光伏组件是怎么设计排列的

并网发电系统的光伏阵列设计需要考虑以下几点：

（一）光伏阵列朝向

光伏阵列正向赤道是其获得最多太阳辐射能的主要条件之一。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°）。

1、 不同朝向与倾角安装的太阳电池的发电量比较（见图示）:

假定向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量为100，则其它朝向全年发电量均有不同程度的减少。

2、光伏组件安装方向应一致，朝向正南，有利于最大收集太阳辐射。

（二）光伏阵列倾角

在并网发电系统中，光伏阵列相对于水平面的倾斜角度一般应该按照使阵列获得全年最多太阳辐射能的设计原则。根据当地的地理位置及气象环境，可计算得出最佳的安装角度。对于光电建筑示范项目，也应充分靠考虑建筑美观性。

（三）遮挡计算

1）、应当避免遮挡：

对于晶体硅太阳电池组件，很小的遮挡就会引起很大的功率损失，对于整个电站来说，如果过多组件有遮挡，系统直流电压会大幅度衰降，不能达到并网设备最低的起动电压要求，造成实际不发电。

2）、太阳电池方阵间距计算：

按照标准公式计算间距：

当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高达建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。

一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00 太阳电池方阵不应被遮挡。

计算公式如下：

太阳高度角的公式：sina = sinf sind+cosf cosd cosw

太阳方位角的公式：sinβ = cosd sinw/cosa

式中：f为当地纬度；

d为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5度；

w为时角，上午9:00的时角为45度。

D= cosβ×L，L = H/tana，a = arcsin (sinf sind+cosf cosd cosw)

（四）光伏组件串联数量的设计依据

逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。

在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：

1、接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。

2、需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的

光伏阵列的Vmp 应在逆变器MPPT范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。

太阳电池结温和日照强度对太阳电池输出特性的影响，

分布式光伏阵列屋顶安装的情形比较常见（也有地面安装的），根据建筑载荷规范，主要考虑的是风载荷和地震载荷，按照规范的要求进行相应的设计计算或校核计算，同时结合建筑的承载能力进行判断是否可以安装，如何有效地安装等。

屋顶安装形式主要有水平屋顶、倾斜屋顶和光伏采光顶。其中：

•水平屋顶：在水平屋顶上，光伏阵列可以按最佳角度安装，从而获得最大发电量，并且可采用常规晶体硅光伏组件，减少组件投资成本，往往经济性相对较好。但是这种安装方式的美观性一股。

•倾斜屋顶在北半球，向正南、东南、西南、正东或正西倾斜的屋顶均可以用于安装光伏阵列。在正南向的倾斜屋顶上，可以按照最佳角度或接近最佳角度安装，从而获得较大发电量：可以采用常规的晶体硅光伏组件，性能好、成本低，因此也有较好经济性。并且与建筑物功能不发生冲突，可与屋顶紧密结合，美观性较好。其它朝向（偏正南）屋顶的发电性能次之。

•光伏采光顶：指以透明光伏电池作为采光顶的建筑构件，美观性很好，并且满足透光的需要。但是光伏采光顶需要透明组件，组件效率较低：除发电和透明外，采光顶构件要满足一定的力学、美学、结构连接等建筑方面要求，组件成本高；发电成本高：为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。

侧立面安装形式主要指在建筑物南墙、（针对北半球）东墙、西墙上安装光伏组件的方式。对于多、高层建筑来说，墙体是与太阳光接触面积最大的外表面，光伏幕墙是使用的较为普遍的一种应用形式。根据设计需要，可以用透明、半透明和普通的透明玻璃结合使用，创造出不同的建筑立面和室内光影效果。双层光伏幕墙、点支式光伏幕墙和单元式光伏幕墙是光伏幕墙安装中比较普遍的形式。除了光伏玻璃幕墒以外，光伏外墙、光伏遮阳蓬等也可以进行建筑立面安装。

屋顶安装固定式光伏阵列，安装支架必须考虑前后排间距以防止前排遮挡住后排而影响方阵的输出功率。

在电站设计过程中，避免阵列间阴影遮挡是设计人员着重考虑的部分，一般设计的阵列间距要考虑在冬至日9：00至15：00的6个小时内不受前一光伏阵列遮挡，但在一般情况下，实际布置为减少光伏项目占地面积，阵列排布会较为紧密，造成阵列间存在阴影遮挡。

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

参考文献

[1]王思钦.分布式光伏发电系统电能计量方案[J].农村电工,2019,27(09):37.

[2]谷欣龙.光伏发电与并网技术分析[J].科技资讯,2019,17(24):31+33.

[3]黄超辉,陈勇,任守宏.基于应用的光伏电站电缆优化设计[J].电子工业专用设备,2019,48(03):67-71.

[4]余茂全,张磊.基于PVSYST的光伏发电系统仿真研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2019,19(02):35-39.

[5]谭阳.家用太阳能分布式光伏并网发电系统研究[J].电子制作,2019(09):94-95+91.

[6]石培进.发展分布式光伏电站的可行性分析[J].山东工业技术,2019(12):183.

[7]蒋飞. 光伏发电项目的投资决策方法研究[D].华东理工大学,2013.

[8]陈坤. 光伏发电系统MPPT控制算法研究[D].重庆大学,2013.

[9]徐瑞东. 光伏发电系统运行理论与关键技术研究[D].中国矿业大学,2012.

[10]任苗苗. 光伏发电三相并网逆变器的研究[D].兰州交通大学,2012.