太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

楊福勇

甘肅省理工中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 武威 733000

0 引言

電力資源作為行業(yè)發(fā)展的必要資源，可以利用化石燃料作用電力的來源，但是這不能滿足長時(shí)間的應(yīng)用需求，同時(shí)也會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。光伏發(fā)電技術(shù)以太陽能為原料發(fā)電，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成過多的負(fù)擔(dān)以及負(fù)面影響，還能夠提供充足的電能，為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的升級(jí)和優(yōu)化是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)于發(fā)揮綠色能源在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用，以及營造綠色環(huán)保型經(jīng)濟(jì)社會(huì)有重要意義。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)

1.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是能夠吸收太陽能，并將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)[1]。在白天光照充足時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的半導(dǎo)體組件會(huì)吸收太陽能，并在組件中形成擁有兩極性質(zhì)的載流子；載流子可以在靜電場的內(nèi)部完成基本分離，并聚集在正負(fù)極，從而在外電路中形成穩(wěn)定的電流。產(chǎn)生的部分電能會(huì)用作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能量，剩下的電能可以儲(chǔ)存在蓄電池組件中，完成充電。當(dāng)光照不足時(shí)，蓄電池可以代替光伏電池為負(fù)載提供電力，避免對(duì)日常供電產(chǎn)生影響。

1.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

（1）穩(wěn)定。光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電經(jīng)過逆變器可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。電能通過交流負(fù)載后會(huì)有一定的消耗，但是大部分的電力資源都能夠被重新輸送到電網(wǎng)中。光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?yàn)槌鞘械纳a(chǎn)和生活提供穩(wěn)定的電力，即便在市電出現(xiàn)故障的情況下，也不會(huì)受到影響[2]。（2）綠色、清潔。相較于化石能源發(fā)電，太陽能光伏發(fā)電更加綠色、清潔，不會(huì)導(dǎo)致能源枯竭，同時(shí)也更加安全。（3）受自然環(huán)境影響，成本較高。在自然光充足的地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電能夠達(dá)到最佳的發(fā)電效果；在太陽能不充足的地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為電力系統(tǒng)的補(bǔ)充。因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電十分依賴太陽能，所以在一些特殊的地理位置以及四季交替時(shí)的特殊天氣條件下，太陽能光伏發(fā)電的生產(chǎn)效率不能保持穩(wěn)定，而且太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用成本較高[3]。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 勘察搜資階段

（1）資料的更新和完善。在勘察搜資階段設(shè)計(jì)人員需要?jiǎng)討B(tài)地搜集各項(xiàng)資料，確保在設(shè)計(jì)過程中各項(xiàng)資料能夠及時(shí)更新和完善。（2）資料的針對(duì)性搜集。設(shè)計(jì)人員需要有針對(duì)性地搜集需要的環(huán)境資料，包括氣象、溫度、光照、地質(zhì)等可以直接反映太陽能輻射基本情況的資料，為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支持。（3）資料復(fù)核。設(shè)計(jì)人員需要特別關(guān)注資料復(fù)核的基本情況，為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量提供保障。（4）方案制訂。當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件以及日照時(shí)間對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要，設(shè)計(jì)人員只有了解不同季節(jié)的光照特點(diǎn)，才能更好地制訂光照資料的收集方案，提高工作效率。

2.2 科研設(shè)計(jì)階段

在科研設(shè)計(jì)階段，需要確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和基本要求，并結(jié)合當(dāng)?shù)靥柲苜Y源的主要情況以及施工的實(shí)際情況制訂基本的設(shè)計(jì)方案，并且編制工程設(shè)計(jì)的基本預(yù)算，設(shè)計(jì)相關(guān)圖表。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該開展方案可行性的研究，通過對(duì)比方案的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性等，選擇最佳的方案，在提高施工可行性的同時(shí)，降低施工成本[4]。只有符合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際使用情況的設(shè)計(jì)，才能夠維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少故障問題的出現(xiàn)，延長系統(tǒng)的使用壽命，發(fā)揮最大的效益；只有合理的設(shè)計(jì)才能減少成本支出，并且在控制成本支出的同時(shí)，防止日后出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。

2.3 初步設(shè)計(jì)階段

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)階段需要關(guān)注以下問題。（1）召開設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)。召開設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)，結(jié)合內(nèi)部校審及業(yè)主的設(shè)計(jì)評(píng)審，能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；結(jié)合多方意見，能夠掌握更多細(xì)節(jié)，避免安全隱患被遺漏，及時(shí)改善和處理發(fā)現(xiàn)的問題，避免日后引發(fā)更大的安全事故。電力資源本身具有一定危險(xiǎn)性，安全設(shè)計(jì)及安全施工都非常重要。經(jīng)過詳細(xì)的評(píng)審，結(jié)合業(yè)主的意見和需求，可以設(shè)計(jì)出更加完善的方案。（2）概算精度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)備清單及施工技術(shù)的基本要求設(shè)計(jì)概算精度。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化過程需要非常精細(xì)的計(jì)算和高精度設(shè)備的支持，只有徹底了解設(shè)備的基本情況和使用標(biāo)準(zhǔn)，采取合理的施工技術(shù)和輔助安裝系統(tǒng)，才可以在保障安全的同時(shí)，不斷優(yōu)化太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.4 施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合施工標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)范的基本要求設(shè)計(jì)施工圖紙，保障其可靠性。在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡量使用最新的技術(shù)、設(shè)備、材料和施工工藝等；設(shè)計(jì)人員需要確保資料的準(zhǔn)確性，并且結(jié)合多方的評(píng)審意見仔細(xì)修改施工圖紙；設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解質(zhì)檢的基本情況、系統(tǒng)所需設(shè)備的規(guī)格及電網(wǎng)接入系統(tǒng)的質(zhì)量問題等，以提高施工圖紙的設(shè)計(jì)質(zhì)量；施工圖紙中出現(xiàn)的主要問題包括畫圖比例不正確、標(biāo)注不全面、支架的設(shè)計(jì)過于死板等，這些問題會(huì)嚴(yán)重影響施工圖紙的設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)重視。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工要點(diǎn)

3.1 支架基礎(chǔ)的施工

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工建設(shè)中，需要做好支架基礎(chǔ)的施工，為后續(xù)測量設(shè)備的維護(hù)打下基礎(chǔ)[5]。支架作為支撐結(jié)構(gòu)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)正常使用的有力輔助，不僅可以為系統(tǒng)的安裝提供幫助，也可以使日后的重點(diǎn)設(shè)備定期維修保養(yǎng)更加方便。在故障檢測時(shí)，支架可以幫助工作人員及時(shí)測量或者更換部件，提高施工效率，降低時(shí)間和人力成本。

3.1.1 基座施工

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的方陣基座由混凝土澆筑而成，基座與地面之間的高度必須符合施工的基本規(guī)劃要求，施工人員要控制好水平偏差。使用地腳螺栓可以充分固定基座，避免基座出現(xiàn)松動(dòng)、產(chǎn)生安全隱患。在地下埋設(shè)以及地面露出的過程中，螺栓的使用必須以施工設(shè)計(jì)規(guī)范為基本標(biāo)準(zhǔn)，不能隨意使用。在混凝土澆筑之后，需要經(jīng)過大概5 d的養(yǎng)護(hù)，期間需要用草簾充分包裹和覆蓋混凝土，并經(jīng)常灑水確保表面的濕潤度。當(dāng)混凝土凝固到一定程度之后，如果確定已達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，方可進(jìn)行后續(xù)的支架安裝。

3.1.2 支架安裝

支架安裝時(shí)，需要嚴(yán)格控制支架的方位角，確保其和設(shè)計(jì)要求相符合。同時(shí)，要確保支架底部每米的水平誤差度小于3 mm，如果誤差度超過規(guī)定范圍，需要增加鐵片墊平。確定支架安裝位置之后，需要保證安裝位置表面的平整，不能出現(xiàn)不正常的突起或坑洼，否則后續(xù)的應(yīng)用過程中電池片會(huì)不可避免地被損傷。固定支架之后，需要增添防松墊片，加強(qiáng)支架與混凝土之間的連接，使支架更加穩(wěn)固。

3.1.3 跟蹤裝置安裝

光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)有對(duì)日跟蹤電池方陣，其安裝固定需要半個(gè)月或者一個(gè)月左右的時(shí)間。跟蹤裝置安裝后必須進(jìn)行細(xì)致的檢查，使其擁有更加出色的向日能力，提升發(fā)電效率。跟蹤裝置支架和地面形成的夾角可以選擇一個(gè)固定角度，以減少后續(xù)的施工誤差。隨著季節(jié)的變化，太陽光線也會(huì)發(fā)生變化，需要提前考慮相關(guān)因素做好基本的調(diào)整，讓太陽能面板能夠最大限度地接受充足的陽光，提升太陽能面板每天的光照時(shí)間，提高發(fā)電效率。

3.2 組件安裝

在安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組件時(shí)，需要注意以下方面。（1）質(zhì)量檢查。在正式安裝之前，要測量重要組件的參數(shù)，進(jìn)行徹底的質(zhì)量檢查，在確定參數(shù)與基本的設(shè)計(jì)要求相符合之后，組件才可以正式投入應(yīng)用。（2）組件分組。當(dāng)組件擁有相似的工作參數(shù)時(shí)，可以將它們安裝在同樣的方陣中，這樣能夠獲得最佳的發(fā)電效率，在實(shí)際的應(yīng)用中組件也能夠發(fā)揮更加穩(wěn)定的作用，太陽能的轉(zhuǎn)化效率也會(huì)有所提升。（3）面板安裝。在安裝面板時(shí)，施工人員要注意輕拿輕放，避免因人為操作失誤而導(dǎo)致面板損傷，提高組件的安裝效率。在安裝面板和固定機(jī)架時(shí)，施工人員需要使用鐵片對(duì)其進(jìn)行墊平，使連接更加緊密。同時(shí)，需要通過預(yù)安裝的方式先行完成面板邊框的連接，利用螺絲連接時(shí)，應(yīng)該先擰緊后略微放松，使螺絲的使用質(zhì)量不受影響。（4）機(jī)架安裝。安裝機(jī)架時(shí)需要確保組件和機(jī)架之間的平整性，組件和機(jī)架之間可以有8 mm以上的間隙，這是為了方便組件在運(yùn)行過程中的散熱，防止因?yàn)闄C(jī)架的阻隔使組件不能很好地散熱，從而對(duì)系統(tǒng)的使用產(chǎn)生影響。（5）防雨防水保護(hù)。對(duì)一些重要的設(shè)備，如接線盒等，應(yīng)該做好基本的防雨防水保護(hù)，這也是提高組件使用質(zhì)量的有效措施。

3.3 線纜布設(shè)

在布設(shè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)線纜時(shí)，需要先進(jìn)行室外線路連接，再進(jìn)行室內(nèi)的線路布設(shè)；先完成簡單的線纜布設(shè)，再對(duì)較復(fù)雜的線纜布設(shè)進(jìn)行施工。施工人員應(yīng)該及時(shí)處理線纜布設(shè)期間出現(xiàn)的質(zhì)量問題，避免對(duì)線纜使用質(zhì)量造成影響。遇到比較尖銳的墻角時(shí)，需要避免銳角劃破電纜的保護(hù)層。具體而言，應(yīng)注意如下施工要點(diǎn)。（1）電纜布設(shè)的走向。施工人員需要注意電纜布設(shè)的走向，避免電纜路線的混亂。混亂無序的電纜不僅會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還有很大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)火災(zāi)，而且不符合安全用電規(guī)范和供電準(zhǔn)則。（2）電纜固定。在固定電纜時(shí)，施工人員需要采取措施將電纜有序排列、固定，防止后續(xù)電纜的移動(dòng)對(duì)面板產(chǎn)生破壞。如果面板被破壞將直接影響太陽能的吸收率，導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率大大降低，這不符合效益最大化的基本要求。（3）線纜布設(shè)的松緊度。線纜布設(shè)的松緊度也需要引起重視，過松或過緊都會(huì)對(duì)線纜安全性產(chǎn)生影響。（4）線纜的接頭防護(hù)。線纜的接頭位置需要加強(qiáng)防護(hù)，避免出現(xiàn)氧化，否則會(huì)破壞線纜的穩(wěn)定性，使線纜傳輸效果大大降低。接頭位置是容易出現(xiàn)故障的重點(diǎn)部分，需要做好防護(hù)，為安全傳輸提供基礎(chǔ)，也為供電穩(wěn)定性提供保障。

3.4 防雷接地設(shè)計(jì)

在應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程中，雷電的打擊會(huì)對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的部件造成損傷，讓系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此，需要設(shè)置防雷接地設(shè)備，阻止雷電對(duì)系統(tǒng)使用產(chǎn)生影響。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)如果直接與外界接觸，在遭受嚴(yán)重的雷電打擊時(shí)，巨大的能量將使整個(gè)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重的打擊，影響其正常使用，而使用防雷接地設(shè)備可以避免大部分的雷擊現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的影響。防雷接地施工應(yīng)注意如下方面。（1）地線。地線是防雷避雷的主要部件，在建設(shè)配電室時(shí)，可以挑選較厚的土層和較濕潤的土壤作為埋線的線坑。土層越深越安全，而濕潤的土壤可以作為絕佳的防護(hù)層，隔絕大部分的雷電影響。同時(shí)，可以適當(dāng)使用降阻劑為地線提供良好的環(huán)境。（2）電池支架接地。電池支架應(yīng)有良好的接地性能，可以將電池陣列和電纜共同接到防雷機(jī)柜，利用防雷器為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供多重防雷防護(hù)，從源頭上阻止雷電對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備造成損壞，提高系統(tǒng)的抗雷電擊打能力，從而提高發(fā)電系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)正處于急劇變革的時(shí)期，太陽能代替化石能源作為主要的電力資源成為社會(huì)發(fā)展的基本趨勢，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)在多年的嘗試、應(yīng)用中獲得了長足的進(jìn)步，我國在太陽能研究應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)位于國際前列。但是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)需要大量成本投入，并且設(shè)計(jì)核心材料大部分掌握在發(fā)達(dá)國家手中。對(duì)此，相關(guān)企業(yè)需要在長時(shí)間的摸索中，基于國家政策及資金的大力支持，逐漸提升自主研發(fā)能力，不斷地優(yōu)化有關(guān)技術(shù)。相信在不久的將來，光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)涵蓋社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)全社會(huì)的綠色、環(huán)保、節(jié)能發(fā)展。