- 光伏發電核心技術問題全解析
- 太陽能資源數據及評估
- 光伏系統的選址和場地評估
- 選定蓄電池容量和蓄電池組安裝
- 充電控制器性能和防止遭受雷擊的措施
- 逆變器疊加使用和控制逆變-體機的優缺點
- 離網光伏發電系統的壽命
- 局部電網的設計
- 光伏電站的跟蹤監控和運行數據分析與評估
- 離網光伏發電系統的成本分析
- 光伏發電系統的驗收內容
- 太陽能光伏建筑一體化原則
- 規劃先行是太陽能光伏建筑-體化的關鍵
光能發電是當今世界的尖端科技，將為全人類徹底解決“能源危機”“環境污染”和“可持續發展”等三大世界難題，將做出歷史性、跨世代的偉大貢獻，將為人類利用新能源、新技術方面進入一個嶄新的時代，在現實的發展中存在這若干的核心問題。
1 太陽能資源數據及評估
1.1 太陽能資源數據
太陽能輻射數據可以從縣級氣象臺取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數據為水平面的輻射數據，包括：水平面總輻射、水平面直接輻射和水平面散射輻射。
太陽能資源數據主要包括：各月的太陽能`總輻射量（輻照度）或太陽能總輻射量和輻射強度的每月日平均值。與其相關的氣候狀況的數據主要包括：年平均氣溫，年平均最高氣溫，年平均最低氣溫，一年內最長連續陰天數（含降水或降雪天），年平均風速，年最大風速，年冰雹次數，年沙暴日數。其中，太陽能總輻射量的各月數值是必不可少的。此外，還應提供上述各項數據最近5~10年的累計數據，以評估太陽能資源數和氣候狀況數據的有效性。
1.2太陽能資源數據有效性的評估
將氣象臺或相關部門提供的太陽能資源數據用于光伏系統設計，在某些情況下仍需對其有效性進行評估。
首先，當一個具體場地的太陽能資源數據不夠完整或缺少多年的累積數據，就必須對太陽輻射的有效性和量值進行評估。
其次，雖然當地的太陽能資源數據比較完整，而且太陽輻射情況也較好，但由于候選場地處于多山地區或附近存在明顯影響太陽輻射的地形地貌。在這種情況下要通過研究候選場地周圍鄰近地區的平均數據變化，來評估當地太陽能資源數據的有效性。
再次，從氣象部門得到的數據是水平面的數據，包括：水平面直接輻射和水平面散射輻射，從而得到水平面上總輻射量數據。但是，在太陽能光伏發電的實際應用中，為了得到更多的發電量和電池組件自清潔的需要，固定安裝的方陣通常是傾斜的，這就需要計算得出傾斜面上的太陽能輻射量（通常要大于水平面上的輻射量）。但是，這一計算過程非常復雜，所以人們常常直接采用水平面上的數據，或者采用經驗系數的方法進行簡單換算，這對計算的精度產生了影響。近些年來，已經開發了一些軟件，不但可以方便地解決這些計算問題，其數據庫中還往往儲存大量不同地區的太陽能輻射數據，有些還具有光伏系統分析設計功能。
2 光伏系統的選址和場地評估
2.1 在光伏系統選址時需消除陰影影響
太陽能電池依賴于日光照射而發電，當投射到電池板上的日光被遮擋時，方陣功率輸出特性將受到嚴重影響，在電池板上的一個小小陰影也能夠使其
性能大大降低，因此，在光伏系統設計和安裝過程中仔細地確定陽光通路和避開陰影，對保證方陣的額定功率和降低光伏系統發電成本極為重要。
場地出現的陰影經常來自樹木、草木、附近的建筑，還有太陽收集器的撐桿和金屬線等。作為一般原則，確定從上午9點～下午3點沒有陰影為好。在冬季的月份當太陽的仰角低，電池板被遮擋經常是一個比較大的問題，應引起光伏系統設計者和光伏電站運行人員的重視。中國位于地球的北半球，對太陽能電池方陣發電最不利的陰影出現在12月21日（即冬至）前后一段時間。
為消除陰影影響，選擇場地后必須確認以下條件是否滿足：（1）在一年的任何月份，投向太陽能電池方陣的陽光都不會被遮擋;（2）每天上午9點～下午3點太陽能電池板上無陰影;（3）識別上午9點~下午3點遮擋太陽能電池方陣的障礙物，消除陰影來源;（4）如無法消除產生陰影的因素，也可考慮移動太陽能電池方陣或增加容量，以彌補由于陰影造成的損失。[page]
2.2 光伏系統場地的評估
在對光伏系統場地評估時，應該進行以下評估。
（1）一般日照條件評估
當依據要求收集到候選場地的太陽能資源數據后，還應到現場仔細觀察場地附近地障礙物，評估太陽陰影對太陽能電池方陣發電的影響，并提出避
開障礙物或移開障礙物的建議。通過在屋頂、墻上或院子里或直接觀測，為滿足方陣的全年日照條件尋找一個最佳方位。
在北半球正南是太陽能電池方陣最基本的方位。如果確保方陣面向正南或0°方位角，則每天的日照性能將是最好的。然而，應考慮當地氣候特征的影響并仔細評價，例如：如杲場地附近早晨有霧籠罩，則需要調整方陣略微偏向西南，以獲取滯后中午一段時間的更為有效的太陽輻射。
（2）測算方陣運行時間
太陽能電池方陣接受陽光照射時間越長，系統每日可發出的電能就越多。因此當方陣在場地的方位和高度初步確定后，需要評估和測定太陽能電池板在不同季節里每日的可運行時間。
（3）太陽窗
在評價場地時，必須選擇一個日照好、全天無陰影的時間作為太陽能電池方陣的運行時間。這個最適宣的時間區間稱為“大陽窗”。
“太陽窗”概念可以放映場地的日照時間和路徑狀況。依據場地日照條件的不同，太陽窗可以選在上午9點~下午3點，也可以選在上午8:20～下午3:20等。在夏季里，太陽升起早日落卻很晚，日照時問比冬季要長得多，因此夏季的太陽窗比冬季的太陽窗開得天也就是方陣的可運行時間長。太陽窗大小除受季節影響外，還與場地周圍的環境條件有關：例如：場地東西兩側的高山、樹林和高大建筑物等都會減少太陽能電池方陣的運行時間。一年
四季的太陽窗時間是不同的。欲準確地測定太陽窗，首先需要向氣象部門詢問當地不同季節日出、日落時的太陽方位角和正午的太陽高度角，然后再根據場地的具體條件加以修正。如果僅需要近似的場地“太陽窗”時間，則通過目測即可。
如果僅從日照的時間長短評價場地，則”太陽窗“時間段達到上午9點～下午3點已經滿足光伏系統發電條件。當”太陽窗“時間段達到上午10點～下午2點時，說明該場之妁日照時間太短，應檢查或清除周圍的障礙物或者考慮另外選擇場地。
（4）運輸條件
安裝現場應考慮交通和運輸條件，附近應有公路，便于光伏組件、控制柜、蓄電池等沒備的運輸。如果卡車不能到達現場，至少農用車可以到達現場。
（5）供電條件
安裝現場應離供電村莊較近，供電半徑不應超過l千米，要考慮運行人員來往方便、低壓電纜的輸電損耗，另外要對供電負荷及增容潛力等作詳細調研。對于離網獨立村落電站，電網在短期內不會延伸至此，以免不必要的重復建設和將來的電站搬遷等問題。
3 選定蓄電池容量和蓄電池組安裝
3.1選定蓄電池容量
設計人員要評估系統負載對蓄電池容量的需求。確定蓄電池容量時，首先要測定接人系統的負載每天需要多少電量;其次根據氣候條件確定蓄電池需要存儲多少天的電量。測量時注意蓄電池容量會受到諸多囚素影響，如：放電率、放電深度、溫度、蓄電池老化和控制器效能等。當然，所需要的蓄電池容量也受負載規模的影響，減少負載就會減少需要的蓄電池容量。同時在確定蓄電池容量時，并不是容量愈大愈好，過大的蓄電池容量規模也會產生問題。因此，恰當合理地確定光伏系統蓄電池容量是一項重要而細致的工作，必須認真對待。
3.2 安裝蓄電池的洼意事項
（l）加完電解液的蓄電池應該將加液孔的蓋子擰緊，以防止雜質掉進蓄電池內部。膠塞上的通氣孔必須保持暢通。
（2）各接線夾頭和蓄電池極柱必須保持緊密接觸。連接導線接好后，需在各連接點上抹上一層薄的凡士林油膜，以防連接點銹蝕。
（3）蓄電池應放在室內通風良好、不受陽光直射的地方。距離熱源不應少于2米，室內溫度應保持在10～25C之間。
（4）蓄電池與地面之間應采取絕緣措施，例如，可以墊置木板或者其他絕緣物體，以免因為蓄電池與地面短路而放電。
（5）放置蓄電池的位置應該選擇在離太陽能電池方陣較近的地方。連接導線應該盡量縮短，選擇的導線直徑不可太細，以盡量減少不必要的線路損耗。
（6）不能將酸性蓄電池和堿性蓄電池同時安置在同一房間內。
（7）對安置蓄電池較多的蓄電池室，冬天不允許采用明火取暖，而宜采用火墻、太陽能房等方式提高室內溫度，并保持良好的通風條件。
4 充電控制器性能和防止遭受雷擊的措施
4.1 充電控制器性能的好壞對系統有著很大影響
對光伏充電控制器性能的評價主要可以從可靠性、易維護性和充電效能三方面考慮。一個質量優良、安全可靠、不易出故障的光伏充電控制器顯然是對光伏系統整體性能的有效保證，尤其是蓄電池充放電電壓控制‘點等關鍵設定的穩定性直接關系著蓄電池的使用安全和壽命。一個構造清晰，出故障后容易修理的易維護的光伏充電控制器也可以從另一個方面提高光伏系統的性能。而光伏充電控制器的自身能耗和充電控制策略的優良，則直接影響到光伏系統本身可提供的電能的多少，低功耗高效率的光伏充電控制器可以提高光伏組件的利用率，進而提高光伏系統的整體性能。
4.2 防止充電控制器遭受雷擊的措施
要防止雷擊首先要了解雷電人侵電力系統的途經，雷電人侵一般有直擊雷、感應雷和雷電波侵人三種方式。
直擊雷是指直接落到太陽能電池方陣、低壓配電線路、電氣設各及其配線等處，以及在其近旁的雷擊。直擊雷的電流峰值在15～20kA以下的大約占5O%，也可觀測到200～30OkA范圍的雷擊。由于這樣雷擊的能量非常大，作為防直擊雷的措施有安裝避雷針等。
感應雷分為由靜電感應形成的雷和由電磁感應形成的雷。由靜電感應形成的雷是因雷云形成，例如電纜感應產生的正電荷和雷擊產生的地表的電荷中和后剩下來形成雷電浪涌。由電磁感應形成的雷，是由于落到電纜附近的雷擊產生的雷電電流使電纜感應形成雷電浪涌。
光伏充電控制器一端連接蓄電池，一端連接太陽能電池方陣。蓄電池由于安裝在建筑物室內，只要建筑物按建筑規范設置了建筑物防雷措施，蓄電池基本沒有遭受雷擊的可能，所以充電控制器連接蓄電池的一側不用特別的防雷措施。
而太陽能電池方陣安裝在室外露天，光伏組件邊框一般為鋁制，光伏安裝支架一般為鋼結構構件，這就大大增加了遭受雷擊的可能性。為防止直擊雷擊中太陽能電池方陣，光伏安裝場地應該設置避雷針，避雷針應該可靠接地，使雷電電流可以安全快速地入地;為了保證電氣設各的安全，避雷針的接地應該和電氣設各的保護地分開，并保持足夠的安全距離。為防止感應雷造成的危害，光伏電纜應該設置金屬橋架，并可靠接地;光伏場地控制器應該具有封閉的金屬外殼，并可靠接地，同時保證接地點等電位連接。為防止雷電波侵人造成的危害，光伏控制器在光伏進線的人口處應該安裝防雷器件，如壓敏電阻或防雷模塊，并可靠接地。[page]
5 逆變器疊加使用和控制逆變-體機的優缺點
5.1 逆變器疊加使用
在光伏電站中使用的逆變器也可以稱為獨立式逆變器，這種逆變器在輸出電能的同時自己建立一個220V/50Hz的電網。
一般情況下，這種逆變器不能直接將多臺逆變器的交流輸出并聯疊加使用。因為每臺逆變器都有自己獨立的電壓、頻率和相位特性，即便是同時開機投入工作，也無法保證各臺逆變器輸出的電壓、頻率和相位完全相同，導致電網波形失真，電壓電流漂移，會造成電網無法工作，嚴重的會導致逆變器輸出電流反向而形起逆變器損毀。
如果確實有必要將多臺逆變器并聯使用，以擴大逆變器輸出的容量，就必須選用可以并機工作的逆變器型號。在這種情況下，一臺逆變器稱為主機，其他逆變器稱為從機，由主機建立電網確定電網的電壓、頻率和相位等基本參數。同時向從機發出同頻同相指令，從機根據該指令向電網中輸人完全相同的交流電能，如果從機和主機的頻率相位產生偏差，從機就應該隨時糾正該偏差，使其發出的電能參數保持與主機一致。主機在發出同頻同相指令的同時，還會向從機發出功率調節指令，保證輸出功率在各臺逆變器之間的平衡，防止個別主機負載過大，而另外一些主機負載過小的現象。
5.2 控制逆變一體機的優缺點
控制逆變一體機的優點有：光伏充電和逆變器組合在一起，體積小，接線少，使用簡單，維護方便、性價比高，整機效率高，特別適合戶用系統。控制逆變一體機內部保護電路齊全，具有輸入過壓、輸入欠壓、輸出過載、輸出短路、輸人直流接反、過熱保護等保護措施，可以有效地保證使用過程中的使用安全。控制逆變一體機的缺點也同樣明顯，由于充電器容量和逆變器容量都固定，不能調整，所以不適合發電和用電負荷不匹配的系統。
6 離網光伏發電系統的壽命
離網光伏發電系統主要設各壽命如下：蓄電池的使用壽命通常為5年左右，逆變器壽命為10年左右，光伏組件的壽命為20～25年，一般情況下認為離網光伏發電系統壽命為20年，因此在壽命周期內需要進行蓄電池、控制器和逆變器的更換。
7 局部電網的設計
局部電網設計需要考慮電源點建設、電網架構的構成、負載的匹配和管理等內容。規劃局部電網中的電源點應該首先考慮建設當地的自然資源情況，由于這類電網一般地處邊遠地區，電站類型的選擇應以水電、光電、風電等可再生能源為主要考量。電站容量的選擇應以當地的社會經濟發展水平為依據，做出合理的負荷預測，以滿足5～10年內用電需求為準。如有可能應該盡量規劃多個不同種類電站聯網運行的工作模式，達到充分利用各種自然資源，發揮資源互補的優勢。
局部電網的架構建設一般以220v/380Ⅴ的低壓配電系統為主，以便減少變電所帶來的電能損耗，如果出現電源點距離負荷中心過遠等必須進行輸變電的情況，按照距離的遠近選擇合理的輸變電電壓等級。低壓電網的配電形式一般以樹狀結構為主，便于電網的檢修和故障的排除。如果有兩個以上的電源點聯絡線可以環網或者雙回等方式連接，以提高供電和輸配電的可靠性。局部電網中應該分級設置繼電保護裝置，根據輸配電線路的電纜型號和長度分級計算各保護點短路電流等參數，選用適合的繼電保護產品設置合理的保護參數，保證電網的安全運行。
局部電網由于范圍小、能量來源有限、網絡脆弱，對于接人電網的負載必須嚴格管理，嚴禁私拉亂接等現象的發生，限制大功率負載（如電爐、電暖氣、中央空調等）和大沖擊負載（大容量電動機、電焊機等）的使用。對于電網負荷應按用戶的不同分級管理，對于黨政機關、軍事單位、學校、銀行等關鍵部門應列為隨時保障供電的一級負載范圍;對于居民、商店等列為非緊急情況下正常供電的二級負載;對于一般工廠、飯店、娛樂場所應列為不保障持續供電的二級負載，實現有限電力能源的合理有序分配。
8 光伏電站的跟蹤監控和運行數據分析與評估
光伏發電系統還屬于新生事物，還沒有達到推廣應用的規模化。目前存在距離遙遠、當地技術水平低、獨立電網容量有限等不利條件，增加了管理好光伏電站的難度。因此，實施對電站的運行監控，通過對系統運行的數據進行科學分析，找出內在規律，為系統優化設計提供可靠依據，為更大規模的推廣獨立光伏發電系統作出貢獻。
8.1 電站監控內容
（1）當地的光照和風力資源：每天各時段陽光輻射強度和光照時間，每天各時段風速和風向。
（2）天氣情況（溫度、雷擊、沙塵、冰雹、雨雪、云霧等）。
（3）系統各發電子系統在各時段的發電功率和發電量。
（4）充電控制器在各時段的工作狀態。
（5）蓄電池組在各時段的工作狀態。
（6）系統負載在各時段的工作狀態。
（7）系統故障統計。
8.2 監控手段和方法
（1）對于沒有安裝自動數據采集裝置的電站，采用人工讀數的方法記錄數據。為了保證數據的真實（可靠、準確，電站工作人員在參加培訓時必須學會、濃懂如何正確讀表、測量和填寫工作日記的表格。業主公司的專業技術人員定期校對、核實各電站的工作日記。電站的工作日記必須存檔備案，不得遺失和損壞。人工記錄工作日記是自始至終每天必做的工作。
（2）對于安裝了自動數據采集裝置的電站，由專業技術人員定期讀取記錄，或由當她電站工作人員經專門培訓定期更換數據記錄磁盤，郵寄給專業數據收集人。
（3）在具各通信條件的電站，可以建立遠程監控系統，由專業技術人員進行實時監控，遠程自動采集數據。
8.3 電站運行數據分析與評價
在獲取完整數據的基礎上，應分析并完成下述評估內容。
（1）每月、每年光伏電站提供的電量。
（2）每月、每日全村的用電需求量和各負載的耗電量。
（3）每月24小時能量流圖。
（4）系統各主要設各的工作性能和潛力。
（5）供電余量分析。
（6）負載發展預測。
（7）故障分析及預防措施建議。做好光伏電站的跟蹤監控和評估工作，有助于改進管理制度，進一步完善光伏電站，充分發揮系統的潛能，使系統在最佳狀態下運行，獲得最好的經濟效益和社會效益。[page]
9 離網光伏發電系統的成本分析
投資成本和運營成本構成了離網光伏發電系統的主要成本。但是需要注意的是，一個離網光伏發電工程，尤其是偏遠地區的農村的離網光伏發電工程，給整個社會創造了額外的價值，這并非是簡單地將各個局部價值相加就
能獲得的。其外部因素包括：有利于環境、提高衛生、安全和教育水平、減少城市移民、促進民族團結、社會穩定和技術進步。這些好處的價值，相比經濟性分析而言，更多的是出于社會效益和環境效益方面的考慮。
離網光伏發電系統項目建設者要提交和工程有關的各種成本說明是很重要的，成本可以分為以下五個部分：
（1）初期投資（設備、基礎設施和安裝的成本）;
（2）設各更換成本（設各和安裝）;
（3）運行維護費用（工資和消耗材料成本）;
（4）能源服務費（業主或能源服務公司的巡檢、維修服務費）;
（5）回收和拆裝費用。
提交給電站運營的系統成本說明至少應該包括以下四種;
（1）年資金流動;
（2）電站生命周期的全部成本;
（3）核算后的發電成本;
（4）每年的運行維護和更換費用。
經過統計，自1998~2008年我國已經建成的⒛多個離網光伏項目，MMW，大約%%以上都為國內政府無償投資或國際政府無償援助項目。
10 光伏發電系統的驗收內容
光伏發電系統驗收主要包括以下7部內容：
（1）方陣基座部分
混凝土基座和地腳螺栓規格
·基座方位
·架空式方陣平臺設各平臺的尺寸和承載構件的規格
（2）方陣機架部分
·安裝的牢固程度
·機架的傾角
·可調式機架的傾角調整范圍
（3）太陽能電池方陣部分
·各子方陣的布線
·各子方陣的最大輸出功率
·組件連接線及方陣輸出電纜綁扎固定狀況
（4）電源饋線部分
·饋線走向路線
·線間或線對地絕緣電阻
·穿線管口密封情況
·電纜端頭處理
·電源饋線與控制柜連接情況
（5）控制柜部分
·安裝位置和安裝的牢固程度
·外部接線
·通電試驗
（6）蓄電池部分
·開口型蓄電池按廠家說明書或通信電源設備安裝工程施工及驗收技術規范要求
·密封式蓄電池的箱體加工情況
·蓄電池的定容量
（7）系統防護部分
·接地系統的位置和接地電阻
·防雷接地裝置各部件連接方法
·避雷針的位置和高度
·設各蓄電池的抗震設防
11 太陽能光伏建筑-體化原則
（1）生態驅動設計理念向常規建筑設計的滲透：建筑本身應該具有美學形式，而PV系統與建筑的整合使建筑外觀更加具有魅力。建筑中的pv板使用不僅很好的利用了太陽能，極大的節省了建筑對能源的使用，而且還豐富了建筑立面設計和立面美學。BIPV設計應以不損害和影響建筑的效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則，任何對建筑本身產生損害和不良影響的BIPV設計都是不合格的設計。
（2）傳統建筑構造與現代光伏工程技術和理念的融合;引入建筑整合設計方法，發展太陽能與建筑集成技術。建筑整合設計是指將太陽能應用技術納入建筑設計全過程，以達到建筑設計美觀、實用、經濟的要求。BIPV首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，其成功與否關鍵一點就是建筑物的外觀效果。建筑應該從設計一開始，就要將太陽能系統包含的所有內容作為建筑不可或缺的設計元素加以設計，巧妙地將太陽能系統的各個部件融入建筑之中一體設計，使太陽能系統成為建筑組成不可分割的一部分，達到與建筑物的完美結合。[page]
（3）關注不同的建筑特征和人們的生活習慣;合適的比例和尺度：PV板的比例和尺度必須與建筑整體的比例和尺度相吻合，與建筑的功能相吻合，這將決定PV板的分格尺寸和形式。PV板的顏色和肌理必須與建筑的其他部分相和諧，與建筑的整體風格相統一例如，在一個歷史建筑上，PV板集成瓦可能比大尺度的PV板更適合，在一個高技派的建筑中，工業化的PV板更能體現建筑的性格。
（4）保溫隔熱的圍護結構技術與自然通風采光遮陽技術的有機結合;精美的細部設計：不只是指PV屋頂的防水構造，而要更多關注的是具體的細部設計，pv板要從一個單純的建筑技術產品很好的融合到建筑設計和建筑藝術之中。
（5）光伏系統和建筑是兩個獨立的系統，將這兩個系統相結合，所涉及的方面很多，要發展光伏與建筑集成化系統，并不是光伏制作者能獨立勝任的，必須與建筑材料、建筑設計、建筑施工等相關方面緊密配合，共同努力，才能成功。
（6）建筑的初始投資與生命周期內光伏工程投資的平衡;綜合考慮建筑運營成本及其外部成本。建筑運營體現在建筑物的策劃、建設、使用及其改造、拆除等全壽命周期的各種活動中，建筑節能技術、太陽能技術以及生態建筑技術對與建筑運營具有重要影響。不僅要關注建筑初期的一次投資，更應關注建筑的后期運營和費用支出，不但要滿足民眾的居住需求，也要關注住房使用的耗能支出。另外，還應考慮二氧化碳排放等外部環境成本的增加等。
12 規劃先行是太陽能光伏建筑-體化的關鍵
解決太陽能與建筑一體化，解決建筑設計與太陽能施工的協調統一，其實在技術上并不是難題，真正的難點在于開發商的利益和公眾的節能意識。而這迫切需要政府部門在規劃預見性和規范性上先行一步。建議政府建設行政部門應提出或規定房屋建設與太陽能施工”同步設計、同步施工、同步完成“的硬性要求。因此，面對日益嚴峻的能源形勢，節能建筑的相關規范或強制性標準的出臺恐怕應當先行一步。在各級政府的政策導向和激勵機制的基礎上，提高職業培訓和公眾教育程度，加強產品（系統）檢測認證和建筑準人制度，完善規范標準及相關技術規程，發揮從企業到業主等各個層面的積極性，共同推進太陽能光伏建筑的有序健康發展。
