摘要：  从绿色环保住宅建设的实际需要出发，设计了2kW太阳能光伏发电系统，实现了太阳能光伏发电供新型绿色住宅的照明用电，并在阴雨天时可由交流电网补充的功能。从常州地区气象条件、光伏方阵的设计、控制系统和逆变系统的原理、选型及太阳能电池方阵安装设计等方面介绍了该工程的设计实践。

关键字：  太阳能光伏，  光伏电池组件，  光伏发电系统

随着煤炭和石油等化石能源的大量消耗，不可再生能源正面临资源枯竭和环境恶化的双重压力。开发利用可再生能源是增加能源持续供给能力、改善能源结构、保障能源安全、逐步恢复自然环境的重要措施，对建设资源节约型和环境友好型社会，实现经济社会全面协调可持续发展，具有非常重要的意义。本文设计的太阳能光伏发电系统已经在常州部分新建别墅和小区进行安装，光伏电池组件的安装应保持屋顶的风格和美观，并与小区及周围环境相协调。在阴雨天气时，能使用城市电网为公用负荷供电，建成后具有节省电能、环保和维护管理方便等优点。由于在建筑密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳能电池板的面积有限，住宅小区屋顶光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终小于小区负载的功率，没有剩余电能送入上级城市电网。该光伏发电系统拟采用并网运行方式，并在小区内局部并网，不考虑将电能输入上级城市电网，采取小区内局部并网运行方式提高了上级城市电网的安全性。

1太阳能光伏发电系统简介

太阳能光伏发电系统在实际应用中，主要是利用太阳光直接发电。这是一种利用光电转换原理和相应的光电转换器材来发电的系统，它具有安装方便、规模可大可小、发电过程不排放污染物质、无噪音和整个寿命期间几乎免维护等许多优点。系统可划分为两种，即太阳能光伏发电独立电源系统和太阳能光伏发电并网系统。

并网太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、并网逆变器和控制器等组成，如图1所示。这是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。

2设计实践

2.1常州地区的太阳辐照量

常州地处长江下游平原，国家生产力布局中最大的经济核心区---长江三角洲。北纬33°14′～36°37′，东经118°22′～119°14′，平均海拔9m，东望大海，西达荆楚，南壤皖浙，北接江淮，长江越境而过。

常州属北亚热带季风气候区，冬冷夏热，四季分明、雨水充沛、光能资源充足、年平均温度为15.7℃，最高气温为43℃(1934年7月13日)，最低气温为16.9℃(1955年1月6日)，最热月平均温度为28.1℃，最冷月平均温度为-2.1℃。年平均降雨117d，降雨量1106.5mm，最大平均湿度81%，最大风速19.8m/s。土壤最大冻结深度0.09m。夏季主导风向东南、东风，冬季主导风向东北、东风。地震强度7级。无霜期237d。每年6月下旬到7月中旬为梅雨季节。年度最佳季节为秋季(9～11月)常州地区历年平均气象资料见表1。

2.2太阳电池方阵倾角与光伏方阵设计计算

2.2.1太阳电池方阵倾角的确定

根据现场条件及从经济考虑，采用固定式倾角的太阳光伏方阵。

由于太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，对其进行量化处理是很有必要的，为此引入辐射累积偏差δ′，得

式中:Htβ为倾角β斜面上各月平均太阳辐射量;tβ为该斜面上年平均太阳辐射量;M(i)为第i月的天数。

可见，δ′的大小直接反映了全年辐射的均匀性，δ′越小辐射均匀性越好。按照负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统的要求，理想情况当然是选择某个倾角使得tβ为最大值，δ′为最小值。但实际情况是二者所对应的倾角有一定的间隔，因此选择太阳电池组件的倾角时，只考虑tβ为最大值，δ′为最小值必然会有片面性，应当在二者所对应的倾角之间进行优选。为此需要定义一个斜面辐射系数，即

式中，为水平面上的年均太阳辐射量。由于tβ和δ′都与太阳电池组件的倾角有关，所以当K取极大值时，应当有dK/dβ=0。

求解上式，即可得到最佳倾角。

经过计算求得，常州地区的最佳倾角为37°，常州地区每个月份斜面太阳辐射量见表2。

表2中，Hbθ为斜面上直射太阳辐射量;Hdθ为斜面上散射太阳辐射量;HRθ为斜面上反射太阳辐射量;Hθ为倾斜面上太阳辐射总量，即

2.2.2光伏方阵的设计

如果储能子系统的配置足够大，能将光伏子系统在日太阳高于年平均日太阳辐射时发出的电能全部储存，供日太阳辐射低于年平均日太阳辐射时负载使用，光伏子系统可取最小值，得

如果光伏子系统的功率设计能在太阳辐射最小月也可满足负载用电需求时，通常认为这种假定条件下的光伏子系统为最大功率，即

式中:ηin为从光伏子系统到蓄电池的效率(包括方阵温度电压损耗、组合损失、灰尘遮蔽和控制器等部件效率、防反充二极管和系统线路损耗，蓄电池充电效率等)取0.75;ηout为从蓄电池到负载的效率(包括蓄电池放电效率0.8、逆变器效率0.90等)取0.72;Gs为标准状态下的太阳辐照度(25℃，AM1.5，1kW/m2);min为水平面最小月日平均太阳辐射量。

经过综合考虑实际情况和经济性，选取太阳电池方阵功率为2000W。

在此笔者选择常州某公司生产的型号为CEEG170-24/s的太阳电池组件峰值功率为170W。

直流系统电压选取为48V，查蓄电池厂家提供的产品手册，蓄电池的充电电压应设置为68V。因此组件串联数Ns计算为

2.3逆变器的选择与配置方案

网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备，其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送给交流系统连接的负载。同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能。

在本系统的设计中选用合肥某公司生产的3kVA的单相逆变器SN483KS，具有过压保护、对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能，其技术参数如表3所示。

3太阳能光伏系统的安装和防雷

太阳能电池方阵基座和支架施工安装完全按抗10级以上台风的要求设计，但底座采用了钢筋混泥土结构、铝合金框架以及PVC防水层(如图2所示)，保证了本系统的安全系数，但有点浪费，今后需要优化设计。

在光伏发电系统控制机房的入口端和出口端，安装防雷隔离箱(内部装有避雷器)。当遭到雷击或发生过渡时，箱内防雷器件劣化，过流保护器自动跳出，自动脱扣脱离电路，以保证光伏发电系统设备。

避雷器的电流为1000A(8/20μs)时，选择控制电压(浪涌电流流过时浪涌电压被限制而残留在避雷器两端子之间的电压)为2000V以下的避雷器。感应雷的浪涌电流，最大有1000A。还有，太阳能电池阵列的脉冲耐电压(将标准雷脉冲电压波形1.2～50μs正负各3次施加时，没有引起绝缘破坏的最大电压)为4500V，考虑到避雷器接地线引起浪涌阻抗(雷电电流流过时的阻抗)的增大，所以把控制电压限制在2000V以下，接地线尽量短。具体接线图如图3所示。

4结语

太阳能是一种清洁、可再生能源，太阳能光伏发电实现了直接将太阳能转化为电能。我国人口众多，人均能源资源量较低，发展可再生能源是落实科学发展观的必然选择。其中太阳能发电是最有前景的技术之一，从环境保护和能源战略上都具有重大意义。

随着中国经济建设和城市建设的发展，能源形势日趋严峻，资源环境的压力不断加重，节能减排、环境保护，已经成为政府和全社会共同关注的焦点问题。我国新能源法已从2006年1月1日起正式实施，随着"上网电价法"和"全网平摊"等法规的进一步实施，光伏发电的成本接近于商业化，这必将极大地推动我国光伏产业的发展。相信不久的将来，我国民用建筑物的屋顶太阳能并网光伏发电系统会得到广泛的应用。