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摘要：太阳能作为可再生、最原始、最安全、最环保、最直接的新能源，越来越受到人们的青睐，太阳能光伏发电正成为我国可再生能源的一支生力军。太阳能光伏发电是国家能源新项目，利用高端科技构建新型发电生产体系，实现电能资源分配与调度的一体化建设。“光伏发电”改变了早期电力生产的单一性模式，构建了更具现代化的发电调度系统。项目设计是光伏发电的初始阶段，从设计环节优化系统功能布局，可指导后期设计发挥出预期的功能。文章主要介绍太阳能光伏发电系统的基本工作原理、组成及特点，并探讨太阳能光伏发电系统的设计与应用。
关键词：太阳能；光伏发电；设计与应用
能源经济时代，社会发展对电能资源需求量逐渐增多，积极开发供电项目是国家战略重点。基于可持续发展指导下，新发电项目建设受到了普遍关注，光伏发电成为国家建设的新项目，对区域能源供应与调配起到了关键性作用。为了更好地发挥光伏系统功能，需从设计环节进一步优化处理方式，全面发挥出新发电系统的功能优势，利用各个模块参与电能生产与传输。
1太阳能光伏发电系统的基本工作原理及组成
1.1太阳能光伏发电系统的基本工作原理
太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。白天，光伏电池组件接收太阳光后，其半导体内产生电极性相反的电子-空穴对（即光生载流子），这些载流子被半导体P-N结所产生的静电场分离，并分别被光伏电池的正、负极所收集，同时在外电路中产生电流，从而获得电能。这些电能一部分供给直流或交流负载工作，另一部分多余的电量可通过防反充二极管给蓄电池组充电。在夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作时，蓄电池组供给直流或交流负载工作。
1.2太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件，蓄电池组，太阳能控制器，逆变器和DC-DC变换装置组成。
（1）光伏电池组件：是光伏发电系统的基本单元。当太阳光照在光伏电池组件上时，电池吸收光能并产生光伏效应，将太阳能转化为直流电能。太阳能电池一般为硅电池，分单晶硅、多晶硅及非晶硅电池3种。
（2）蓄电池组：将光伏电池组件产生的电能储存起来，当太阳光照不足或负载需求大于光伏电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求。蓄电池组是太阳能光伏发电系统的储能部件，一般由一定数量的蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择需与光伏电池组件的容量相匹配。
（3）太阳能控制器：对蓄电池组的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载电源需求控制光伏电池组件和蓄电池组对负载的电能输出，保证光伏电池组件在任何日照和环境温度下都可以输出相应的最大功率。
（4）逆变器：将光伏电池组件产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。
（5）DC-DC变换装置：通过控制回路中功率器件的导通与关断，将光伏电池组件输出的低压直流电升压成高压直流电，保证在直流输入电压大范围变化的情况下输出稳定的高压直流电。
2光伏发电系统设计方法
基于供电环境与设备监控系统升级改造，光伏发电系统结构有了多种控制方案可选，如：远程控制、智能控制等，如何选择最佳方式服务于实际生产，这是设计人员需要重点解决的技术问题。设计光伏发电系统要根据不同类型的发电规模，从软硬件系统操控方面实现优化运行，提高整个发电项目的运行效率。光伏发电系统所在地理位置（纬度）；当地年平均光辐射量；需要年发电量或光伏组件总功率或投资规模或占地面积等；并网电网电压，相数。
2.1并网发电系统设计计算
（1）发电量或组件总功率计算年平均每天发电量g=Pm×h1×y×η（kwh）式中：g———每天发电量；h1———每小时发电量；Pm———光伏组件总功率；y———单台机组发电量；η———发电系统综合影响因素。平均年发电量G=g×365（kWh）
（2）并网逆变器选用
并网逆变器的选用主要根据下列要求：逆变器额定功率=0.85~1.2Pm；逆变器最大输入直流电压>光伏方阵空载电压；逆变器最输入直流电压范围>光伏方阵最小电压；逆变器最大输入直流电流>光伏方阵短路电流；逆变器额定输入直流电压=光伏方阵最大功率电压；额定输出电压=电网额定电压；额定频率=电网频率；相数=电网相数；并网逆变器的输出波形畸变、频率误差等应满足并网技术要求。此外，必须具有短路、过压、欠压保护和防孤岛效应等功能。
2.2光伏组件方阵设计
光伏组件水平倾角设计：光伏组件水平倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。
（1）对于一年四季发电量要求基本均衡的情况，可以按以表1方式选择组件倾角。
（2）对于中国地区环境来说，很多地区由于地质环境的相似性，可以选择所在纬度加7°的组件水平倾角；同时，一些特殊地区，要根据不同季节的时间段，选择相应的组件水平角，例如：冬季选择所在纬度加11°的组件水平倾角，夏季选择所在纬度减11°的组件水平倾角。
2.3光伏方阵倾角设计
从发电效率来说，光伏方阵倾角是一个很大的影响因素，其对不同朝向发电量的影响较大，常常对整个区域发电效率均有决定性作用。通常来说，光伏方阵应朝着北半球，这样不仅提高了光伏发电作业效率，对发电生产调度也有一定的辅助作用，实现了光伏发电生产的一体化。
2.4光伏方阵间距设计
本次研究了光伏方阵前后两排间距大小，从设计角度分析间距对太阳能发电生产效率的影响。理论分析认为，如果光伏方阵前后间距大小不一，以及遮挡物之间距离大小不科学，对光伏发电效率影响较大，特别是在季节变化过程中，对电能产出量有着更大的影响。为了更好地完成设计，往往对间距参数标准进行控制，其计算机公式如下：D=0.707H/tan[arcsin（0.648cos准-0.399sin准）]式中：D———为前后间距；准———为光伏系统所处纬度（北半球为正，南半球为负）；H———为后排光伏组件底边至前排遮挡物上边的垂直高度；举例：设=32°D=0.707H/tan[arcsin（0.648cos32°-0.399sin准32°）]=0.707H/tan[arcsin（0.648×0.848-0.399×0.529）]=0.707H/ tan[arcsin（0.549-0.211）=0.707H/tan[arcsin0.338] =0.707H/tan18.6°=0.707H/0.336=2.1H
3光伏发电系统结构的具体应用
国家参与光伏发电项目投资与扶持，推动了新发电模式在国内的普及应用，成为现代电力行业转型与发展的新方向。设计是对光伏发电系统的综合规划，从设计方案中调整发电生产模式，体现了光伏发电系统运行的可持续性。笔者认为，光伏发电系统设计要结合实际生产平台，涵盖了电池板、控制器、蓄电池等结构，具体应用形式：
（1）交、直流供电系统
由于电流形式不一，光伏发电系统要考虑电流之间的相互转换，设计更加灵活的电力调控系统，从而提高整体的发电效率，这是保证光伏发电作业效率的关键。交、直流供电系统具有转换功能，在两种电流之间相互转接，在提高系统运行效率过程中，减小了光伏系统承受的发电盒子啊，形成了更为稳定的电力传输体系。
（2）并网系统
并网布局阶段，太阳电池组会对电流变换形式造成影响，尤其在逆变器工作状态下，城市电网要设定交流供电形式。并网系统为逆变器及电流转换提供作业效率，实现了网络供电系统运行的有效连接，及时把电网信号反馈给调度中心。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗。
（3）混合供电系统
这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。
（4）并网混合供电系统
从功能最大化角度分析，并网混合供电系统是一项复杂的组网过程，其可以对不同类型电网执行综合改造，为光伏发电系统构建多种网络处理方式。其中，“组合性”是并网混合供电的主要特点，将控制器、逆变器等组合起来运行，提高了光伏发电操控的可调度指数，实现了电能资源与数字控制的协调运行。
4结论
总之，能源战略时代开发新型发电项目是不可缺少的，国家在扶持光伏发电项目建设张，要综合考虑新项目的紧急投入与产出效益。设计光伏发电项目要考虑系统结构模块布局，以电池板、控制器、蓄电池等为核心部分，从软硬件系统操控方面优化配置，设计出更加安全、高效、稳定的光伏发电系统。
参考文献
[1]苏蓓蓓.一种适用于智能控制器的光伏电池方阵故障检测及定位方法.2012.2
[2]姜杏辉.太阳能便携式多功能电源设计与实现.2015.9
[3]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术.2009.7
论文作者:杨紫亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/9
标签：光伏论文; 系统论文; 组件论文; 太阳能论文; 方阵论文; 电能论文; 逆变器论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;