独立光伏系统屋顶安装方案

独立光伏系统屋顶安装方案（一）背景： 在 80 年代，光伏地面系统除大量用于偏僻无电地区、游牧家庭、航海灯塔、 孤岛居民供电以及某些特殊领域外，已开始进入一般单独用户、联网用户和商业建筑。进入 90 年代后，随着常规能源的日益枯竭而引起的发电 成本 上升和人们 环境 意识的日益增强，一些国家纷纷开始实施、推广 BIPV 系统。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是建筑与光伏系统相结合；另外一种是建筑与光伏器件相结合。（二）目的：打造世界光都，南昌就必须要从能燃上解决。难道要用非再生能燃吗， 那是不可能成为真正的光都的。 所以我们要依靠太阳能，那就要大量光伏发电系统。（三）实施：在南昌建造一批独立光伏系统的光伏屋顶。（四）建造前考察：（ 1） 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素：1、 太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？2、 系统的负载功率多大？3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流？4、 系统每天需要工作多少小时？5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？（ 2） 南昌市的辐射参数： 纬度 Φ [28.67], 日辐射量 Ht[13094], 最佳倾角 Φ op[ Φ ＋ 2], 斜面日辐射量 [13714], 修正系数Kop[0.8640] （五）器材： （ 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力转换为电能， 或送往蓄电池中存储起来， 或推动负载工作。（ 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） 逆变器：太阳能的直接输出一般都是 12VDC、 24VDC、 48VDC。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。（六）器件选择与计算： 蓄电池组容量设计太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。 与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。 蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。 为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。（ 1）蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多， 目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、 普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。 国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池， 因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点， 很适合用于性能可靠的太阳能电源系统， 特别是无人值守的工作站。 普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大， 所以主要适于有维护能力或低档场合使用。 碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、 过充、 过放性能， 但由于其价格较高， 仅适用于较为特殊的场合。（ 2）蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。 在一年内， 方阵发电量各月份有很大差别。 方阵的发电量在不能满足用电需要的月份， 要靠蓄电池的电能给以补足； 在超过用电需要的月份， 是靠蓄电池将多余的电能储存起来。 所以方阵发电量的不足和过剩值， 是确定蓄电池容量的依据之一。 同样， 连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。 所以， 这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，蓄电池的容量 BC计算公式为：BC=A× QL× NL× TO／ CCAh(1) 式中： A为安全系数，取 1.1 ～ 1.4 之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；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为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取 0.75 ，碱性镍镉蓄电池取 0.85 。4 太阳能电池方阵设计（ 1）太阳能电池组件串联数 Ns 将太阳能电池组件按一定数目串联起来， 就可获得所需要的工作电压， 但是， 太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。 如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时， 充电电流也不会有明显的增加。 因此， 只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（ Uf＋ UD＋ Uc） /Uoc（ 2）式中： UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf 为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取 0.7V；UC为其它因数引起的压降。（ 2）太阳能电池组件并联数 Np 在确定 NP之前，我们先确定其相关量的计算方法。①将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量 Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数 H（日辐射量参见表 1）：H=Ht× 2.778 ／ 10000h（ 3）式中： 2.778 ／ 10000（ h?m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强（ 1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。②太阳能电池组件日发电量 Qp Qp=Ioc× H× Kop× CzAh(4) 式中： Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop为斜面修正系数（参照表 1）；Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取 0.8 。③两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb 为：Bcb=A× QL× NLAh(5)④太阳能电池组件并联数 Np的计算方法为：Np=（ Bcb＋ Nw× QL） / （ Qp× Nw） (6) 式（ 6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量， 不仅供负载使用， 还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。(3) 太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率 P：P=Po× Ns× NpW（ 7）式中： Po为太阳能电池组件的额定功率。5 设计实例以南昌某地面卫星接收站为例，负载电压为 12V，功率为 25W，每天工作 24h，最长连续阴雨天为 15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为 30d，太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的 38D975× 400 型组件，组件标准功率为 38W，工作电压 17.1V， 工作电流 2.22A， 蓄电池采用铅酸免维护蓄电池， 浮充电压为 （ 14± 1）V。其水平面太阳辐射数据参照表 1，其水平面的年平均日辐射量为 12110（ kJ/m2）， Kop值为 0.885 ，最佳倾角为 16.13 °，计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。（ 1）蓄电池容量 Bc Bc=A× QL× NL× To/CC =1.2×（ 25/12) × 24× 15× 1/0.75 =1200Ah （ 2）太阳能电池方阵功率 P 因为：Ns=UR/Uoc=（ Uf＋ UD＋ UC） /Uoc =（ 14＋ 0.7 ＋ 1） /17.1=0.92 ≈ 1 Qp=Ioc× H× Kop× Cz =2.22× 12110×（ 2.778/10000 ）× 0.885 × 0.8 ≈ 5.29Ah Bcb=A× QL×N L =1.2× (25/12) × 24× 15=900Ah QL=(25/12) × 24=50Ah Np=（ Bcb＋ Nw× QL） /(Qp × Nw）=(900＋ 30× 50)/(5.29 × 30)≈ 15 故太阳能电池方阵功率为：P=Po× Ns× Np=38× 1× 15=570W （ 3）计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为 570W，蓄电池容量为 1200Ah （七） 如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。 1. 方位角太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 0°） 时， 太阳电池发电量是最大的。 在偏离正南 （北半球） 30°度时，方阵的发电量将减少约 10％～ 15％；在偏离正南（北半球） 60°时，方阵的发电量将减少约 20％～ 30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后， 因此方阵的方位稍微向西偏一些时， 在午后时刻可获得最大发电功率。 在不同的季节， 太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。 方阵设置场所受到许多条件的制约， 例如， 在地面上设置时土地的方位角、 在屋顶上设置时屋顶的方位角， 或者是为了躲避太阳阴影时的方位角， 以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。 如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。 方位角 ＝（一天中负荷的峰值时刻（ 24 小时制）－ 12）× 15＋（经度－ 116） 10月 9 日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。2. 倾斜角倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角， 并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。 一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时， 相应的倾斜角也大。 但是， 和方位角一样， 在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于 50％ -60 ％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此， 特别是在并网发电的系统中， 并不一定优先考虑积雪的滑落， 此外， 还要进一步考虑其它因素。 对于正南（方位角为 0°度），倾斜角从水平（倾斜角为 0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于 50°～ 60°以后，日射量急剧下降， 直至到最后的垂直放置时， 发电量下降到最小。 方阵从垂直放置到 10°～ 20°的倾斜放置都有实际的例子。 对于方位角不为 0°度的情况， 斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。 以上所述为方位角、 倾斜角与发电量之间的关系， 对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。3. 阴影对发电量的影响 一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。 因此， 如果太阳电池不能被日光直接照到时， 那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约 10％～ 20％。针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。 通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时， 太阳出来后， 建筑物及山的周围会存在阴影， 因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。 另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后， 前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。 有一个高为 L1 的竹竿， 其南北方向的阴影长度为 L2， 太阳高度 （仰角）为 A，在方位角为 B时，假设阴影的倍率为 R，则：R ＝ L2/L1 ＝ ctgA× cosB 此式应按冬至那一天进行计算，因为， 那一天的阴影最长。 例如方阵的上边缘的高度为 h1， 下边缘的高度为 h2，则： 方阵之间的距离 a ＝ （ h1-h2） × R。 当纬度较高时， 方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。 对于有防积雪措施的方阵来说， 其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大， 为避免阴影的影响， 相应地也会使方阵之间的距离加大。通常在排布方阵阵列时， 应分别选取每一个方阵的构造尺寸， 将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。 具体的太阳电池方阵设计， 在合理确定方位角与倾斜角的同时， 还应进行全面的考虑， 才能使方阵达到最佳状态。300Wp家用太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数量 每日工作时间 日耗电量照明 节能灯 11W 4 4 176Wh 收音机 3W 1 6 18Wh 卫星电视接收机 25W 1 6 150Wh 彩色电机 21 寸 70W 1 6 420Wh 水泵 200W 1 0.9 180Wh 总计 342W 944Wh 设备配置：太阳电池组件： 300Wp；免维护蓄电池： 150AH/24V；逆变器： 500W ；充电控制器： 12A。（八） 价钱预算： [1] 太阳能电池板如 多晶硅二十多元一瓦（ 125 瓦 / 每户）[2] 太阳能控制器如 产品名称： （新品） EPRC-ST太阳能控制器产品型号： EPRC-ST 原 产 地： 无锡参考价格： 250 元 / 台产品品牌： JAJE [3] 蓄电池[4] 逆变器如 NFA纽福克斯 2000W逆变器 1320（元 / 个）设计：周程晟联系： zhoutw@hotmail.comQQ:547030828,TEL:15979157780型号 电压 （ V） 额定容量（ AH）单价（ RMB）50A09 2 220 2536