第四单元太阳能光伏系统安装设计基础教学目标1.掌握太阳能光伏发电系统概念设计中的发电量的计算步骤、计算公式、参数的选择。

2.了解住宅用太阳能光伏发电系统的设计、从设计到施工的流程、设计和施工的注意点、事前调查的项目和内容。

掌握太阳能电池阵列在安装设计中对屋顶的形状、方位及倾斜角、太阳能电池的配置、阵列安装方式选择的内容。

3.理解地面或平屋顶用太阳能光伏发电系统的设计条件的调查、选择。

太阳能光伏发电系统在各种场所都可以安装，但必须根据安装地点进行设计。

在设计前，应估算太阳能光伏电池的发电量，在此基础上进行具体的系统设计、安装可能性判断、施工中的问题检查等。

这里，首先用实例介绍太阳能光伏发电系统的发电量计算方法，其次介绍在住宅屋顶上安装太阳能光伏发电系统的各种方法，然后介绍在平地和屋顶上安装太阳能光伏发电系统时的支架设计方法以及基础部分的设计方法，最后对太阳能光伏发电系统的电气设计实例加以介绍。

课题一太阳能光伏发电系统的概念设计知识要点：1.发电量的计算步骤2.太阳能光伏电池容量和负载消耗电量之间的关系式3.PV系统发电光伏发电系统是将太阳能转化为电能的设备，在设计时要根据用户的用电量来设计系统的大小。

太阳能光伏发电与系统的哪些参数有关？这些参数是如何确定的？发电量的计算步骤作为独立电源用的太阳能光伏发电系统（PV系统）的设计，以所需电量（负载消耗的电量）计算出太阳能电池容量作为标准（图4-1）。

但是，在并网系统，发电量和所使用的电量之间没有相互制约关系，而是由安装场地的面积决定系统的容量。

所以，首先必须估计出太阳能电池安装场地的面积，然后计算出太阳能电池的容量，在此基础上进行系统的整体设计。

下面先介绍标准的设计方法，再结合具体实例介绍计算方法。

图4-1 太阳能光伏发电系统的设计步骤太阳能电池容量和负载消耗电量之间的关系可用下式计算：（ 4-1）PAS——标准状态（AM1.5日照强度为1000 W/㎡，太阳能电池单元温度为25℃）下太阳能电池阵列的输出功率为（kW）HA——某一时期电池阵列所得到的日照量[kW·h/㎡·期间]；GS——标准状态下的日照强度（kW/㎡）；EL——某一时期的负载消耗电量（所需电量，kW·h/期间）；D——负载对太阳能光伏发电系统的依存率=1-（备用电源电力的依存率）；R——设计冗余系数（推算的日照量等受安装环境影响的补正）；K——综合设计系数（对太阳能电池组件输出偏差的补正，包括线路损坏及设备损失等）。

式（4-1）中的综合设计系数K分为各种系数，这里仅对直流补正系数Kd，温度补正系数Kt 及逆变器效率ηINV进行介绍：直流补正系数Kd含有因太阳能电池表面的污渍、太阳的日照强度变化引起的损失的补正，以及太阳能性能变差引起的补正，Kd 的值大约在0.8左右；温度补正系数Kt是太阳能电池因收到日照其温度上升导致变换效率发生变化引起的补正系数，它的值约为0.85；逆变器效率ηINV是指太阳能电池产生的直流电变换为交流电的逆变器效率，通常为0.9左右。

以上是关于PV系统发电量的设计理论，要想深入了解，可参考黑川浩助、岩松清司编写的《太阳能光伏发电系统设计参考手册》（欧姆社，1995年）。

阅读材料设计小案例这里以30W的负载（12V直流供电）、当地的日照3h、每天工作8h、连续工作3天来计算。

蓄电池电流=30/12=2.5A。

每天工作8h，连续工作3天，即2.5×8×（3+1）=80A〃h。

蓄电池的放电深度及线路等损失，按30%来计算，即实际需要蓄电池的容量=80/70%=115A〃h。

太阳能电池组件WP=2.5×8/3×17.6=117，约等于120，还要考虑其他因素，故选择85W的太阳能电池组件2块，太阳能电池每天能产生约30 A〃h的电能，即满足负载每天用20 A〃h的要求，将整体蓄电池充满约3.5天左右。

在住宅等处太阳能电池阵列的安装面积有限，因此可以从安装面积算出太阳能电池的容量，再使用上式可以计算出期望的发电量。

在式（4-1）中把消费电量EL用1天的期望发电量Ep（kW·h/d）代替，并设标准状态下的日照强度GS为1kW/㎡，依存率D和设计冗余系数R皆为1，则式（4-1）变为下式：E p = HA×K×PAS(kW·h/d) (4-2)式中，若已知安装场地的日照量HA ,标准太阳能电池阵列的输出功率PAS，以及综合综合设计因数K，就可以计算出期望发电量。

下面就太阳能电池阵列的变换效率进行介绍。

标准状态下的太阳能电池阵列的变换效率η可将式（4-1）变换成（4-3），这里的A代表太阳能电池阵列的面积。

（4-3）太阳能电池单元和太阳能电池组件的变换效率同样可用式（4-3）计算，但研究时应区别对待，一般这些变换效率之间有以下关系：η太阳能电池单元＞η太阳能电池组件＞η太阳能电池阵列。

课题二住宅用太阳能光伏发电系统的设计知识要点1.设计施工流程2.设计步骤3.阵列安装方式的选择4.设计及施工的注意事项光伏发电系统在各种场合都可以安装，但必须进行提前设计，应根据需要制定各种不同的系统。

你知道在普通居民住宅上安装太阳能光伏发电系统时应如何进行设计吗？一般住宅安装太阳能光伏发电系统，多数是在屋顶上安装太阳能电池。

这里介绍在住宅的屋顶上安装太阳能电池阵列时的设计及施工注意事项。

一、设计到施工流程首先要仔细听取用户的要求，其次对安装环境和住宅的结构等进行充分的考察，在此基础上进行设计。

设计与施工单位和住宅建设单位在设计等方面最终达成一致意见后，要取得用户的认可（签订合同）。

施工时应按照施工图实施，但是新建的房屋与住宅建设工程的进程应边协调边完成太阳能光伏发电系统的安装为好。

还有，应留有充裕的时间办理各种手续，这也是很重要的。

从设计到施工的标准程序如图4-2所示。

二、事前调查（现场调查）住宅屋顶的形状、材料及工艺多种多样，且这些因素对住宅的设计、耐久性影响很大。

因而，凡在住宅的屋顶上安装太阳能电池阵列，不管房屋是新建的还是已建的，在计划的初期阶段应对安装条件进行仔细的调查研究。

现场调查时，安装施工单位要了解的事项见表4-1，并邀请该房屋的建设单位结合建筑图纸一起讨论。

图4-2 设计到施工的标准程序（一）设计步骤住宅用太阳能光伏发电系统的设计步骤如图4-3所示。

对于系统设计，首先以事前调查为基础，根据住宅屋顶状况进行太阳能电池阵列的电池组件，计算出电池阵列的发电量；最后，根据电池阵列的发电量选择合适的功率调节器和其他配套装置。

下面对太阳能电池组件、功率调节器及其他设备的选择请参考相关课题，发电量的计算参照本单元课题一。

图4-3 设计步骤（二）太阳能电池阵列的安装设计1.屋顶的形状、方位及倾斜角。

住宅的屋顶形状有山墙屋顶、四坡屋顶和平顶屋等多种，图4-4所示为各种屋顶形状示意图。

屋顶的方位（安装的方位）以正南方向为最理想，实际上也有偏东西方向的安装场合。

正南（方位角0°）方向的日照量的差别会对太阳能电池的倾斜角产生影响；东南和西南方向（方位角45°）的场合发电量降低10%；正东方向与东西方向相比，一般正东方向得到的日照量多。

对于屋顶的倾斜角，浙江省房屋的屋顶倾斜角一般为15°～45°，这在太阳能电池阵列的最佳倾斜度（年累计日照量最大的倾斜角通常比安装场所的纬度稍微小一点）的15°范围内，用这种范围的倾斜角得到的年累计日照量与最佳值最多相差10%以下。

（a ）（b ）（c ）（d ）（e ）（f ）（g ）（h ）图4-4各种屋顶形状示意图方位、倾斜角对于安装场所来说都存在一个最佳值的问题。

但是，在屋顶上具体安装太阳能电池，按照设计方位、倾斜角安装支架，不仅增加支架的成本和重量、增加对屋顶的负担，同时也增大设计难度。

综合考虑这些因素，采取与屋顶平行安装的屋顶条件。

2.太阳能电池的配置。

根据屋顶形状，并考虑必要的发电量和周围环境，确定太阳能电池组件的配置，如图4-5所示。

在确定配置方案之前，为了与功率调节器的输入电压相匹配，应事先确定组件串联个数。

配置时要事先考虑后续的电气设备及线路安装方便且出错少，还要便于维修保养。

图4-5 太阳能电池组件的配置3.阵列安装方式的选择。

首先确定太阳能电池的安装场所，其次选择太阳能电池组件的固定方式。

在屋顶上安装太阳能电池的方式见表4-2，大体分为屋顶直接放置型和屋顶建材型两种。

屋顶上，先支上支架，后安装太阳能电池组件的方式。

（2）屋顶建材型。

屋顶建材型分为一般屋顶材料（金属板等）和太阳能电池组件组合的一体化类型（太阳能电池组件一体型屋顶材料），以及原来的屋顶材料不使用，将太阳能电池组件本省具有屋顶材料功能作为屋顶材料的类型（屋顶材料型太阳能电池组件）。

选择哪一种方式应根据用户的要求、屋顶的形状等决定。

阅读材料中国光伏行业发展历程根据嘉肯咨询了解：我国光伏工业在20世纪80年代以前尚处于起步阶段，太阳能电池的年产量一直徘徊在10kW以下，价格也相当昂贵，主要用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站等。

在"六五"和"七五"期间，国家开始对光伏工业给予支持，光伏应用也扩大到微波中继站、部队通信系统以及农村载波电话系统等。

20世纪80年代末，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使我国太阳能电池生产能力一下子提升到6个厂的45MW，这种产能一直持续到2002年。

随着世界性能源危机的到来和太阳能电池转换效率及技术的不断提高，太阳能电池应用领域不断扩大，尤其是德国、日本"10万屋顶光伏计划"的实施及欧美《可再生能源法》的相继生效，给太阳能电池产业的发展提供了前所未有的发展机遇。

2002年，原国家计委启动了"西部省区无电乡通电计划"，该计划通过光伏和小型风力发电解决西部七省区780个无电乡的用电问题，这一项目大大刺激了光伏工业的发展。

与此同时，欧、美、日、澳等西方国家相继启动实施的光伏计划及新的再生能源法，使这一市场开始急剧放大，应用面也日益扩展，如庭院灯、支线路灯、光伏屋顶、中继站、边远哨所以及并网发电等等。

近5年的年平均增长率为37%。

光伏系统的组成光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器，逆变器和交流配电柜等设备组成。

其各部分设备的作用是：1.太阳能电池方阵：太阳能电池方阵是光伏发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。