一种太阳能光伏发电站的设计方法及系统与流程

本发明属于光伏技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电站的设计方法及系统。

背景技术：

太阳能光伏发电对缓解能源危机和减少环境污染具有重要的意义，具有广阔的应用前景。目前工程实践中设计太阳能光伏发电系统时一般按照工程经验设计或者国外设计软件辅助设计，光伏发电站的设计内容繁多，需要进行多次优化计算和选择，通常采用的计算方法复杂，计算编程费时费力，且一般需要特定的计算软件辅助设计，而我国幅员辽阔，地形复杂，太阳辐射资源多变，依照工程经验或国外设计软件进行光伏电站设计效果并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太阳能光伏发电站的设计方法及系统，旨在解决现有技术的不足。

本发明是这样实现的，一种太阳能光伏发电站的设计方法，该方法包括以下步骤：

s1、分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计；

s2、根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算；

s3、根据步骤s1和步骤s2的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算；

s4、根据步骤s3所得的光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站电缆设计、阵列排布与场地平面设计。

优选地，在步骤s4之后还包括步骤：

s5、根据电站系统效率各因素，对光伏发电系统参数进行计算预估，所述参数包括合计损耗、综合效率、年发电量及co2减排量。

本发明公开了一种太阳能光伏发电站的设计系统，该系统包括：

倾角优化模块，用于分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计；

串并联数优化模块，用于根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算；

阵列排布优化模块，用于根据倾角优化模块和串并联数优化模块的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算；

电缆布设优化模块，用于根据阵列排布优化模块所得的光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站电缆设计、阵列排布与场地平面设计。

优选地，该系统还包括：参数预估模块，用于根据电站系统效率各因素，对光伏发电系统参数进行计算预估，所述参数包括合计损耗、综合效率、年发电量及co2减排量。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)相比常用的光伏电站设计方法，本发明方法计算更为直观便捷，不需要进行多次优化计算和选择，在设计太阳能光伏电站时能够显著减低计算量，提高工作效率，明显减小设计计算错误的概率；

(2)本发明系统基于excel软件运行，计算操作简单，成本低廉，简单易学，易于推广；

(3)本发明的光伏电站设计方法及系统所涉及的相关技术、参数及方法是针对国内实际情况设计的，在国内光伏电站设计时具有更高的准确性、更广的适用范围、更强的实用性。

附图说明

图1是本发明太阳能光伏发电站的设计方法一实施例的步骤流程图；

图2是本发明实施例中光伏阵列排布角度示意图；

图3是本发明太阳能光伏发电站的设计方法又一实施例的步骤流程图；

图4是本发明实施例中太阳能辐射计算和发电量估算结果；

图5是本发明实施例中光伏组件串联数计算结果；

图6是本发明实施例中光伏方阵的最小间距计算结果；

图7是本发明实施例中电缆截面积选型结果；

图8是本发明实施例中阵列组件排列示意图；

图9是本发明实施例中1mw光伏单元平面排布图；

图10本发明实施例中光伏发电系统效率评估结果；

图11是本发明太阳能光伏发电站的设计系统一实施例的结构示意图；

图12是本发明太阳能光伏发电站的设计系统又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种太阳能光伏发电站的设计方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

s1、分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计；

s2、根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算；

s3、根据步骤s1和步骤s2的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算；

s4、根据步骤s3所得的光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站电缆设计、阵列排布与场地平面设计。

如步骤s1所述，分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计。

(1)太阳能辐射资源评估，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算

发电站所在地的太阳能资源的分析具体为太阳能辐射资源评估，取光伏电站建设地区或临近地区的10～20年的太阳能辐射资源数据，逐月计算水平面和倾斜面辐射量，太阳能辐射水平面－倾斜面转换如下所示：

式(1)中，

it：倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量；

ib：水平面上太阳直接辐射量；

id：散射辐射量；

α：中午时分的太阳高度角；

β：光伏阵列倾角；

δ：太阳赤纬角；

ω：太阳时角；

γ：朝向角；

当地地理纬度；

此外，式(1)中，

当中午时分，朝正南时，水平面上的高度角计算取值：β＝0、ω＝0、γ＝0，因此：

(2)光伏组件倾角进行优化设计

在本发明实施例中，通常要获得全年最大发电量，应将光电板倾角设计成与当地地理纬度角相等。倾角＝地理纬度+15°时，可在冬季获更大发电量。倾角＝地理纬度-15°时，可在夏季获更大发电量。本发明中，最佳倾角可基于倾斜面总辐射最大值，并结合当地地理纬度角进行最优调节设定。

如步骤s2所述，根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算。

在本发明实施例中，光伏组件和逆变器技术指标优化设计具体包括：

(1)选择光伏组价类型时应尽可能选择性能稳定可靠的优质产品、确保25年的发电寿命；应选择较大尺寸和输出功率的组件，有利于节省支架和施工工作量。

(2)选择逆变器类型时一般在集中式逆变器、组串式逆变器和组件式逆变器中选择，应选择质量可靠，效率高，工作范围宽，输出杂波小，保护、显示功能齐全的逆变器。

(3)光伏组件串并联数计算与优化设计，组件的串联电路中，要求同一个组件串中每块组件的工作电流要尽可能相同；在并联电路中，要求每个组件串的电压要相同。

在本发明实施例中，光伏组件串并联数的设计计算公式如下所示：

(1)最多串联数(极限耐压)

(2)正常工作最多串联组件数

(3)启动必须的最少组件串接数

上述式(4)～(6)中：

voc：光伏组件的开路电压(v)；

vpm：光伏组件的工作电压(v)；

kv：光伏组件的开路电压温度系数；

kv'：光伏组件的工作电压温度系数；

t：光伏组件工作条件下的极限低温(℃)；

t’：光伏组件工作条件下的极限高温(℃)；

vdcmax：逆变器允许的最大直流输入电压(v)；

vmpptmax：逆变器mppt电压最大值(v)；

vmpptmin：逆变器mppt电压最小值(v)。

如步骤s3所述，根据步骤s1和步骤s2的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算。

在本发明实施例中，光伏阵列排布如图2所示，光伏阵列排布进行优化计算公式如下：

式(7)中：

d：光伏阵列的占地距离；

l：光伏组件的宽度；

h：光伏阵列高度；

纬度(°)；

δ：赤纬角(°，冬至时取值-23.5°)；

β：倾角(°)；

ω：时角，15°/h(9:00am为-45°，3:00pm为+45°)；

α：太阳高度角(°)；

γ：朝向角(°)，东负西正，正南朝向时取值为零。

如步骤s4所述，根据光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站场地平面设计和场地电缆设计。

在本发明实施例中，由于光伏发电场地较大，输电电流较大，线路较长，因此在电缆设计时不仅要考虑电缆的安全承载电流，还要根据电缆长度计算电缆压降导致的线路损耗。要选择足够截面积的导线，同时尽量缩短线路长度以免线路损耗过大。其中，导线电阻计算式如下所示：

式(8)中：

ρ：电阻率，ω·m；

s：横截面积，m²；

r：电阻值，ω；

l：导线的长度，m；

对于输电线材，一般为铜或铝质，电阻率(ω·m)数值选用如下：

(a)铜：1.75×10^-8；

(b)铝：2.83×10^-9。

在以上公开的太阳能光伏发电站的设计方法之外，本发明太阳能光伏发电站的设计方法，如图3所示，在步骤s4之后还包括步骤：

s5、根据电站系统效率各因素，对光伏发电系统参数进行计算预估，所述参数包括合计损耗、综合效率、年发电量及co2减排量。

在步骤s5中，基于前述光伏电站设计方案，在考虑光伏串并联配接误差、逆变器效率、站内直流端电缆损耗、升压变压器效率、粉尘影响、温度影响、遮阴影响、效率递减影响等因素的基础上，计算确定光伏发电系统合计损耗、综合效率，并计算每mw电站年发电量和co2减排量。

本发明最为重要的创新之处在于，利用本发明的设计方法，光伏电站设计技术方案可通过microsoftoffice系统中的excel软件编制实现，简便直观，便于使用。

在本发明的实际应用过程中，采用上述实施例中公开的计算方法并结合实例进行软件编制后，选取位于39°n、电站设计总容量为1mw的光伏电站案例进行具体演示，如图4～10所示。

电站位于39°n，经太阳能辐射计算和倾角优化后得到光伏阵列倾角为36°，如图4所示。

根据本案例设计要求选用标称功率为235w的多晶硅太阳能电池，选用最大直流输入电压为1000v的逆变器，对所述光伏组件串并联数进行优化计算，得到光伏组件串接数为21块/串，计算并接数为202.6串，如图5所示。

根据当地维度(39°n)、光伏阵列倾角(36°)、光伏组件类型(1.6×1m²)计算得到光伏组件方阵的阵列宽为1.62m，阵列最小间距2.88m，光伏阵列最小占地面积为15932.6m²，如图6所示。

根据光伏阵列技术指标、逆变器技术指标计算确定电缆电阻为0.70ω，电压降为56.0v，相对线路损耗为9.3％，如图7所示。

根据组件串接数、光伏组件阵列方阵的最小间距和光伏阵列占地面积计算确定光伏组件阵列排列方案，如图8所示。

根据光伏组件阵列排列方案，并考虑电站场内道路、阵列间隔走道、外围间隔等指标，以1mw单元为例确定光伏电站平面排布图、具体实施方案和总占地面积，如图9所示。

基于光伏串并联配接误差、逆变器效率、站内直流端电缆损耗、升压变压器效率、粉尘影响、温度影响、遮阴影响、效率递减影响等因素，计算确定光伏发电系统合计损耗为28.0％，综合效率为72.0％，1mw电站年发电量为14524.3万度，co2减排量为144807.3314吨，如图10所示。

本发明进一步公开了一种太阳能光伏发电站的设计系统，如图11所示，该方法包括以下步骤：

倾角优化模块1，用于分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计；

串并联数优化模块2，用于根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算；

阵列排布优化模块3，用于根据倾角优化模块1和串并联数优化模块2的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算；

电缆布设优化模块4，用于根据阵列排布优化模块3所得的光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站电缆设计、阵列排布与场地平面设计。

如倾角优化模块1所述，分析发电站所在地的太阳能资源，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算并对光伏组件倾角进行优化设计。

(1)太阳能辐射资源评估，进行逐月水平面—倾斜面辐射量转换计算

发电站所在地的太阳能资源的分析具体为太阳能辐射资源评估，取光伏电站建设地区或临近地区的10～20年的太阳能辐射资源数据，逐月计算水平面和倾斜面辐射量，太阳能辐射水平面－倾斜面转换如下所示：

式(1)中，

it：倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量；

ib：水平面上太阳直接辐射量；

id：散射辐射量；

α：中午时分的太阳高度角；

β：光伏阵列倾角；

δ：太阳赤纬角；

ω：太阳时角；

γ：朝向角；

当地地理纬度；

此外，式(1)中，

当中午时分，朝正南时，水平面上的高度角计算取值：β＝0、ω＝0、γ＝0，因此：

(2)光伏组件倾角进行优化设计

在本发明实施例中，通常要获得全年最大发电量，应将光电板倾角设计成与当地地理纬度角相等。倾角＝地理纬度+15°时，可在冬季获更大发电量。倾角＝地理纬度-15°时，可在夏季获更大发电量。本发明中，最佳倾角可基于倾斜面总辐射最大值，并结合当地地理纬度角进行最优调节设定。

如串并联数优化模块2所述，根据设计要求确定光伏组件和逆变器技术指标，并对所述光伏组件串并联数进行优化计算。

在本发明实施例中，光伏组件和逆变器技术指标优化设计具体包括：

(1)选择光伏组价类型时应尽可能选择性能稳定可靠的优质产品、确保25年的发电寿命；应选择较大尺寸和输出功率的组件，有利于节省支架和施工工作量；

(2)选择逆变器类型时一般在集中式逆变器、组串式逆变器和组件式逆变器中选择，应选择质量可靠，效率高，工作范围宽，输出杂波小，保护、显示功能齐全的逆变器；

(3)光伏组件串并联数计算与优化设计，组件的串联电路中，要求同一个组件串中每块组件的工作电流要尽可能相同；在并联电路中，要求每个组件串的电压要相同。

在本发明实施例中，光伏组件串并联数的设计计算公式如下所示：

(1)最多串联数(极限耐压)

(2)正常工作最多串联组件数

(3)启动必须的最少组件串接数

上述式(4)～(6)中：

voc：光伏组件的开路电压(v)；

vpm：光伏组件的工作电压(v)；

kv：光伏组件的开路电压温度系数；

kv'：光伏组件的工作电压温度系数；

t：光伏组件工作条件下的极限低温(℃)；

t’：光伏组件工作条件下的极限高温(℃)；

vdcmax：逆变器允许的最大直流输入电压(v)；

vmpptmax：逆变器mppt电压最大值(v)；

vmpptmin：逆变器mppt电压最小值(v)。

如阵列排布优化模块3所述，根据倾角优化模块1和串并联数优化模块2的设计、计算结果确定光伏组件排布，并对光伏阵列排布进行优化计算。

在本发明实施例中，光伏阵列排布如图2所示，光伏阵列排布进行优化计算公式如下：

式(7)中：

d：光伏阵列的占地距离；

l：光伏组件的宽度；

h：光伏阵列高度；

纬度(°)；

δ：赤纬角(°，冬至时取值-23.5°)；

β：倾角(°)；

ω：时角，15°/h(9:00am为-45°，3:00pm为+45°)；

α：太阳高度角(°)；

γ：朝向角(°)，东负西正，正南朝向时取值为零。

如电缆布设优化模块4所述，根据光伏阵列排布优化计算结果进行光伏发电站场地平面设计和场地电缆设计。

在本发明实施例中，由于光伏发电场地较大，输电电流较大，线路较长，因此在电缆设计时不仅要考虑电缆的安全承载电流，还要根据电缆长度计算电缆压降导致的线路损耗。要选择足够截面积的导线，同时尽量缩短线路长度以免线路损耗过大。其中，导线电阻计算式如下所示：

式(8)中：

ρ：电阻率，ω·m；

s：横截面积，m²；

r：电阻值，ω；

l：导线的长度，m；

对于输电线材，一般为铜或铝质，电阻率(ω·m)数值选用如下：

(a)铜：1.75×10^-8；

(b)铝：2.83×10^-9。

在以上公开的太阳能光伏发电站的设计系统之外，本发明太阳能光伏发电站的设计系统，如图12所示，该系统还包括：

参数预估模块5，用于根据电站系统效率各因素，对光伏发电系统参数进行计算预估，所述参数包括合计损耗、综合效率、年发电量及co2减排量。

在参数预估模块5中，基于前述光伏电站设计方案，在考虑光伏串并联配接误差、逆变器效率、站内直流端电缆损耗、升压变压器效率、粉尘影响、温度影响、遮阴影响、效率递减影响等因素的基础上，计算确定光伏发电系统合计损耗、综合效率，并计算每mw电站年发电量和co2减排量。

本发明最为重要的创新之处在于，利用本发明的设计方法，光伏电站设计技术方案可通过microsoftoffice系统中的excel软件编制实现，简便直观，便于使用。

在本发明的实际应用过程中，采用上述实施例中公开的计算方法并结合实例进行软件编制后，选取位于39°n、电站设计总容量为1mw的光伏电站案例进行具体演示，如图4～10所示。

电站位于39°n，经太阳能辐射计算和倾角优化后得到光伏阵列倾角为36°，如图4所示。

根据本案例设计要求选用标称功率为235w的多晶硅太阳能电池，选用最大直流输入电压为1000v的逆变器，对所述光伏组件串并联数进行优化计算，得到光伏组件串接数为21块/每串，计算并接数为202.6串，如图5所示。

根据当地维度(39°n)、光伏阵列倾角(36°)、光伏组件类型(1.6×1m²)计算得到光伏组件方阵的阵列宽为1.62m，阵列最小间距2.88m，光伏阵列最小占地面积为15932.6m²，如图6所示。

根据光伏阵列技术指标、逆变器技术指标计算确定电缆电阻为0.70ω，电压降为56.0v，相对线路损耗为9.3％，如图7所示。

根据组件串接数、光伏组件阵列方阵的最小间距和光伏阵列占地面积计算确定光伏组件阵列排列方案，如图8所示。

根据光伏组件阵列排列方案，并考虑电站场内道路、阵列间隔走道、外围间隔等指标，以1mw单元为例确定光伏电站平面排布图、具体实施方案和总占地面积，如图9所示。

基于光伏串并联配接误差、逆变器效率、站内直流端电缆损耗、升压变压器效率、粉尘影响、温度影响、遮阴影响、效率递减影响等因素，计算确定光伏发电系统合计损耗为28.0％，综合效率为72.0％，1mw电站年发电量为14524.3万度，co2减排量为144807.3314吨，如图10所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。