05≈ 11.6kWh。3、蓄电池设计选型蓄电池容量计算是根据系统日用电量、 自给天数、 逆变器效率以及蓄电池放电深度决定。 蓄电池的容量选择是家用太阳能光伏系统的关键问题之一， 是本系统中维护成本最高的，所以合理选择蓄电池容量是非常重要的。平均放电率计算公式一加权平均负载工作时间 Σ（负载功率工作时间） /Σ负载功率11052Wh/4926W2.43h 平均放电率（小时） （自给天数负载工作时间） /最大放电深度（ 2 2.43h） /0.86.08h 蓄电池容量计算公式一CAPDL/DOD η out V （ 2 11.6kWh） /（ 0.8 0.9 110V）≈ 292.93Ah CAP电池容量， Ah；D存电可用天数；L最大平均日用电量， kWh；DOD蓄电池放电深度；η out从许能系统到负载见的总效率；第 9 页 /共 45 页V系统电压， V；计算中，逆变器日均效率取 0.92，蓄电池充电控制器效率取 0.98。所以， η out逆变器日均效率 蓄电池充电控制器效率 0.92 0.980.9。蓄电池容量计算公式二蓄电池容量 （日均耗电量自给天数） /（蓄电池放电深度逆变器效率系统电压）（ 11.6kWh 2） /（ 0.8 0.85 110V）≈ 310Ah 蓄电池放电深度取 0.8；逆变器效率取 0.85；系统电压 110V；自给天数 连续阴雨天数 1112；蓄电池容量计算公式三CAP（ QL D） /（ Vη 1η 2η 3η 4）（ 11.6kWh 2） /（ 110V 0.8 0.85 0.98 0.9）≈ 352Ah QL日均耗电量， Ah；D连续阴雨天数， 2 天；V系统电压， V；η 1蓄电池放电深度， 0.8；η 2逆变效率， 0.85；η 3输出线损， 0.98；η 4蓄电池放电效率， 0.9；蓄电池容量计算公式四蓄电池容量 C（ P t D） /（ V Kη 2）（ 11.6kWh 2） /（ 110V 0.7 0.85）≈ 354Ah C蓄电池组的容量， Ah；P负载的功率， W；t负载每天的用电小时数， h；D连续阴雨天数（一般为 2～ 3 天） ，取值 2 天。V蓄电池组的额定电压， V；K蓄电池的放电系数，考虑蓄电池效率、放电深度、环境温度、影响因素而定， 一般取值为 0.4～ 0.7。 该值的大小也应该根据系统成本和用户的具体情况综合考虑；η 2逆变器的效率，取值 0.85；蓄电池容量计算公式五蓄电池容量 Bc（ A QL NL To） /（ Cc V）（ 1.4 11.6kWh 2 1） /（ 110V 0.8）≈ 369Ah 第 10 页 /共 45 页 A为安全系数，根据情况在 1.2-1.4 之间选取，取 1.4；QL为负载的日平均耗电量， kWh；V系统电压， V；NL为该地区最长连续阴雨天数，取 2 天；To为温度修正系数，一般在 0℃以上取 1， -10℃以上取 1.1， -10℃以下取 1.2；Cc蓄电池放电深度，取 0.8；本系统中可以选用双登集团的 GFMJ-350 型号的 2V350Ah 胶体电池，采用 55 串 1并共 55 块，合计 110V350Ah。蓄电池具体参数如下产品规格及主要参数一览表第 11 页 /共 45 页产品内阻、电导、短路电流、包装运输数据一览表第 12 页 /共 45 页第 13 页 /共 45 页4、组件设计选型（ 1）倾角及方位角设计计算光伏组件水平倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。1） 对于一年四季发电量要求基本均衡的情况， 可以按以下方式选择组件倾角纬度 025 倾角等于纬度纬度 2640 倾角等于纬度加 510 纬度 4155 倾角等于纬度加 1015 纬度 55 倾角等于纬度加 1520 2）在我国大部分地区通常可以采用所在纬度加 7 的组件水平倾角。对于要求冬季发电量较多情况，可采用所在纬度加 11 的组件水平倾角。对于要求夏季发电量较多情况，可采用所在纬度减 11 的组件水平倾角。本离网发电系统位于北纬 32 ，考虑采用一年四季均衡发电模式，故组件倾角暂设为 32 5 37。（ 2）阵列间距设计计算光伏方阵前后两排间距或与前方遮挡物之间的间距设计光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距如果不合理设计，则会影响光伏系统的发电量，尤其在冬季。光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。计算公式为D0.707H/tan〔 arc sin0.648cosΦ 0.399sinΦ 〕D 前后间距；Φ 光伏系统所处纬度 北半球为正，南半球为负 ；H为后排光伏组件底边至前排遮挡物上边的垂直高度；假设项目所出地理位置约为 Φ 32 ，则D0.707H/tan〔 arc sin0.648cos32 0.399sinΦ 32 〕0.707H/tan〔 arc sin0.648 0.848 0.399 0.529 〕0.707H/tan〔 arc sin0.549 0.211 0.707H/tan〔 arc sin0.338〕0.707H/tan18.6 0.707H/0.3362.1H 本离网发电系统为屋顶平铺设计，此项暂不需要考虑。（ 3）组件容量计算第 14 页 /共 45 页组件输出电流计算公式一组件阵列输出电流 IQ/ （ Vη 1η 2 h）11.6kWh/（ 110V 0.95 0.9 4.2h）≈ 29.4A Q日均负载耗电量， kWh；V系统电压， 110V；η 1组件输出线损， 0.95；η 2蓄电池放电效率， 0.9；h平均日照时数， h；组件输出电流计算公式二组件阵列输出峰值电流 IpL/ （η bat DF Vη out h）11.6kWh/（ 0.85 0.9 110V 0.9 4.2）≈ 36.5A L日均负载耗电量， kWh；V系统电压， 110V；η bat蓄电池的电量效率， 0.85；η out从蓄电池到负载的总效率， 0.9；DF灰尘系数， 0.9；h平均日照时数， h；组件输出电流计算公式三组件阵列输出电流 I Imin 1000 米，降额使用 常规数据保护方式 直流输入欠压、直流输入过压、输入反接、输出过载、输出短路通讯接口 RS232/485防护等级 IP20参考尺寸 深宽高，单位 mm 550 300 500 参考重量 kg 128 第 19 页 /共 45 页6、控制器设计选型控制器作为光伏发电系统的重要组成部分，对蓄电池的充、放电进行合理的管理，直接影响蓄电池的使用寿命， 也将影响整个系统的稳定性。 控制器还需要具备以下功能高压断开和恢复、低压警告和恢复、低压断开和恢复、防短路保护、防反充保护、温度补偿以及定时开关功能。控制器电流计算公式一电流 组件容量 /系统电压5kW/110V≈ 45.5A 控制器选定公式一蓄电池的输入电流 组件短路电流 /保守率35A/0.8541.18A 本系统控制器可以选用合肥尚源 GS 50E 型号 108V， 50A 的控制器，具体参数如下表型号 GS50E额定电压（ VDC） 108额定电流（ A） 50充电最大电流（ A） 50最大光伏组件功率（ KWp） 5.4光伏阵列输入控制路数 2每路光伏阵列最大电流（ A） 25最大开路电压（ VDC） 100空载电流 mA 1000 米，降额使用 机械尺寸 mm深、宽、高 350x483x177参考重量（ Kg） 20控制器原理图因控制器具有 24 路光伏阵列输入接线端，因此可以省略汇流箱汇流接线，当然，如果处于更高级别的安全考虑，建议加装直流防雷汇流箱，具体型号如下根据组件串并联方式，选用南京冠亚 4 进 1 出的直流汇流箱。（ 1）产品特征1）户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，防护等级达 IP65，满足室外安装使用要求；2）最多可同时接入 16 路光伏方阵，每路光伏方阵的最大允许电流为 20A；3）光伏方阵的最大开路电压值为 DC1000V；4） 每路光伏方阵配有光伏专用高压直流熔丝进行保护， 其耐压值为 DC1000V；5） 直流输出母线正极对地、 负极对地、 正负极之间配有光伏专用高压防雷器；6）直流输出母线端配有可分断的直流断路器；7）汇流箱具有对光伏组件阵列的状态、熔丝状态、防雷器状态、断路器状态等等监视功能，通过 RS485 远程传输；8）产品内置防反二极管；（ 2）技术参数如下最大开路电压 VDC 1000 第 21 页 /共 45 页输入路数 2 每路输入电流（ A） 15 防水端子 PG21 光伏专用防雷模块 有 直流输出断路器 有 连续运行时间 可连续运行 机箱尺寸（深 *宽 *高 mm） 300*350*180 安装方式 壁挂式 防护等级 IP65 室外 通讯功能 选配 RS232 重量（ Kg） 15 环境 绝缘强度（ VAC） （输入和输出） 1500，一分钟 噪音（ dB、1 米） ≤ 10 使用环境温度 ℃ -25～ 65 环境湿度 0～ 99 使用海拔 m ≤ 5000 （ 3）汇流箱电气原理图SPD防雷器直流输出（ ）直流输出（ -）S1S2S3S4电池串列 2（ ）电池串列 1（ ）电池串列 4（ -）电池串列 3（ -）S3S4电池串列 4（ ）电池串列 3（ ）电池串列 2（ -）电池串列 1（ -） S1S2第 22 页 /共 45 页汇流箱外观汇流箱内部接线图7、交直流断路器本系统直流侧如果不用汇流箱， 则选用直流断路器代替， 选用正泰公司的 NB1Z-63 C50 型号交直流断路器；本系统交流侧选用同种型号单相交流断路器，具体参数如下；（ 1）瞬时脱扣器的形式第 23 页 /共 45 页（ 2）额定短路能力（ 3）机械电气寿命（ 4）过电流保护特性第 24 页 /共 45 页（ 5）接铜导线（ 6）每极功耗8、电缆设计选型5kWp 组件为 20 块 250Wp 的组件为 5 串 4 并连接，系统开路电压为 188V；短路电流为 35A；工作电压为 157V，工作电流为 32A；（ 1）直流端1）光伏阵列每个并联组串回路与控制器之间采用 2.5mm2铜导线，承受电流范围 10A15A；2）控制器与蓄电池之间采用 10mm2铜导线，承受电流范围 50A65A；3）控制器与逆变器之间采用 10mm2铜导线，承受电流范围 50A65A；（ 2）交流端1） 逆变器与交流断路器之间 采用 10mm2铜导线， 承受电流范围 50A65A ；2） 逆变器与交流负载之间 采用 10mm2铜导线， 承受电流范围 50A65A ；9、方阵支架因本离网发电系统为屋顶平铺设置，太阳能组件阵列支架采用屋顶导轨支架，支架倾角设为 37 度。10、配电室设计由于离网发电系统有蓄电池及太阳能充放电控制器及交直流配电系统， 建一座 35平米的低压配电室就可以了， 如果条件允许的话可以将离网发电系统逆变器单独放在一小隔间。11、接地及防雷为了保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行，要对这套系统采取防雷措施。主要有以下几个方面第 25 页 /共 45 页（ 1）地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择附近土层较厚、潮湿的地点，挖一个 2 米深地线坑，采用 40 扁钢，添加降阻剂并引出地线，引出线采用 35mm2铜芯电缆，接地电阻应小于 4 。（ 2）在配电室附近建一避雷针，高 1015 米，并单独做一地线，方法同上。（ 3）接闪器可以采用 12mm 圆钢，如果采用避雷带，则使用圆钢或者扁钢，圆钢直径≥ 48mm，扁钢厚度不应该小于等于 4 mm2。（ 4）引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥ 8mm，扁钢的截面不应该小于 4mm2。（ 5）太阳电池方阵电缆进入配电室的电压为 DC220V，采用 PVC 管地埋，加防雷器保护。此外电池板方阵的支架应保证良好的接地。（ 6）离网逆变器交流输出线采用防雷箱一级保护（离网逆变器内有交流输出防雷器） 。（ 7）接地装置人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢；水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于 10mm，扁钢截面不应小于 100 mm2，角钢厚度不宜小于 4mm， 钢管厚度不小于 3-5mm。 人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。 12、数据采集检测系统本离网发电系统采用南京格瑞能源科技有限公司的数据采集监测系统，实时监控界面如下 （部分展示）第 26 页 /共 45 页中文实时监控信息第一页中文实时监控信息第二页六、仿真软件模拟设计（ PVSYST ）1、初步模拟设计结果详见 PVSYST 初始模拟【 5kWp 离网】 点击浏览下一页信息实时信息显示点击返回菜单页点击浏览上一页信息第 27 页 /共 45 页第 28 页 /共 45 页2、精确模拟设计结果详见 PVSYST 精确模拟【 5kWp 离网】 第 29 页 /共 45 页