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1、数学建模太阳能小屋的设计摘要在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。介绍了山西大同市天和家园住宅小区43kW屋顶太阳能并网光伏发电系统的设计思路，以及系统的具体功能与配置，提出了设计中需要注意的问题及
2、具体的解决方案。 包括：光伏系统提供公用设施用电，在阴雨天时使用城市电网为公用负荷供电；光伏系统在小区内局部并网不考虑将电能输入上级城市电网；太阳能电池组件方阵倾角确定为3O。，选用常州天合光能有限公司生产的TSM一175D型高效单晶硅电池组件。分析了组件分组串接原则，确定了布置方案；( 并网逆变器选择德国艾思玛(SMA)公司SMC6o(0rIL型无变压器集中式逆变器和SB5o0仇1型无变压器多组串逆变器；( 地下车库照明负荷曲线与日照曲线接近因此选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统负荷； 简介了防直击雷和防感应雷措施以及选择电缆和设计支架时应考虑的因素；监控系统选用SMA的Sunny
3、Boy Control Plus产品。关键词 住宅小区 并网光伏发电 太阳能电池组件 多组串逆变器1 项目简介 11天和家园住宅小区概况 浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积64 788m2，总建筑面积134万m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高2222286m。计划在天和家园2O号楼屋顶装设太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。2O号楼目前处于在建状态，-屋顶可利用面积有：西侧平台，面积87m ；斜屋面， 7共7块，总面积(斜面)1139m。；露台，厶一厶共5个，总面积23344m 。 1-2设计
4、要求 a该项目有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求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。 b该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明灯352kW，地下车库东区照明灯214kW，智能化设备2kW等。要求在阴雨天气时，应能使用城市电网为公用负荷供电。c光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节省投资。维护管理方便。 2 光伏发电系统运行方式的选择 太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。即：独立运行和并网运行1。 独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。由于必须有蓄电池储能装置，
5、所以整个系统的造价很高。 在有公共电网的地区。光伏发电系统一般与电网连接，即采用并网运行方式。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。由于蓄电池在存储和释放电能的过程中，伴随着能量的损失，且蓄电池的使用寿命通常仅为58年，报废的蓄电池又将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。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2】。 综合考虑
6、，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，系统原理图如图l所示。采取小区内局部并网3 系统设计 31设计依据 该系统的设计依据有：光伏系统并网技术要求(GBT199392005)；当地气象资料；建设方提供的相关资料及要求等。 32光伏系统太阳能电池组件的配置方案 321最佳方阵倾角的确定 慈溪市介于北纬3O。O2 一3O。24 和东经121。02 一121。42 之间，处于北亚热带南缘，属季风型气候。平均年日照时数2 038小时，太阳年辐射量4 0004 800MJm ，年日照百分率47。查阅相关资料可知，太阳能电池组件方阵最佳倾角为30。 32-2太
7、阳能电池组件的选择与布置 32-21太阳能电池组件的选择 目前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达2l以上，大批量生产的单晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到14以上。该系统选用了常州天合光能有限公司生产的rlSM一175D型高效单晶硅电池组件其外形如图2所示。 TSM一175D型电池组件技术参数如下，峰值功率：Pm=175WP；开路电压： =4358V；最佳工作电压：=362V；短路电流：厶=497A；最佳工作电流：，m=485A；重量：G=16kg；尺寸：长宽厚=l 581 mm809mm 40mm。 3222太阳能电池组件的布置将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、
8、荒漠地区的独立光伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳能电池方阵按最佳倾角的要求布置，必须要充分考虑与周围环境的协调和美观。根据建设方提供的加号楼屋面图(参见图3)以及现场考察情况，电池方阵布置方案如下： a西侧平台面积87mz。采用锯齿型方阵。共安装组件36块，方阵倾角为30o。功率为：175Wp36=6 300W 。 b斜屋面 一，共7块小屋面可安装太阳能组件，总面积(斜面)1139m：，与斜屋面平行安装组件87块，方阵倾角为斜屋面坡度31。功率为：175W 87=15 225Wp。 c顶层露台上方装饰性花架有厶一共5个可安装太阳能组件。面积23344m。，考虑露台的采光和建筑的整体布局和美
9、观。将露台上方装饰性花架前半部分空出一定面积，保持装饰性花架的原貌，后部约有163 m2安装组件，共安装组件126块，为减少风压及屋顶的美观，方阵倾角为7。功率为：175Wp126=22 050Wp。该布置方案共安装了1SM一175D型高效单晶硅太阳能组件249块，总功率为43 575W。，设计按43kWp配置、计算 323太阳能组件的分组串接 从系统效率考虑，直流电压越高效率就越高，住宅用电电压为220400V。安装组件时原则上要在同一日最低的组件影响导致整体输出严重下降。该方案屋面布置的太阳能电池组件在安装后的光照有两种情况： a平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等的挡光影
10、响；b斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不同方向建筑的一定影响。 为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低，受到不同方向建筑物影响的组件进行分组。将受到相同方向建筑物影响的组件归为一组。并且在系统中采用多组串逆变器(在后面的逆变器中详述)。为了平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器都接入了多组的组件。由多组串逆变器的每路MPPT(最大功率跟踪)电路对每路组件进行最大功率点跟踪，从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。电池组件分组数参见图3所示(电池组件被圈的为一组)。33并网逆变器选择与配置方案331并网逆变器的选择 并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
11、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，并把电力输送给与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，即：尽可能有效地获取因天气变化而变动的太阳能电池方阵输出所需的自动运行和停机功能，以及最大功率跟踪控制功能；保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能 电网或并网逆变器发生异常时，安全脱网或停下逆变器的功能。已进入实用阶段的并网逆变器的回路方式有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式和无变压器方式3种。其中无变压器回路方式因在成本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而被广泛采用。该系统的并网逆变器选用德国艾思玛公
12、司(SMA)生产的Sunny Mini Central系列SMC6000TL型无变压器集中式逆变器和Sunny Boy系列SB50OOTL MultiString无变压器多组串逆变器，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，并具有内置逆变采集器和RS485、RS232通信接口，可方便地获取逆变器的运行参数(直流输入电压和电流、交流输出电压和电流、功率、电网频率等)。其技术参数如表1所示。多组串逆变器采用了每路独立的最大功率跟踪，可以处理不同朝向和不同型号的光电组件，也可以弥补不同连接串中的光电组件数量和部分阴影的影响。因而可以有效地避免屋面安装的组件因
13、阴影引起的功率损失。 332逆变器与电池组件的分组匹配 逆变器与电池组件的分组串接如图4所示。在标准测试条件下逆变器所接入的每路组件数量、输入电压、功率如表2所示。对照表1可知，该方案逆变器与电池组件的配置是合理的，满足要求。34太阳能光伏发电系统负载的选择从严格意义上来讲。并网光伏发电系统是将整个城市电网作为自己的储能单元，因而，光伏系统所带负荷是任意的，不存在选择问题。但由于我国可再生能源法刚刚于2006年1,q 1日实施，可再生能源法的“上网电价法”和“全网平摊”法规尚未实施，这就带来了住宅小区移交物业管理后电费管理上的困难。因而，为了更好地保证上级城市电网的安全，方便管理，太阳能并网光
14、伏系统负载的选择原则应是使屋顶并网光伏系统的发电功率小于所带负载的用电功率，并且尽可能使负载的用电时间与光伏系统的发电时间相匹配。天和家园设置了高压环网站一座，在小区各负荷点设置了7个箱变其中2 箱变为800 kVA，6 箱变l ooO kVA其它均为630 kVA。与光伏系统公共接入点相连的箱变变压器容量为630kVA，主要供小区公用负荷用电。天和家园公用负载主要有：地下车库西区照明灯352kW，地下车库东区照明灯214kW，智能化设备2 kW，以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线与太阳光日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。总负荷功率为586kW，大于光伏系统的峰值功率43kW ，且所安装的光伏系统峰值功率43kW。不到所连4#箱变容量的10，保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。 35防雷设计 351防直击雷措施 直击雷是指直接落到太阳能电池阵列、低压配电线路、电气设备以及在其旁的雷击。防直击雷的基本措施是安装避雷针。由于该光伏系统中的外置设备在整个环境中不是最高建筑物，所以设计为：把所有屋顶电池组件的钢结构与屋顶建筑的防雷网相连，以达防雷击的目的，并符合光伏(PV)发电系统过电压保护一导则(SJT11127)中有关规定。 352防感应雷措施
