太阳能光伏阵列及光伏发电技术

马潇洋,赵旭阳,张婧

摘要：随着社会的进步，人们生活质量的提高，对于清洁能源的使用更为普遍，同时也是未来社会发展的趋势。以光伏发电为研究模型，对实现太阳能的高效利用展开研究，提出了一种高效的光伏阵列，使太阳能发电系统的能源利用率得到了显著的提升。

关键词：太阳能发电；光伏阵列；太阳能光伏发电

       1太阳能光伏发电原理及优势

        1.1太阳能光伏发电原理分析

        太阳能光伏发电技术主要将太阳能辐射光能储存在太阳能电池中，从而储存电能，做到光能与电能的转换。太阳能光伏发电技术是将半导体光伏发电（“光伏效应”）的原理应用其中，在通过太阳能电池将太阳能转化的电能储存，具体的流程为：太阳能电池中有电场的存在，而光能中“光生电子-空穴”的存在，因此使得电子和空穴相互分析，在电池的两侧产生电荷，进行出现电压。

        1.2太阳能光伏发电的优势

        1.2.1高效、节能、清洁

        太阳能光伏发电有着独特的优势，其高效、节能、清洁的特点尤为突出，产生电能过程相对更为简捷、简单，通过太阳能中的光子与电子的转换形成电能，其他发电方式较为复杂，而太阳能光伏发电过程简单，而且在节能环保方面优势更加突出，故而成为现今新型能源中的重要项目。

        1.2.2储备丰富、分布范围广

        太阳能主要依靠的能源来源是太阳，可谓无所不在。使用太阳能的过程对环境基本没有影响，而且能够最大程度的杜绝资源的浪费问题，因此太阳能光伏发电技术的开发与利用都是非常便捷的。太阳能电池组件、直交流逆变器、蓄能蓄电池等组件是太阳能光伏发电系统主要的组成部分。太阳电池组件是太阳能光伏发电过程中最重要的组成部分，其主要承担着将光能转换为电能的重要过程。

        2太阳能光伏发电技术现状

        中国对太阳能能源的开发是比较重视的，在1958年中国就提出要进行太阳能技术的开发，加大在光伏产业上的投入，使太阳能能源日后成为中国重要的能源输出。21世纪以来，中国在太阳能发电技术的研发、运用、生产等方面进步速度很快，具有很大的发展潜能。2000年在中国发改委领导下发布了“光明项目”，这个项目是提倡使用风电技术、光电等其它较为保护环境的技术，为国际边防、偏远地区公、铁路运营和不能使用电的地区有效解决无电问题。2007年中国已经是世界上第二大光伏发电的制造基地了，光伏电池产量已经达到1000MV，但是中国的使用量仅为20MW，累计使用装机量100MW，大约是全球当年使用量的0.5%和累计使用量的0.8%。从2007年8月31号开始，中国发改委出台了《可再生能源发展“十一五”规划》，中国又相继颁布了一系列津补、扶持政策，使得太阳能步入高速研发期。2013年开始国内光伏发电3a新增使用量超过10GW。2015年全球新增光伏装机量53GW，中国新增光伏装机容量15.13GW，占全球新增装机的1/4以上，占中国光伏电池组件年产量的1/3。到2015年年底时，国内使用光伏发电总量为43.18GW，超过排第一名的德国，成为世界上最大的光伏发电使用量及发电量国家。到2015年上半年，国内新使用的光伏装机量更创纪录地突破20GW。按照国家能源局规划，截止2020年中国光伏装机量将要完成150GW，后续每年装机量将在21GW以上。国家能源局设定了示范工程所要包含的先进技术指标、设置建设规范、督查管理运行、完善信息监测等，省一级的能源管理部门要采用具有比拼性的排名机制来选择具备能力较强的企业，企业再筛选出“领跑者”规定指标的产品。“领跑者”计划与工信部《光伏制造行业规范条件》相结合，引导行业从同质化竞争向注重高效产品转变，对促进行业健康发展、加快产业升级步伐起到了引领作用。
3、光伏阵列设计

        3.1光伏组件选型

        太阳电池板是转换能源的核心部件，我国的太阳电池板产业发展成熟，处于国际领先地位，较为成熟的产品有晶体硅太阳电池板、碲化镉太阳电池板和薄膜型太阳电池板几种。其中晶体硅太阳电池板发展最为成熟、状态最为稳定、运行最为可靠，是太阳电池板的最佳组件材料方案。通过选择比较，本系统中的太阳电池板放弃了单晶硅，而选择了多晶硅。因为单晶硅太阳电池板多为圆形，平面利用率低于多晶硅太阳电池板。

        3.2支架模型选择

        在光伏阵列的设计中，支架模型的选择至关重要。一个构造良好的支架可以使太阳电池板获得更多的有效光照时长。现在主要的支架模型有单轴跟踪支架、双轴跟踪支架和固定式支架。其中单轴跟踪支架可以分为倾斜型的单轴跟踪支架和水平型的单轴跟踪支架。

4、系统的电气一次设计

        4.1电气主接线设计

        在该系统中35kV的开关站主要包含两级电压：35kV，0.5kV，0.5kV为低压变电站用电电压，35kV则为太阳电池板发生电能经过逆变器构成的高压电压。

        4.235kV系统

        35kV系统主要包含35kV侧接线和35kV箱式变电站。其中在35kV侧接线规划中接入系统的电压等级为35kV，而且选用单母线衔接的侧接线方式。在35kV的母线上一共安装了6面开关机柜：1面总出线开关机柜、1面无功补偿开关机柜、1面用接地变开关机柜、2面集电线路开关机柜和1面PT机柜。35kV箱式变电站则选用的是双分裂箱式变电站，其输入的电压等级同样为35kV。在本系统中选用20个光伏发电单元组成。

        4.335kV侧无功补偿设计

        为了保证光伏发电系统在并网时区域电压安稳，并且完成无功的就地补偿策略，在35kV母线上设置一套可调理的无功补偿设备。该设备的最终补偿方式、补偿量等内容由接入系统来取得。本系统选用的无功补偿设备能够改善电能质量、降低压降而且能提高功能因数。在35kV母线的一相线上串联两个12kV的电容器以及相应的放电线圈，放电线圈的二次环绕选用两个相同参数的线圈而且衔接成差压电路。当系统出现问题时，因为两组电压不同，会发生跳闸信号关闭主电路，从而实现对线路和电气设备的维护。

总结：

        本系统以普通太阳能发电系统为例，对其进行了光伏阵列的优化设计和电气系统一次设计。通过采用24°角的固定型支架实现了光照强度采集的最大化，提高了系统的电能转化率。通过对系统中的电气一次化设计，提出了一种基于35kV开关站的优化设计，提高了系统的稳定性。经过大量的实验模拟证明，本系统具有一定的市场推广价值。

参考文献：

[1]周志敏.分布式光伏发电系统工程设计与实例[M].北京：中国电力出版社，2017：328-331.

[2]张彦昌，石巍，祝玉章.大型光伏电站集电线路研究[J].电工电气，2017，6：6