家用分布式光伏系统设计
邓李军
（通威太阳能光伏电力事业部 技术研发部，成都）
摘要：太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。
目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在建筑物屋顶的光伏发电项目，方便接入就近接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。从发电入网角度出发，根据家庭用电情况可以给出系统施工要求、设计方法以及光伏组件、逆变器的选择等。
关键词：太阳能 分布式光伏发电系统
1. 前言
太阳能是一种重要的，可再生的清洁能源，是取之不尽用之不竭、无污染、人类能够自由利用的能源。太阳每秒钟到达地面的能量高达50万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×10kW·h，相当于目前世界上能耗的40倍。从长远来看，太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产和市场开拓方面都获得了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一。
本文简单地阐述了家用分布式光伏发电系统设计方法和施工要求，仅供参考。
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2. 太阳能光伏发电应用现状
太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电，而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。
近几年，我国光伏行业发展也非常迅速。国家对光伏发电较为重视，国家和地方政府相继出台了一些列的补贴政策以促进光伏产业的发展，国家发改委实施“送电到乡”、“光明工程”等惠农项目，地方政府也陆续启动了光伏照明项目工程。与此同时，偏远地区消费者逐渐认可光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源产品。光伏应用市场发展较为迅速。但目前我国的太阳能光伏发电技术和国外相比还有很大差距，主要表现为技术水平较低、电池效率低、成本高。因此我国还必须不断改进技术，使我国的太阳能光伏发电产业更上新台阶。
3. 分布式光伏系统结构
太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏”效应，将太阳光的辐射直接转换为电能的一种新型发电系统。它的规模可大可小，在发电过程中不会排放污染物质，具有安装方便，没有噪音，整个寿命期间几乎无需维护等优点。太阳能光伏发电系统分为两大类，一类是太阳能光伏发电独立系统，另一类是太阳能光伏发电并网系统，本文只讲述后者。太阳能光伏发电并网系统主要包括太阳能光伏组件、光伏汇流箱、直流配电柜、并网型逆变器和交流配电柜等，家用并网型分布式光伏系统由于规模不大，汇流箱和交直流配电柜都用不到，整体框架如图1所示。
图1 太阳能光伏发电并网系统
本文涉及的家用太阳能光伏发电系统为小型分布式光伏系统，因此在设计过程中应充分考虑实际情况，一般应遵循经济适用原则，可靠性高、牢固耐用、容易维护、充分考虑地理和气候环境的影响。
4. 安装地点选择
家庭分布式光伏系统的选址一般可选择在自家屋顶或空地上，需要考虑的条件就是可使用面积、房屋结构和承重要求、地面基础情况和气象水文条件等。
若选择安装在自家屋顶上，屋面承重能力必须大于20kg/m。房屋房梁如果是木质结构的话就不要考虑了，光伏系统使用年限长达25年，木质房梁易腐坏，建议不要进行安装。若在人字结构屋顶建设太阳能光伏电站，不能像地面电站那样设计最佳倾角，并且考虑前后遮挡间距。为了便于光伏组件和屋顶结合，一般都在屋面上直接平铺支架，北半球铺朝南面，南半球铺朝北面，这样方可最大效率利用光能。支架与屋顶采用夹具连接，电池组件再安装于支架上。这种方式不仅美观，而且可以实现屋顶面积利用最大化，见图2。
在平顶结构屋顶建设太阳能光伏电站，需要架设光伏支架和设计最佳倾角和组件前后间距，见图3。
图2 人字屋顶安装方式 图3 平顶屋顶安装方式
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若选择安装在自家空地上，可以采用锚桩和混凝土条基做支架基础，见图4和图具体选哪种则需要从地质情况和成本综合考虑了。另外，支架基础强度的设计还要以当地气象条件做依据。
图4 锚桩基础 图5 水泥条基础
需要注意一点，考虑到组件的热胀冷缩效应，安装时上下左右组件之间的间隔要达到3cm左右为佳。
5. 家用分布式光伏系统设计
5.1 光伏组件
目前使用较多的两种太阳能电池板是单晶硅和多晶硅太阳电池组件。 （1）单晶硅太阳能电池
目前单晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率为16%～18%，是转换效率最高的，但是制作成本高，还没有实现大规模的应用。 （2）多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池板的单体光电转换效率约15%～17%。制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，因此得到大量发展。
目前主流的组件是250Wp多晶硅太阳电池组件，技术参数见表1。
太阳能电池组件种类 指标 峰值功率 组件效率 多晶硅 单位 数据 Wp % 250 15.3 30.3 8.27 38.0 8.79 0.32% 0.053% 2400 15 1000 1650×992×40 最大工作电压（Vmpp） V 最大工作电流(Impp) 开路电压（Voc） 短路电流Isc 开路电压系数 短路电流系数 抗风力 最大保险丝额定电流 最高系统电压 尺寸 A V A /℃ /℃ Pa A V mm 表1 250Wp太阳电池组件技术参数
（3）我国太阳能资源分布情况如下
一类地区 年日照3200～3300小时，辐射量7500～9250MJ/m2。
青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。 二类地区 年日照3000～3200小时，辐射量5850～7500MJ/m2。
河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新
疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。
三类地区 年日照2200～3000小时，辐射量5000～5850 MJ/m2。
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东
南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。
四类地区 年日照1400～2200小时，辐射量4150～5000 MJ/m2。
长江中下游、福建、 浙江和广东的一部分地区。
五类地区 全年日照时数约1000～1400小时，辐射量3350～4190MJ/m2。 四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。
结合现在的光伏发电技术，1kWp的多晶硅太阳能电池组件五类区域年发电量大致如下：
地区 一类地区 二类地区 三类地区 四类地区 五类地区 1kWp发电量（kW·h） 1666～2055 1300～1666 1111～1300 922～1111 744～922 用户可以根据系统的安装地点和自己年用电量情况来合理选择装机规模。例如A家庭位于太阳能资源四类区域，平均年用电量是3000 kWh，装机3000W就够用了；B家庭位于二类地区，平均年用电量也是3000 kWh，装机2000W就可以了。 5.2 光伏组件阵列安装朝向和角度
如果安装地点是平面，则要计算光伏支架的倾角，北半球朝南，南半球相反。考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，再结合费用、实用性等因素，家庭分布式光伏系统采用固定的光伏方阵较好。
从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。
对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：
Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D
式中：Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量 S ——水平面上太阳直接辐射量 D ——散射辐射量
α——中午时分的太阳高度角 β——光伏阵列倾角
根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，按上述公式可以计算出不同倾斜面的太阳辐射量，确定太阳能光伏阵列安装倾角。现在用得很多的是利用RETScreen软件来分析不同倾角是斜面上的辐照度，再根据组件的相关参数计算出不同倾角的年发电量，最后取年发电量最大所对应的倾角。例如A地不同倾斜面各月的辐射量（KWh/m2）见表2所示，
表2
从中可以看出，当倾角在38°～40°之间时，光伏阵列上的辐射量能达到最大，固A地的太阳能光伏阵列安装最佳倾角就在38°～40°之间。 5.3 太阳电池方阵间距计算
计算当太阳能电池组件子阵前后安装时的最小间距D。
一般确定原则：冬至当天早9:00至下午3:00太阳能电池组件方阵不应被遮挡。 计算公式如下：
式中：
φ：为纬度(在北半球为正、南半球为负)，根据项目地点经纬度计算； H：为光伏方阵阵列的高度；光伏方阵阵列间距应不小于D。
6. 并网逆变器的选择
6.1 选型
并网逆变器主要分高频变压器型、低频变压器型和无变压器型三大类。根据所设计系统以及业主的具体要求，主要从安全性和效率两个层面来考虑变压器类型。以下是它们之间的对照表：
类型 安全性 因素 高频变压器型 低频变压器型 无变压器型 中 高 低 低 中 高 中 高 低 中 大 小 转换效率 成本价格 重量、尺寸 家用分布式光伏系统是小系统，不需要很高的技术指标，逆变器不带隔离变压器时，能源转换效率更高,再结合成本等因素，选择无变压器型较为合理。 6.2容量匹配设计
并网系统设计中要求电池阵列与所接逆变器的功率容量相匹配，一般的设计思路是： 组件标称功率×组件串联数×组件并联数＝电池阵列功率
在容量设计中，并网逆变器的最大输入功率应近似等于电池阵列功率，已实现逆变器资源的最大化利用。
6.3 MPP电压范围与电池组电压匹配
根据太阳能电池的输出特性，电池组件存在功率最大输出点，并网逆变器具有在特点输入电压范围内自动追踪最大功率点的功能，因此电池阵列的输出电压应处于逆变器MPP电压范围以内。
电池组件电压×组件串联数＝电池阵列电压
一般的设计思路是电池阵列的标称电压近似等于并网逆变器MPP电压的中间值，这样可以达到MPPT的最佳效果。
6.4 最大输入电流与电池组电流匹配
电池组阵列的最大输出电流应小于逆变器最大输入电流。为了减少组件到逆变器过程中的直流损耗，以及防止电流过大对逆变器造成过热或电气损坏，逆变器最大输入电流值与电池阵列的电流值的差值应尽量大一些。
电池组件短路电流×组件并联数＝电池阵列最大输出电流 6.5 转换效率
并网逆变器的效率标示一般分最大效率和欧洲效率，通过加权系数修正的欧洲效率更为科学。 逆变器在其它条件满足的情况下，转换效率应越高越好。 6.6常用家用并网型逆变器见下表 容量 厂家 范围 1.2kw~9.6kw SMA SMA Sunny Boy 1200 Sunny Boy 1700 Sunny Boy SMA 2000HF Sunny Boy SMA 2100 Sunny Boy SMA 2500HF Sunny Boy 3000 SMA SMA Sunny Boy 3000HF Sunny Boy 3820w 200v~400v 20A 1 94.4% 3150w 125v~440v 17A 1 96.3% 2650w 175v~560v 15 A 1 95.4% 单相 2200w 200v~480v 11 A 1 95.2% 单相 2100w 175v~560v 12A 1 95% 单相 1850w 139v~320v 12.6 A 1 91.8% 型号 功率 1320w 电压 100v~320v 电流 12.6A 端口 1 90.9% 单相 输入 输入 输入 输入 效率 相数 单相 SMA 3200w 210v~560v 15A 1 95.5% 单相 单相 单相 3300 SMA Sunny Boy 3300TLHC SMA Sunny Boy 3800 Sunny Boy SMA 4000 Sunny Boy SMA 阳光 阳光 阳光 阳光 KACO 5000 SG1K5TL SG3KTL-M SG4KTL-M SG5KTL-M Powador 3200 KACO Powador 4400 Powador KACO 5300 Powador KACO 5500 Powador KACO 6600 Powador 7700 KACO Powador 7900 KACO Powador 8600 8600w 350v~600v 21.4A 1 95.8% 7900w 350v~510v 19.7A 1 96.5% 6600w 350v~600v 18A 1 95.3% 单相 5500w 350v~600v 15.2A 1 95.3% 单相 5300w 350v~600v 14.5A 1 95.8% 单相 4400w 350v~600v 12A 1 95.8% 5300w 1800w 3200w 4300w 5300w 3200w 125v~440v 180v~430V 125v~550v 125v~550v 125v~550v 350v~600v 30A 10A 20A 26A 26A 8.6A 2 1 2 2 2 1 96.5% 94% 96.5% 97% 97% 95.8% 单相 单相 单相 单相 单相 单相 4200w 125v~440v 30A 2 96.4% 单相 4040w 200v~400v 20A 1 94.7% 3440w 125v~600v 11A 1 94.6% 单相 单相 单相 KACO 7700w 350v~600v 19A 1 95.8% 单相 单相 单相 KACO Powador 9600 9600w 350v~600v 24A 1 95.8% 单相 7. 接入方案
7.1电气接线图
本方案主要适用于自发自用/余量上网（接入用户电网）的家用光伏电站系统，见图。 首先需要在家庭户内配电箱内安装一台微型式断路器和一台具有双向计量功能的智能电能表。通过该空气开关控制接入电网，增加一个明显的开断点，满足自动断开、闭锁功能，低电压失电要求，符合电网安全运行要求；双向计量功能的智能电能表精度不低于2.0级，作为计量关口。
其次，需要在并网交流配电箱内安装一台精度不低于2.0级的计量多功能表，作为校核电能表，电能表电流电压回路接线接入低压侧尽量回路。
图6 电气主接线图
7.2 电缆的选型 7.2.1 家用电缆的选型 （1）压降估计
导线线径一般按如下公式计算： S=IL/r×U`
式中：I~导线中通过的最大电流（A）； L~导线回路的长度（m）； r~导电率，铜取57，铝取34； U`~允许的电源降（V）；
S~导线的截面积（mm2）； 说明：
①U`电压降可由整个系统中所用的设备（如探测器）范围分给系统供电用的电源电压额定值综合起来考虑选用。
②计算出来的截面积往上靠，绝缘导线载流量估算 （2）截面电流
通常金属导线截面存在最大通过电流，除了计算电缆压降之外，还需验证电缆界面电流是否满足条件。铝芯绝缘导线载流量与截面的倍数关系如下表。
截面/mm2 1 1.5 2.5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 倍数 9 9 9 8 7 6 5 4 3.5 3 3 2.5 2.5 电流/A 9 14 23 32 48 60 90 100 123 150 210 238 300 通过上表可以估算出电缆截面的安全载流量。估算方法如下：十下五；百上二；二五三五四三界；七零九五两倍半；穿管温度八九折；铜线升级算；裸线加一半。意思是：十下五就是十以下乘以五；百上二就是百以上乘以二；二五三五四三界就是二五乘以四，三五乘以三；七零九五两倍半就是七零和九五线都乘以二点五；穿管温度八九折就是随着温度的变化而变化，在算好的安全电流数上乘以零点八或零点九；铜线升级算就是在同截面铝芯线的基础上升一级，如二点五铜芯线就是在二点五铝芯线上升一级，则按四平方毫米铝芯线算。裸线加一半就是在原已算好的安全电流数基础上再加一半。
现在一般家用电缆规格是1.5mm2或2.5mm2，在安装光伏系统的时候，需要考虑光伏系统装机容量和自家原有电缆规格的关系，看原有电缆能否满足光伏系统的承载电流，尤其是电表进线的规格大小。
7.2.2光伏电缆的选型
光伏系统中电缆的选择主要考虑如下因素： 1）电缆的绝缘性能； 2）电缆的耐热阻燃性能； 3）电缆的防潮，防光； 4）电缆的敷设方式；
5）电缆芯的类型（铜芯，铝芯）； 6）电缆的大小规格。
光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。以下分别列出不同连接部分的技术要求：
1）组件与组件之间的连接：必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。
2）方阵内部和方阵之间的连接：可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝晒。建议穿管安装，导管必须耐热90℃。
3）方阵和逆变器之间的接线：必须进行测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。电缆使用在户外，直接暴露在阳光下，光伏系统的直流部分应选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的电缆。
电缆大小规格设计，必须遵循以下原则：
1）交流负载的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。逆变器的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。方阵内部和方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。 2）考虑温度对电缆的性能的影响。 3）考虑电压降不要超过2％。
4）适当的电缆尺径选取基于两个因素，电流强度与电路电压损失。完整的计算公式为：线损 = 电流×电路总线长×线缆电压因子（可由电缆制造商处获得）。
8. 防雷设计
为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。太阳能光伏电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及到以下的方面：
1、尽量避免避雷针的投影落到光伏组件上 2、地线是避雷、防雷的关键。
防止雷电感应：包括设备、机架、金属管道、电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。
防止雷电波侵入:在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆。接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。
接地系统的要求：所有接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此要实测数据，建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。
电气设备的接地电阻R≤4欧姆，满足屏蔽接地和工作接地的要求。在中性点直接接地的系统中，要重复接地，R≤10欧姆。
防雷接地应该独立设置，要求R≤30欧姆，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上。 引下线采用圆钢或者扁钢，宜优先采用圆钢直径≥8mm，扁钢的截面不应该小于4mm。 接地装置：人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或者圆钢。水平接地体宜采用扁钢或者圆钢。圆钢的直径不应该小于10mm，扁钢截面不应小于100 mm，角钢厚度不宜小于4mm，钢管厚度不小于3-5mm。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5mm，需要热镀锌防腐处理，在焊接的地方也要进行防腐防锈处理。
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9. 维护检修设计
光伏发电系统的使用与维护的好坏直接影响着系统的使用寿命，影响着系统的运行成本和发电效率。一般情况下，无需对太阳能电池组件进行表面清洁处理，但对暴露在外的接线接点要进行定期检查，维护。
1) 遇有大风、暴雨、冰雹、大雪等情况，应采取措施保护太阳能方阵，以免损坏。
2) 太阳能方阵的采光面应经常保持清洁，如有灰尘或其它污物，应先用清水冲洗，再用干净纱布将水迹轻轻擦干，切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。
3) 运输中应注意防止太阳能电池组件受到碰撞，以免损坏。 避免太阳能电池组件方阵架在运输过程中有太大变形。
4) 逆变器等电气设备是全自动控制设备，无需人工操作。如无电压输出，请检查空气开关是否合上、保险盒是否熔断。逆变器无输出，检查前面板的状态指示灯判断原因；若一切指示正常，检查逆变器的输出保险是否熔断。
5）逆变器等电气设备接地：每半年测一次接地电阻。
参考文献：
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