太阳的阴影系数怎么计算

由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，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。

太阳能发电系统原理

光伏系统设计

1 •引言

经过光伏工作者们坚持不懈的努力，太阳能电池的生产技术不断得到提高，并且日益广泛地应用于各个领域。特别是邮电通信方面，由于近年来通信行业的迅猛发展，对通信电源的要求也越来越高，所以稳定可靠的太阳能电源被广泛使用于通信领域。而如何根据各地区太阳能辐射条件，来设计出既经济而又可靠的光伏电源系统，这是众多专家学者研究已久的课题，而且已有许多卓越的研究成果，为我国光伏事业的发展奠定了坚实的基础。笔者在学习各专家的设计方法时发现，这些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数）。这个问题尤其在我国南方地区应引起高度重视，因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立光伏电源系统，由于没有应急的其他电源保护备用，所以应该将此问题纳入设计中一起考虑。

本文综合以往各设计方法的优点，结合笔者多年来实际从事光伏电源系统设计工作的经验，引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。

2•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。

设计者的任务是：在太阳能电池方阵所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性。

某特定地点的太阳辐射能量数据，以气象台提供的资料为依据，供设计太阳能电池方阵用。这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。

地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天24h。处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化，其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。但是天气的变化将影响方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天，方阵就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电，而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。由于一个地区各年的数据不相同，为可靠起见应取近十年内的最小数据。根据负载的耗电情况，在日照和无日照时，均需用蓄电池供电。气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。

对太阳能电池方阵而言，负载应包括系统中所有耗电装置（除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等）的耗量。

方阵的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流，适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。

3•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。

表1我国主要城市的辐射参数表 ：

城市 纬度Φ 日辐射量Ht 最佳倾角Φop 斜面日辐射量 修正系数Kop

哈尔滨 45.68 12703 Φ＋3158381.1400

长春43.90 13572Φ＋1 17127 1.1548

沈阳41.77 13793Φ＋1 16563 1.0671

北京 39.80 15261 Φ＋4 18035 1.0976

天津 39.10 14356Φ＋5 16722 1.0692

呼和浩特 40.78 16574Φ＋3 20075 1.1468

太原 37.78 15061Φ＋5 173941.1005

乌鲁木齐 43.78 14464 Φ＋12 165941.0092

西宁36.75 16777 Φ＋1 19617 1.1360

兰州36.05 14966 Φ＋8 15842 0.9489

银川38.48 16553 Φ＋2 19615 1.1559

西安34.30 12781 Φ＋14 129520.9275

上海 31.17 12760 Φ＋3 13691 0.9900

南京 32.00 13099 Φ＋5 14207 1.0249

合肥 31.85 12525 Φ＋9 13299 0.9988

杭州 30.23 11668 Φ＋3 12372 0.9362

南昌 28.67 13094 Φ＋2 13714 0.8640

福州 26.08 12001 Φ＋4 12451 0.8978

济南 36.68 14043 Φ＋6 15994 1.0630

郑州 34.72 13332 Φ＋7 14558 1.0476

武汉 30.63 13201 Φ＋7 13707 0.9036

长沙 28.20 11377 Φ＋6 11589 0.8028

广州 23.13 12110 Φ－7 12702 0.8850

海口 20.03 13835 Φ＋12 13510 0.8761

南宁 22.82 12515 Φ＋5 12734 0.8231

成都 30.67 10392 Φ＋2 10304 0.7553

贵阳 26.58 10327 Φ＋8 10235 0.8135

昆明 25.02 14194 Φ－8 15333 0.9216

拉萨 29.70 21301 Φ－8 24151 1.0964

蓄电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。

（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

以广州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×NL

=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

1、太阳能电池方阵组合损耗系数1%，太阳能电池组件在组合成方阵的过程中因组件失配而引起的损耗。

2、环境系数为100%。太阳能光伏电源系统要求安装地点无阴影、太阳能电池方阵向正南,无树木及房屋遮挡、发电时期太阳高度无影响。

3、温度系数为89%，太阳能光伏电源的安装地点室外设计温度为-20℃~55。

总发电量（kWh）=光伏电池的有效面积（平方米）*年平均太阳光总辐射强度（w/平方米）*年有效日照时间（小时）*组件效率（硅电池一般可取15%）*系统效率（一般可取75%）

如果要仔细计算则要借助专用的软件进行。

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WeSunGit提供屋顶光伏发电一站式管家服务。

来自专栏光伏

发电量是光伏系统里面最重要对指标之一，今天小编想简单重温（可以写普及吗？）一下光伏发电量是怎么计算出来的。

发电量计算从本质上来说就两部分：光照辐射度和系统效率。

按照《光伏发电站设计规范 GB50797－2012》第6.6条：发电量计算中规定：

光伏发电站发电量预测应根据站址所在地的太阳能资源情况，并考虑光伏发电站系统设计、光伏方阵布置和环境条件等各种因素后计算确定。

光伏发电站年平均发电量Ep计算如下：

Ep=HA×PAZ×K

式中：

Ep：上网发电量（kW·h）；

HA：水平面太阳能年总辐照量（kW·h/m2）；

PAZ ：系统安装容量（kW）；

K：为综合效率系数。

满满的专业术语，用“人话”解释就是：

光伏发电量=装机量*光照辐照量*综合效率

装机量：安装组件数量*每块组件的峰值功率。这里要注意不同大小的组件，不同类型的组件功率会有差异。那些按照每块组件给多少租金的有可能会少算哦。

光照辐照量：别听见辐照就被吓到，这个说的是太阳光照的能量，太阳多光照好，光照辐照量就多。（下期再细解释光照辐照量怎么来的，怎么测算，水平面光照和倾斜面光照的区别，不同地方光照辐照量有什么区别等。）这里要说明一点：光伏辐照量和有害的“辐射”没任何关系，重要事情说三遍“质量有保障的光伏系统没有辐射，对人体无害”，“质量有保障的光伏系统没有辐射，对身体无害”，“质量有保障的光伏系统没有辐射，对身体无害”。

综合效率就是把接收到的光照转化为电能的效率，可以理解为转化效率。和系统设计，设备等有关。也经常被称为“系统效率”。这里也是容易藏猫腻的地方，好的系统和差的系统效率差异会比较大，造价也会有很大区别。一分钱一分货，都是要长久生存发展的，您要让从业人员挣钱，他们才能长久服务。建议别贪便宜，不然您想省一毛钱每瓦，从业人员想的是赶紧拿到您的钱走人。

说了这么多，举个实例：在上海安装15kW光伏发电系统，假设上海这边倾斜面光照是1250kWh/m2/年，综合效率为82%，那么这套系统的发电量为：

Ep=15*1250*82%=15375kWh。哇哦上海装一套15kW的系统一年可以发15375度电，还是不少的。当然光伏系统会有衰减，发电量会逐年下降。

这里光伏人常说的等效小时数就是光照*系统效率，假如等效小时数是1100，那么1kW的光伏系统，每年的发电量是1000度电，这样容易计算。（国内有最佳倾角的在一定系统效率下的等效小时数，这个发电量只在最佳倾角无阴影的情况下假定的系统效率下才能做到，有较方便的参考意义，但是当系统设计变化后，发电量肯定会变化，不能当成最终的发电量依据。）

这里有细心的朋友可能会质疑量纲不对，解释一下组件1W（瓦）是在辐照度1000W/m2，电池片温度25度的标准测试环境中测算出来的，以上公式可以理解为：

这里就简单的给大家介绍下发电量计算的过程，很多中间的细节没有深入，有需求的朋友可以留言交流，希望能够帮到大家。

(1) 温度对光伏电池、组件输出特性的影响

大家都知道，光伏电池、组件温度较高时，工作效率下降。随着光伏电池温度的升高，开路电压减小；而光电流随温度的升高略有上升。不同的光伏电池，温度系数也不一样，所以温度系数是光伏电池性能的评判标准之一。

(2)光照强度对光伏电池组建输出特性的影响

光照强度与光伏电池、组件的光电流成正比，在光强由100-1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光照强度对电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光照强度在400-1000W/m2范围内变化，光伏电池、组件的开路电压基本保持不变。所以，光伏电池的功率与光强也基本保持成正比。

(3)阴影对光伏电池、组件输出特性的影响

阴影对光伏电池、组件性能的影响不可低估，甚至光伏组件上的局部阴影也会引起输出功率的明显减少。所以要注意避免阴影的产生，及时清理组件表面，防止热斑效应的产生。虽然组件安装了二极管来减少阴影的影响，但如果低估局部阴影的影响，建成的光伏系统性能和投资收效都将大大降低。

光伏电站在阴天发电量会有微量的发电量，是比较少的。

阴不下雨的话，电站发电量会有，但是会非常少，下雨天基本上不发电哦~

光伏电站主要依靠光伏板吸收太阳光，将光热转化为电能，然后经过逆变器将直流电转化为交流电，然后才能供家庭使用的，一般而言，阳光越好，发电量越多；反之则越少。

如果你想了解更多光伏电站的安装知识，可以在碳银网上了解一下。

2021年政策比较好，早安装，早早享受绿色能源，家里还可以免费用电。

资讯来源：碳银光伏

目前与公共电网并网的分布式光伏发电站建站一般需要以下一些基本条件，供您参考：

1、屋顶或其它场地有合法的租赁或产权证明文件。

2、屋顶或其它场地的承重，抗风等建筑物安全必须由相关专业或有设计资质单位确认。

3、向当地主管部门及电力公司报备和出具设计安装资质、系统方案设计等相关建站技术文 件，并向当地电力公司提出并网申请和签订相关合同。

4、光伏组件安装场地四周应开阔，最少东南西方向无遮挡物；了解并网点公共电力线路及距离、与之相关的线路电力变压器容量、当地用电负荷量等相关公共电力设施。

5、所需基本设备及部件： 屋顶或地面土建及水泥预制基础、光伏支架、光伏组件、直流防雷 汇流箱、逆变器、交（直）流配电柜（箱）、直流侧光伏专用电缆、交流侧电力电缆、系统 防雷接地系统以及电力公司负责安装的光伏并网计量器等。

6、设计、安装及施工最好请当地有资质的电力设计、安装施工单位建站。

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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