大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

岳峰

摘 要：隨著光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)組件價(jià)格的不斷下降，以及國(guó)家政策的大力扶持，光伏并網(wǎng)電站的收益巨大。文章簡(jiǎn)要闡述了光伏發(fā)電的原理以及光伏陣列的結(jié)構(gòu)。為了提高發(fā)電效率，結(jié)合實(shí)際施工實(shí)例對(duì)太陽(yáng)能子陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。大力發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，不僅是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要，而且也符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)的訴求。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏并網(wǎng)；光伏陣列

隨著以煤炭、石油為代表的傳統(tǒng)型化石能源儲(chǔ)量的日益減少，世界能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，備受各國(guó)關(guān)注。在這種環(huán)境下，很多國(guó)家紛紛將目光轉(zhuǎn)向新型的能源。太陽(yáng)能作為一種非常清潔高效的新能源，儲(chǔ)量巨大，于是各國(guó)紛紛往太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目中投入巨資，推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。我國(guó)地理遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，理論儲(chǔ)量約相當(dāng)于為15 000億t/a的標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國(guó)目前每年的煤炭消耗量約為37億t，可見(jiàn)太陽(yáng)能利用市場(chǎng)潛力巨大[1]隨著光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)組件的價(jià)格不斷下降，以及政府的大力支持，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的良好勢(shì)頭。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)在全球的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)不可替代的重要地位。

1 光伏電池組件

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成可供電器設(shè)備使用的電能。當(dāng)前光伏發(fā)電的組件多以硅為原材料，如單晶硅、多晶硅、非晶硅。單晶硅是3種之中轉(zhuǎn)換效率最高的，通常情況下，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的時(shí)候能夠達(dá)到25%，而企業(yè)和廠家規(guī)模化大生產(chǎn)的單晶硅板子要低于實(shí)驗(yàn)制備的，但也還是具有15%的高效率。因此，高轉(zhuǎn)換效率必然導(dǎo)致單晶硅太陽(yáng)能電池板很受開(kāi)發(fā)商的青睞，銷量很高。但單晶硅成本較高，其推廣還有待于成本的大幅度降低。為了能大幅度降低光伏發(fā)電站的建設(shè)成本，開(kāi)發(fā)能夠代替單晶硅的低成本化半導(dǎo)體電池板也就顯得勢(shì)在必行。多晶硅電池板的企業(yè)生產(chǎn)成本要比單晶硅低廉得多；而且多晶硅電池板對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的效率在試驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)化效率可達(dá)18%左右，在規(guī)?；墓夥娬旧弦部梢赃_(dá)到l0%左右。鑒于其在價(jià)格和效率方面的諸多優(yōu)勢(shì)，多晶硅薄膜電池已經(jīng)在這個(gè)行業(yè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池具有密度低、重量輕、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但它的穩(wěn)定性較差，勢(shì)必嚴(yán)重制約其在光伏電站中的實(shí)際使用。

太陽(yáng)能電池單晶硅通常是P型，厚度約0.3-0.5 mm。單晶硅材料的上表面為N+型，這樣就使得P型單晶硅構(gòu)成了一個(gè)PN+結(jié)。而且單晶硅的整個(gè)上表面還均勻覆蓋著減反射膜，用以減小電池表面對(duì)太陽(yáng)輻射能的反射作用。

2 太陽(yáng)能光伏陣列的設(shè)計(jì)

2.1光伏板陣列及子陣的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

太陽(yáng)能到達(dá)地球表面時(shí)的能量密度很低，要想獲得大量的太陽(yáng)能能源，就需要用大面積的太陽(yáng)電池方陣來(lái)采集太陽(yáng)能。而單個(gè)太陽(yáng)電池板的輸出電壓是有限的，輸出電壓不高，要想獲得所需要的電壓大小，就需要用一定數(shù)量的太陽(yáng)電池組件通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)的方式連接起來(lái)，從而構(gòu)成方陣[2]一個(gè)光伏陣列包含有多個(gè)光伏組件，組件的數(shù)目、組件之間的連接方式、組件所需要的電壓（或電流），以及每個(gè)組件的參數(shù)是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定的。

2.2光伏子陣的設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電站一般追求電站功率最大化，太陽(yáng)電池陣列布置較大，為了節(jié)約場(chǎng)地，通常情況下需要前后排布太陽(yáng)電池方陣，而且有些時(shí)候，光伏電站的附近還會(huì)存在較高的障礙物，會(huì)對(duì)太陽(yáng)光的照射產(chǎn)生遮擋作用。這種情況下，就需要計(jì)算避免這種遮擋作用所必須的最小距離，不然的話就會(huì)使得某些電池板或者電池板的某些部分接收不到太陽(yáng)光，從而在整體上降低了太陽(yáng)能的利用效率。由于太陽(yáng)高度角和方位角隨地理位置以及時(shí)間而變化，并沒(méi)有一個(gè)確定的值用以參考，通常情況下，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，前后方陣最小距離的計(jì)算原則是冬至當(dāng)?shù)仄教?yáng)時(shí)當(dāng)天9：00至15：00太陽(yáng)電池方陣不應(yīng)被遮擋住。最小間距的計(jì)算示意如圖l所示。

根據(jù)方陣間距示意圖所示，可以推導(dǎo)出電池方陣間距D的計(jì)算表達(dá)式：

式中，D：太陽(yáng)電池方陣間距；L太陽(yáng)光線照射在遮擋物后，在其后面所產(chǎn)生投影的長(zhǎng)度；H：前面遮擋物最高點(diǎn)與后面方陣底部的高度差；α：太陽(yáng)高度角；β：太陽(yáng)方位角；φ：當(dāng)?shù)鼐暥龋沪模禾?yáng)赤緯角；Ω：時(shí)角，時(shí)角Q在每天中是連續(xù)變化的，每個(gè)小時(shí)的變化量為15。，并規(guī)定正午時(shí)刻時(shí)角Q為0。，上午正，下午為負(fù)。

于是，根據(jù)前后陣列最小距離計(jì)算原則，結(jié)合施工當(dāng)?shù)鼐暥?，以及冬至日的太?yáng)赤緯角和9：00至15：00時(shí)的時(shí)角，即可得到太陽(yáng)光線照射到遮擋物后在其后面所產(chǎn)生的投影長(zhǎng)度L然后再計(jì)算D的值。本文論述湖南某地大型地面光伏電站設(shè)計(jì)過(guò)程，根據(jù)以上計(jì)算方法可以得出湖南地區(qū)組件子陣前后間距為D=4 m，方陣系統(tǒng)傾斜角度為23。，方位角為0。，如圖2所示。圖2中所示的光伏組件，額定電壓36 V，額定功率為305W。

3 并網(wǎng)型光伏發(fā)電的組成

并網(wǎng)型的光伏發(fā)電屬于可逆流系統(tǒng)，可逆流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般不需要考慮與負(fù)載的匹配問(wèn)題。光伏發(fā)電是直流電，而通常情況下的工業(yè)和居民用電都是交流電，而且電壓和頻率都有嚴(yán)格的規(guī)定，這就需要將光伏電站的低壓直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同樣的標(biāo)準(zhǔn)[3]光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和繼電保護(hù)裝置等組件。 逆變器的主電路采用兩級(jí)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式。第一級(jí)逆變器的主要功能是將電站所產(chǎn)生的直流電變換成易于控制的直流電并且存儲(chǔ)到蓄電池中。第二級(jí)逆變器就是將直流電轉(zhuǎn)換成為交流電。在大型并網(wǎng)光伏電站建設(shè)中，可以采用多個(gè)逆變器并聯(lián)，這樣比較符合實(shí)際應(yīng)用情況。 本次設(shè)計(jì)采用TP672P-305Wp規(guī)格多晶硅的光伏組件，每個(gè)子陣由40塊組件組成，分成兩個(gè)回路并聯(lián)，其中每個(gè)回路串聯(lián)20塊組件，采用分塊發(fā)電集中并網(wǎng)的方案。各發(fā)電組件的直流電匯集到逆變器，經(jīng)逆變器逆變?yōu)?80 V低壓交流電后，再送至升壓變壓器將電壓升至10 kV后輸送至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)能源的主要來(lái)源來(lái)自于煤炭，而煤炭的儲(chǔ)量是有限的，如果經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)分地依賴于這種有限的資源，若干年后將資源枯竭。煤炭的燃燒還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，破壞生態(tài)環(huán)境，而且燃燒石化能源產(chǎn)生的固體顆粒物會(huì)進(jìn)入人體呼吸道，危害人類身體健康。大力發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，不僅能有效調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，而且也符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]何道清，何濤，丁宏林.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]袁曉，趙敏榮，胡希杰，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用[J]上海電力，2006 （4）：342-347.

[3]鄭志杰，李磊，王葵.大規(guī)模光伏并網(wǎng)電站接入系統(tǒng)若干問(wèn)題的探討[J]電網(wǎng)與清潔能源，2010 （2）：74-76