建筑光伏发电系统的设计

夏丽平

上海安科瑞电气股份有限公司,上海嘉定,201801

0 引言

现代科技的发展不断改变着我们的世界，也改变了我们赖以生存的地球，所有的改变都

需要消耗大量的地球能源。新技术越来越多，能源的需求越来越大，所以，我们积极探索可

再生能源利用。

太阳能发电方式可以分为两个类型，其一是热过程的“太阳能热发电”，即将太阳能热

能转换成电能的发电方式；另一种就是非热过程发电，包括光伏发电、光化学发电、光感应

发电等发电形式。根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。

1 建筑光伏发电技术

1.1 光伏发电系统的分类及适用环境

光伏发电的应用分为两个大类，即：独立发电系统和并网发电系统。在设计时要根据用

户的规模、功能、负载要求等确定应用方案。独立发电系统适合于边远地区的村庄供电系统，

太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网光伏发电系统是与电网

相连并向电网输送电力的光伏发电系统，可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系

统，适用于具备吸纳光伏发电所产生电能能力的城市电网系统中。

带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用

电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居

民建筑，不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型

的系统上。

1.2 光伏发电系统的组成

光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太

阳跟踪控制系统等设备组成。

（1）太阳能电池方阵：在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将

光能转换成电能，是能量转换的器件。

（2）蓄电池组：存储太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳

能电池发电对所有蓄电池组的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电

效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽、价格低廉。

（3）充放电控制器：自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放

电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电

的充放电控制器是必不可少的设备。

（4）逆变器：将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，

而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和

并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网

逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波

逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求

不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

（5）太阳跟踪控制系统：由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，太阳的

光照角度时时刻刻都在变化，只有在太阳能电池板正对太阳时，发电效率才会达到最佳状态。

目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一

天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软

件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的

数据和设定。一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参

数：原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。

1.3 光伏建筑一体化

现今社会的能源形势推动了绿色建筑的发展步伐，光伏建筑一体化的概念被提了出来，

就是将光伏发电技术集成到建筑上的技术，把光伏发电这样的新能源利用技术与建筑材料、

建筑造型等有机的结合起来的新型节能建筑形式。

根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类：第一类是

光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，

起支撑作用。第二类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式

出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。

2 光伏发电系统的设计

2.1 影响系统设计方案的几个因素

（1）光照条件：太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气质量、

地理位置、当地气候、地形等多方面因素的影响，其能量在一日、一月和一年间都有很大的

变化。

（2）太阳电池方阵的光电转换效率：由于转换效率受到电池本身的温度和太阳光强、

蓄电池电压浮动等因素的影响，因而方阵的输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波

动。

（3）太阳电池方阵的组合损耗和环境：太阳电池方阵受安装和组件一致性、环境温度、

污浊等的影响，加之太阳电池运行数年后转换效率会略有下降。

（4）蓄电池充放电效率：蓄电池充放电效率会影响蓄电池的有效使用性能和能量的有

效传递。

（5）负载用电情况：由于用途不同，耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各

不相同。

这些因素相当复杂，原则上需要对每个系统进行计算，对一些无法确定数量的影响因

素，只能采用一些系数或数学方法来进行估量。由于考虑的因素及其复杂程度不同，采取的

方法也不一样。

2.2 基本的数据资料收集整理

（1）所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等。（2）当

地的地理位置：包括地名、经度、纬度、海拔等。（3）当地的气象资料：主要有逐月平均太

阳总辐射量，直接辐射及散射量，年平均气温及极端气温、最长连续阴雨天数、最大风速及

冰雹等特殊气候情况。这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。

2.3 确定日用电量

根据负载工作耗电量与平均每天工作时数相乘积之和。

2.4 合理选择蓄电池容量

蓄电池储备容量的大小主要取决于负载的耗电情况，还要考虑现场的气候条件，环境温

度，系统控制的规律性及系统失效的后果等因素。蓄电池在太阳能应急发电系统中处于备用

状态，充电在夜间由市电整流后给蓄电池正常充电，充满后自动停止充电。蓄电池长期深放

电会影响蓄电池的寿命，故必须考虑留有一定余量，选择适当的放电深度。

过大的放电深度会缩短蓄电池的寿命：过小的放电深度又会增加蓄电池的规模，加大总

的投资成本，放电深度最大到80%较为合适。确定蓄电池的储备容量、放电深度后，可计算

出蓄电池所需的实际容量，折算成蓄电池额定容量（C10）即可初步选定蓄电池的标称容量

2.5 计算日辐射量和决定方阵倾斜角

从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量，直接辐射量及散射辐射量。因

此，需换算成倾斜面上的太阳辐射量。依据不同的倾斜角，分别计算倾斜面上的太阳辐射量。

包括直接辐射量、散射辐射量和反射辐射量。

2.6 估算太阳电池方阵

将历年逐月平均水平面上太阳直接辐射及散射辐射量，算出逐月辐射总量，然后求出全

年平均日太阳辐射总量和太阳电池方阵发电量。

2.7 确定太阳电池方阵功率和蓄电池容量

由于温度升高时，太阳电池的输出功率将下降，因此要求系统即使在最高温度下也能确

保正常运行，进行环境温度的修正。根据算出的蓄电池容量，太阳电池方阵的电压及功率，

参照蓄电池和太阳电池组件的性能参数，选取合适的型号即可。

2.8 与建筑物的结合

包括安放太阳电池方阵的位置、配套装置的安装、系统并网的条件预留、维护通道的预

留、防雷措施等。

3 光伏电站电力监控系统解决方案

随着环境污染问题的日益严峻，煤炭、石油等化石能源的频频告急，太阳能作为可再

生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越受到

人们的青睐。大力发展光伏产业、积极开发太阳能，已成为各国可持续发展战略的重要组成

部分。

安科瑞针对光伏发电各个环节的检测需求，设计了从光伏汇流、直流柜、交流柜到后

台监控的成套装置及仪表、系统。可通过图表与数据快速掌握电站的运行情况，确保光伏发

电系统的完全可靠和稳定运行。

应用场合 型号 主要功能

汇流箱 APV-M系列

4-16 路DC0-20A光伏汇流检测、开路报警，

开关量输入、继电器输出、DC24V输出、LED

显示、2KV防雷光电隔离、RS485/Modbus-RTU

协议，防护等级IP65。

汇流采集 AGF 电隔离，RS485/Modbus-RTU协议，精度0.5

4-16 路DC0-12A光伏汇流检测，2KV防雷光

级

直流屏

PZ72-DE

直流电压、电流、功率、电能（正向与反向）

测量；RS485/Modbus协议、LED显示

PZ72L-DE

直流电压、电流、功率、电能（正向与反向）

测量；RS485/Modbus协议、LCD显示

PZ300-DE 测量；RS485/Modbus协议、LCD显示、导轨

直流电压、电流、功率、电能（正向与反向）

式安装

配电柜 ACR330ELH

三相I 、U、kW、kvar 、kVA、kWh、Kvarh、

Hz、cos Φ；四象限电能计量；THDu,THDi、

HRUn/HRIn(2-31次各次谐波分量)；CF（电

压波峰系数）、THFF（电话波形因子）、KF（电

流K系数）、εu( 电压不平衡度）、εi( 电流

不平衡度）计算；电网电压电流正、负、零

序分量（含负序电流）测量；RS485/Modbus、

大屏幕点阵式LCD图形显示、全中文菜单

系统集成

Acrel-2000 电压及电流、控制室温度等参数；

V8.0 光伏电可以绘制每天的太阳辐射强度曲线、风速变

站电力监控化曲线、光电池发电参数曲线、逆变器的电

系统 压一电流曲线、功率一时间曲线；

实时监测太阳辐射量、光电池充电电压及电

流、蓄电池电压及温度、逆变器输入/输出

历史数据存储、数据导出、生成日报表、月

报表和年度报表，以及CO2、SO2减排数量。

3.1 光伏发电监测系统软件功能

Acrel-2000 V8.0 光伏发电监测系统是上海安科瑞电气股份有限公司针对太阳能发电系

统开发的软件平台，可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、

太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的

运行情况，其友好的用户界面、强大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系

统的完全可靠和稳定运行。

●实时监测太阳能电池板的电压、电流及其运行状况

●防雷器状态、断路器状态采集与显示

●实时监控逆变器工作状态，监测其故障信息

●系统详细运行参数显示

●故障记录及报警

●具有电量累计、系统分析、历史记录功能

●简单易用的参数设置功能

●系统输出电流、电压，瞬时发电功率、累计发电量，CO2、SO2减排量

3.2 软件界面

系统运行主画面

监控系统提供功能选择画面，并对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示，如室外温度

值、湿度百分比、光照度及阵列表面温度值等；

汇流监测系统画面

监控系统可分区域实时监测各光伏阵列的充电电压及电流、蓄电池电压及温度等信息，

并对故障点进行异常显示与报警提示；

逆变器监测画面

监控系统可绘制显示逆变器电压—时间曲线、功率—时间曲线等，直流侧输入电流实时

曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示日发电量等电参量；

事件记录监测画面

监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通讯采集异常、开关变位、操

作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警进行更改设置；

曲线、棒图分析画面

监控系统对光伏发电的发电量可形成月棒图及年度棒图显示，并折算成二氧化碳、二氧

化硫减排量值；并可查看太阳辐射强度趋势曲线、风速变化趋势曲线显示

参考文献：

[1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2011.10版.

[2]阳光电源股份有限公司产品手册

作者简介：

夏丽平，女，本科，主要研究方向为新能源智能电力监控与管理系统，Email:

ACRELXLP@163.com