零下30°光伏能发电吗

最好当然是在室温下20度工作。光伏我的印象中就是迎着太阳的直射，温度不高都不可能。

太阳能电池板（Solar panel）是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”。

结构组成

用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的。

常规组件在生产时会进行功率测试，测试功率时候的温度是25±2℃

这样计算组件的温度就是环境温度+25℃。如果环境温度达到40℃，那么组件的温度为65℃。

首先，第一点：

当光伏组件工作时，温度分布不是均匀的

第二点：

肯定电池片的温度最高，理由如下：

1.正常的组件阳光基本上是被电池片吸收了，电池片正面的反射率可以做到4%以下，也就是说96%以上被吸收了，尽管只有不到20%的光转化为了电能，其他的部分基本都发热了；

2.玻璃和EVA的透光率都非常高，换句话说吸收率非常低，自然发热也低。同理背板的反射率也要求高，自然吸收也低；

3.即使有EVA或背板因发热被黄变或烧穿，那也是因为电池片或焊带发热导致；

异常的组件，比如热班的组件，就更是电池片或焊接不良导致的发热了。

所以电池片是发热源，按照温度高低依次：电池片—EVA—背板或玻璃

如果测试背板的温度150，电池片可能到200了

第三点：

如果你想得到最直观的感受，可以用专用设备，有种红外感应仪器，把镜头对准光伏组件，在屏幕上可以看到，组件不同部分依照温度高低，显示的颜色是不同的。

第四点：

简单分析一下，由于组件内部电池片可能存在隐裂以及其他潜在质量问题，当使用一段时间后，也会造成工作温度分布不均匀。

就是这样。

1.1项目简介及选址

本项目电站选址地位于湖南省湘潭市雨湖区的响塘学校屋顶上，经过去现场实地的了解和勘测后，此学习周围无森林无高大树木，附近也无任何其他房屋，距离其最近的房屋也有数十米的距离，该屋顶无女儿墙无其他建造物，是一个平面的屋顶，其屋长为43米，宽为32米。

本项目将在此学校屋顶上建造一个100kw的并网型光伏电站，实施全额上网措施。选址卫星图如图1-1所示，选址平面图如图1-2所示。

图1-1 选址地卫星图

图1-2 选址平面图

1.2 项目位置及气象情况

经过百度地图的计算，得出了此地经纬度为：北纬27.96，东经为112.83，是属于亚热带温湿气候区，典型的冬冷夏热气温，年降雨量充足达1450毫米，最高气温为夏季的41.8度，最低气温为冬季的-12.1度，年均气温17度。该项目所在地最高海拔为793米，最低海拔达30.7米，总的平均海拔为48.2米。该地年总辐射量经过PVsyst软件的计算后，得出了1116.6的值，不是特别高，属于第三类资源区，但建设一个电站也不是特别亏。湘潭市地理位置图如图1-3所示。

图1-3湘潭市地理位置

图1-4年均总辐射值

1.3项目设计依据

本项目设计依据如下：

《光伏发电站设计规范》GB50794-2012

《电力工程电缆设计规范》GB50217-1994

《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005

《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5

《光伏发电站接入电力系统技术规范》GB/T19964-2012

《光伏发电站接入电力系统设计规范》GB/T5086-2013

《光伏(PV)系统电网接口特性》GB/T20046-2006

《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-19933

《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995

《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000

二、电站系统设计

2.1组件选型

组件是电站中造价最高的设备，投资一个电站几乎一半的钱是砸这组件上去了，为此我们选择的组件一定要是最适合本电站的，不管是组件效率还是组件的其他参数在同功率组件下都应该保持最佳，这样才不会亏本。

组件的类型有很多，以不同的材料来说，组件又分为了晶硅组件、薄膜组件，在电站中使用最多的便是晶硅型组件，而晶硅型组件又分为单晶硅和多晶硅，它们都是市场上十分热门的组价。

单晶硅的效率比多晶硅高了很多，其使用寿命时间也长了不少，但价格方面却比多晶硅高了很多，但考虑到平价上网的时代，单晶硅的价格远远不如过去那样昂贵，所以本电站选取的组件为单晶型组件。

表2-1伏组件对比表

组件品牌及型号

晶科

Swan Bifacial 400 72H

晶科

Swan Bifacial 405 72H

晶澳

JAM72S10 400MR

最大功率(Pmax)

400Wp

405Wp

400Wp

最佳工作电压(Vmp)

41V

41.2V

41.33V

组件转换效率(%)

19.54%

19.78%

19.9%

最佳工作电流(Imp)

9.76A

9.83A

9.68A

开路电压(Voc)

48.8V

49V

49.58V

短路电流(Isc)

10.24A

10.3A

10.33A

工作温度范围(℃)

-40℃~+85℃

-40℃~+85℃

-40℃~+85℃

最大系统电压

1000/1500V DC(IEC/UL)

1000/1500VDC(IEC/UL)

1000/1500VDC (IEC)

最大额定熔丝电流

20A

20A

20A

输出功率公差

0~+5W

0~+5W

0~+3%

最大功率(Pmax)的温度系数

-0.350%/℃

-0.35%/℃

-0.35%/℃

开路电压(Voc)的温度系数

-0.290%/℃

-0.29%/℃

-0.272%/℃

短路电流(Isc)的温度系数

0.048%/℃

0.048%/℃

0.044%/℃

名义电池工作温度(NOCT)

45±2℃

45±2℃

45±2℃

组件尺寸：长*宽*厚（mm）

2031*1008*30mm

2031*1008*30mm

2015*996*40mm

电池片数

72

72

72

第一款组件晶科Swan Bifacial 400 72H和第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H的型号牌子都一样，除功率和其效率有点差距之外，其他的参数基本一样，但其第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H组件的效率高，相同尺寸不同效率下，选择第二款组件更好。

第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款组件里效率最高的组件，比第一款和第二款分别高了0.37%和0.12%，并且尺寸和部分温度系数也是3款里面最小的，开路电压和工作电压以及短路电流等参数也是3款组件中最高的，从数据上来看，第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款里最棒的组件。

综合上面的分析，本项目最终选择第3款组件晶澳JAM72S10 400MR作为本项目的组件使用型号。组件图如图2-1所示。

图2-1 组件图

2.2最佳倾斜角和方位角设计

本电站建造在平面屋顶上，该屋顶无任何的倾角，由于组件是依靠着太阳光发电，但每时每刻太阳都是在运动着，为此便会与组件形成一个角度，该角度影响着组件的发电量，对于采取固定支架安装方式的电站来说，选择一个最合适的角度能够让电站发电量达到最高，因此最佳倾角这个概念便被引出了。

对于本电站而言，根据其PVsyst软件的计算后，得出了湘潭最佳倾角为18度时，方位为0度时，电站一年下来的发电量能够达到最高。PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图如图2-2所示。

图2-2 PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图

2.3组件排布方式

本项目选址地屋顶长43米，宽为29米，采取横向排布方式无法摆下其电站中的整个阵列，因此本项目组件方式采取竖向排布，中间间距20mm。如图2-3所示。

图2-3 组件排列方式

2.4组件间距设计

太阳照射到一个物体上时，由于该物体遮住了光，使得光不能直射到地上时，该物体便会产生一个阴影投射到地上，而电站中的组件也类似于此，前一个组件因光产生的阴影投射到另一个组件上时，被照射的组件便会受到影响，进而影响整个电站，这对于电站来说是一个严重的问题，因此在设计其组件之间的间距时，一定要保证阴影的距离不会触及组件。

图2-4间距图

在公式2-1中：

L是阵列倾斜面长度（4050mm）

D是阵列之间间距

β是阵列倾斜角(18°）

为当地纬度（27.96°）

把以上数值代入公式后计算得：

2-5组件计算图

根据结果，当电站中的子方阵间距大于2119mm时，子方阵与子方阵便不会受到影响。

图2-6方阵间距图

2.5逆变器选型

逆变器是电站中其转换电流的设备，十分的重要，而逆变器的种类比较多，对于本项目电站来说，选择组串式逆变器最佳，因此本项目选择了3款市场上热卖的组串式逆变器。

表2-2 逆变器参数对比表

逆变器品牌及型号

华为

SUN2000-100KTL-C1

华为

SUN2000-110KTL-C1

固德威

HT 100K

最大输入功率

100Kw

110Kw

150Kw

中国效率

98.1%

98.1%

98.1%

最大直流输入电压（V）

1100V

1100V

1100V

各MPPT最大输入电流（A）

26A

26A

28.5A

MPPT电压范围（V）

200 V ~ 1000 V

200 V ~ 1000 V

200V ~ 1000V

额定输入电压（V）

600V

600V

600V

MPPT数量/输入路数

10/20

10/20

10/2

额定输出功率（KW）

100K W

110K W

100K W

最大视在功率

110000 VA

121000 VA

110000 VA

最大有功功率 (cosφ=1)

110KW

121K W

110KW

额定输出电压

3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE

3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE

380, 3L/N/PE 或 3L/PE

输出电压频率

50 Hz，60Hz

50 Hz，60Hz

50 Hz

最大输出电流（A）

168.8A

185.7 A

167A

功率因数

0.8 超前—0.8 滞后

0.8超前—0.8滞后

0.99 （0.8超前—0.8滞后）

最大总谐波失真

＜3%

＜3%

<3%

输入直流开关

支持

支持

支持

防孤岛保护

支持

支持

支持

输出过流保护

支持

支持

支持

输入反接保护

支持

支持

支持

组串故障检测

支持

支持

支持

直流浪涌保护

Type II

Class II

具备

交流浪涌保护

Type II

Class II

具备

绝缘阻抗检测

支持

支持

支持

残余电流监测

支持

支持

支持

尺寸（宽 x 高 x 厚）

1,035 x 700 x 365 mm

1,035 x 700 x 365 mm

1005*676*340

重量（kg）

85kg

85kg

93.5kg

工作温度（°C）

-25°C~60°C

-25°C~60°C

-25~60℃

3款逆变器的功率均在100kw以上，其效率也都是一模一样，均只有98.1%，其额定输出电压也都为600V，对于本电站来说，这3款逆变器都能使用，但可惜本电站只会从中选择一个最合适的品牌。

第一款逆变器华为SUN2000-100KTL-C1和第二款逆变器华为SUN2000-110KTL-C1是同种类同型号，但不同功率的逆变器，这两款逆变器大部分数据都一模一样，但第二款逆变器功率比第一款逆变器功率高了10k，比本电站的容量也高了10k，并且价格了略微高了那么点，选用第一款逆变器不仅省钱而且还不会造成功率闲置无处使用，最大发挥逆变器的作用，因此第1款比第2款逆变器好。

第三款逆变器是固德威HT 100K，它的最大输入功率高达150kw，明明是一个100kw的逆变器，但其输入功率却不同我们往常见的逆变器一样，它居然还高了50k，如果选用这款逆变器，那么阵列输入的功率超过100都能承受。虽然最大输入功率很恐怖，但其他参数正常，对比第一款逆变器，仅只是部分参数略微差了点，总体是几乎没什么太大的差别。

本项目根据上述的分析和对其逆变器的需求，最终选择了固德威HT 100K型逆变器为本电站逆变器。

2.6光伏阵列布置设计

2.6.1串并联设计

图2-7串并联计算

公式2-3、2-4中：

Kv——光伏组件的开路电压温度系数-0.00272

K——光伏组件的工作电压系数-0.0035

t/——光伏组件工作环境极限高温（℃)60

Vpm——光伏组件的工作电压（V）41.33

VMPPTmax——逆变器MPPT电压最大值（V）1000

VMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）200

Voc——光伏组件开路电压（V）49.58

N——光伏组件串联数（取整）

t——光伏组件工作环境极端低温（℃）-12.7

——逆变器允许的最大直流输入电压（V）1100

把以上数值代入公式中计算可得：

5.5≤N≤21

经计算，本电站最终选取20块组件为一阵列。如图2-6组件串并联设计图。

图2-8组件串并联设计图

2.6.2项目方阵排布

据2.6.1的结果，每一个阵列共有20块组件，单块组件的功率是400w，一个阵列便是8kw，而本电站的总容量为100kw，总计是需要13个阵列。本电站建设地屋顶长43米，宽为32米，可以完整的摆放电站中的所有子方阵。如图2-9所示。

图2-9项目方阵排布图

2.7基础与支架设计

2.7.1水泥墩设计

本电站所建地点是公办学校，属于公共建筑，如果使用其打孔安装方式，便有可能使得其屋顶因时间长久而漏水，一旦漏水便需要进行维修，这也是得花费一些金钱，又因是学校，开工去维修可能将使部分学生要做停课处理，因此为了避免这个麻烦，本电站还是选择最常见的水泥墩来做基础设计。

考虑到学校有许多的学生，突然出现了事故，作为电站建设者肯定会有责任，因此为了避免组件出现任何事故，特地将水泥墩设计为一个正方形，其长宽高都为500mm，这样的重量大大降低了事故的发生率。如图2-10水泥墩设计图和2-11电站整体水泥墩设计所示。

图2-10水泥墩设计

图2-11电站整体水泥墩设计图

2.7.2支架设计

都已经把基础设计水泥墩做好了，那么接下来则是考虑水泥墩上的支撑设备支架，对于支架的设计最重要的一点就是在选材上，一般电站中的支架会持续使用到电站报废为止，使用时间长达二十多年三十多年甚至更久，对此支架的选型便是十分的重要，其使用寿命必须得长，抗腐蚀能力强。如图2-12支架设计图所示。

图2-12支架设计图

2.8配电箱选型

配电箱在光伏电站里又分为直流配电箱和交流配电箱，对于本电站来说，是选择其交流配电箱。配电箱的容量是根据其逆变器的容量选择，必定不能小于其逆变器的容量，否则可能会出现配电箱过压的情况，然后给电站造成事故危险。

配电箱具备配电、汇电、护电等多种功能，是本电站必须要又的设备，经过配电箱型号的对比，本电站最终选择了昌松100kw光伏交流逆变器。

表2-3配电箱参数

项目名称

昌松100kw光伏交流配电箱

项目型号

100kw交流配电箱

额定功率

100KW

额定电流

780A

额定频率

50Hz

海拔高度

2500m

环境温度

-25~55℃

环境湿度

2%~95％，无凝霜

2.9电缆选配

电站分为两类电，一类是直流电，必须使用直流电缆运输；一类是交流电，必须使用交流电缆运输，切记不可以乱搭配使用，否则将会造成电缆出线问题，电站设备出现问题。

直流电缆选型一般都是选择PV1-F-1*4mm²光伏专用直流电缆

交流电缆：

P：逆变器功率100KW

U：交流电电压380V

COSΦ：功率因数0.8

=

=190A

=0.035Ω

=976W

线损率：976/100000=0.9%<2%，符合光伏电缆设计要求。

据其计算结果和下图电缆参数表，本电站最终选择ZRC-YJV22 7Omm2交流电缆。如图2-13电缆参数图所示。

图2-13 电缆参数图

2.10防雷接地设计

防雷接地是绝大多数光伏电站都必须要做的，目的就是防止雷击破幻电站，损坏人民的生命以及财产，特别是对于本电站而言，建设点是在学校，而学校不仅人多而且易燃物也多，一旦雷击劈到电站上，给电站造成了任何事故，都有可能把整个学校给毁了，为此本电站一定需要做好防雷接地设计。

本电站防雷方式采取常用的避雷针进行避雷，接地则是为电站中各个设备接地端做好接地连接。

图2-14防雷接地设计图

2.11电气系统设计及图纸

本电站装机总容量为100kw，由260块光伏组件组成，形成了13个阵列，每个阵列20块组件，然后连接至逆变器，逆变器变电后接入配电箱，最后再连接国家电网。

图2-15电气系统设计图

三、电站成本与收益

3.1电站项目设备清单

根据当地市场的物价，预估出了一个本电站预计投资表。

表3-1设备清单表

序号

设备

型号

单位

数量

单价

（元）

价格

（万元）

1

组件

晶澳JAM72S10 400MR

块

260

1.77

18.4

2

逆变器

固德威HT 100K

台

1

3.3w

3.3

3

直流电缆

PV1-F-1*4mm²

米

1500

5.2

0.78

4

交流电缆

ZRC-YJV22 70mm2

米

100

72

0.72

5

支架

＼

套

39

556

2.17

6

水泥墩

500*500*500mm

个

78

250

1.95

7

配电箱

昌松100kw光伏交流配电箱

台

1

1.3w

1.3

8

运输费

＼

总

18

1000

1.8

9

其他

＼

＼

＼

＼

4.15

10

人工费

＼

＼

＼

＼

7

合计：41.57万元

3.2电站年发电量计算

本电站总容量为100kw，而电站选址地的年总辐射量为1116.6，首先发电量便达到了89328度电。

（式3-1）

Q=100*1116.6*0.8=89328度

Q——电站首年发电量

W——本项目电站总容量（85KW）

T——许昌市年日照小时数（1258.2H）

——系统综合效率（0.8）

任何设备一旦使用，便就开始慢慢磨损了，其效率也是一年比一年差，即便是光伏组件也不例外。组件首年使用一年后，为了适应其环境，自身的效率瞬间就降低2.5%，而后的每年则是降低0.7%，将至80%左右时，光伏组件也是已经运行了25年。

表3-2电站发电量

发电年数

功率衰减

年末功率

年发电量(kWh)

累计发电量(kWh)

第1年

2.5%

97.50%

89328.000

89328.000

第2年

0.7%

96.80%

87094.800

176422.800

第3年

0.7%

96.10%

86469.504

262892.304

第4年

0.7%

95.40%

85844.208

348736.512

第5年

0.7%

94.70%

85218.912

433955.424

第6年

0.7%

94.00%

84593.616

518549.040

第7年

0.7%

93.30%

83968.320

602517.360

第8年

0.7%

92.60%

83343.024

685860.384

第9年

0.7%

91.90%

82717.728

768578.112

第10年

0.7%

91.20%

82092.432

850670.544

第11年

0.7%

90.50%

81467.136

932137.680

第12年

0.7%

89.80%

80841.840

1012979.520

第13年

0.7%

89.10%

80216.544

1093196.064

第14年

0.7%

88.40%

79591.248

1172787.312

第15年

0.7%

87.70%

78965.952

1251753.264

第16年

0.7%

87.00%

78340.656

1330093.920

第17年

0.7%

86.30%

77715.360

1407809.280

第18年

0.7%

85.60%

77090.064

1484899.344

第19年

0.7%

84.90%

76464.768

1561364.112

第20年

0.7%

84.20%

75839.472

1637203.584

第21年

0.7%

83.50%

75214.176

1712417.760

第22年

0.7%

82.80%

74588.880

1787006.640

第23年

0.7%

82.10%

73963.584

1860970.224

第24年

0.7%

81.40%

73338.288

1934308.512

第25年

0.7%

80.70%

72712.992

2007021.504

3.3电站预估收益计算

根据湖南省的标准电价，我们电站发的每度电能够有0.45元收入，持续运行25年后，将会获得2007021.504*0.45=903159元，也就是90多万，减去我们为电站投资的41.57万，我们25年内能够获得大约50万的纯利润收入

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电压发生变化，相应的组件串电压就会发生变化，尤其是在冬夏温差大的地方。因此，在电站设计过程中，必须根据当地最低/最高温度，计算出电压变化范围，参考逆变器最大功率跟踪电压范围，选择合适的组传数。

举例说明

根据**市恶劣天气影响，地表最低气温-13.8℃,最高气温37.2℃，方案设计中，电池组件的温度变化范围从-20℃～＋65℃，组件标准工作条件下，开路电压37.5V，峰值电压31.4V，逆变器最大功率跟踪电压范围450V-820V，最高可承受电压900V。

那么，－20℃时（+表示上升，-表示降低）

电池组件的开路电压变化幅度为：

[（－20℃）－25℃]×（-0.35％/℃）×37.5V=+5.9V（峰值电压基础上增加5.9V）

最佳功率点电压变化幅度为：

[（－20℃）－25℃]×（-0.35％/℃）×31.4V＝+4.945V

当＋65℃时，

电池组件的开路电压变化幅度为：

(65℃－25℃)×（-0.35％/℃）×37.5V＝-5.25V

最佳功率点电压变化幅度为：

(65℃－25℃)×（-0.35％/℃）×31.4V＝-4.396V

因此，恶劣条件下，组件最低电压27V，最高开路电压43.4V，因此考虑温度变化后的每串太阳电池组件数的选择范围为：

Nvmt＝450V÷(31.4V－4.396V)=16.6块

Nvoct=820V÷(31.4V+4.945V)=22.56块

Nmax=900V÷(37.5V+5.9V)=20.73块

通过计算当组件最低电压输出时，只要有17块组件串联即能满足逆变器最大功率跟踪下限电压输入条件；组件最高电压输出时，21块组件就达到逆变器最高电压输入限制；组件最大峰值电压输出时，组件22块串联满足逆变器最大功率跟踪上限电压输入。

根据上述计算，系统选择20块组件串联方式。

太阳能发电板发电电压是120＊6＝720WH。因为1平方的晶硅太阳能板大约为120－140W，如果按120W来算，一天6个点时的太阳，即120＊6＝720WH。

知识延展:

太阳能发电有几种，一种是晶体硅材料，有单晶硅及多晶硅两种，另一种就是非晶硅发电，也就是不是晶体硅的，有薄膜太阳能，柔性太阳能发电．由于非晶的转换率较低，现在应用得比较多的是晶硅太阳能发电。

太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的源泉自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。

目前人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电、太阳能无线监控等方式。