1、固定式并网光伏发电系统的优化设计与发电性能的评估摘 要在我国，大多数的光伏应用在于并网光伏电站，包括地面电站型与光伏建筑一体化型。而在并网光伏电站设计中，光伏阵列最佳倾角的计算尤为重要，它关系到光伏组件能否最大限度的吸收到太阳光能，转化为电能。本文收集了我国527 个大中城市水平面上的太阳辐射资料，在总结国外科研工作者提出的关于最佳倾角的不同计算方法的基础上，根据 Klein 提出并经 Bushnell 修正的数学模型，应用 Matlab 开发出适用于 Windows 操作系统的计算程序。程序可以通过调用气象资料，计算固定式并网光伏发电系统全年最佳倾角、不同城市的任意方位角与倾角倾斜面上的太阳
2、辐射量、拟合不同方位角与最佳倾角的关系曲线，同时具有可视化用户操作界面，方便简单。随着光伏技术的不断进步，光伏组件的寿命也在增加，组件的质保期越来越长。然而，由于光伏系统在国内应用的历史时间不长，对于太阳电池组件的使用寿命的讨论大多仅限于实验室内的加速老化试验，而真正意义上的验证则少有报导。本文在分析并网光伏发电系统的优化设计的基础上，把 144 块已经正常运行了 23 年的多晶硅光伏组件进行重新利用，设计搭建了 5.886kWp 的并网光伏发电系统，并对该光伏系统进行了技术评估与经济分析，为探讨光伏组件真正使用期限与并网光伏发电项目的合理投资提供重要的参考依据。系统正常运行九个半月，共发电
3、5065.95kWh，系统转换效率为 79.78%，逆变器平均效率为 89.31%，光伏阵列的效率高达 89.33%，表现出很好的发电性能。最后，文章对六个并网光伏发电系统进行了分析比较，探讨不同光伏组件的I性能与发电效果。关键词：固定式并网光伏发电系统，优化设计，发电性能评估IIAbstractIn our country, most of the photovoltaic application is grid-connected PV system, including terrestrial PV power plant and building-integrated PV power
4、 station. In the design of grid-connected PV system, the calculation of the optimum tilt angle is particularly important, which involves whether the PV modules could maximize the absorption of solar energy, and change it into electricity. In this paper, the solar radiation data on a horizontal surfa
5、ce of 527 large and medium cities in China is collected. Based on the summary of different calculation methods made by many foreign researchers, a computer program is developed which could be applied in Windows operating systems, according to the mathematical model proposed by Klein, and amended by
6、Bushnell. By calling back the solar radiation, the program can calculate the optimum tilt angle of the fixed grid-connected PV system, the whole year solar radiation on tilted surface whose azimuth angle and tilt angle is various, and fit the curve of different azimuth angle and optimum tilt angle.
7、With a visual interface, the program is convenient and simple. The results show that, the program has certain practical value, as the basis for PV system design can be widely applied in practical engineering.With the continuous advancement of photovoltaic technology, the life of PV modules is also i
8、ncreasing, and the warranty of them is longer and longer. However, since the application of PV systems does not have a long historical time in our country, the discussion of PV modules life is limited to laboratory accelerated aging test, while the real validation is rarely reported. Based on the an
9、alysis of grid-connected PV power generation system optimal design，144 poly-silicon PV modules which had been used for 23 years were utilized in a 5.886 kWp grid-connected PV powerIIIgeneration system. In this paper, the technical and economic is discussed, which provides important reference for pro
10、bing into the real service life of the PV modules and investing in Grid-connected PV power system reasonably. The total generated energy of the system reaches 5065.95kWh in nine and a half months, and the synthetical efficiency is 79.78%, the average efficiency of the inverters is 89.31%, the effici
11、ency of the PV array is 89.33%,showing a good performance of the long term modules consisting grid-connected system was built.Finally, six grid-connected PV systems are analyzed and compared in the article, and the performance of different kinds of PV modules is discussed.Key Words: fixed grid-conne
12、cted photovoltaic power generation system、Optimal design、 performance evaluationIV目 录摘 要 IAbstractIII目 录 V第 1 章 绪论 .11.1 世界光伏发展概况 .11.2 我国光伏发展概况 .41.3 硕士论文的主要工作 .8第 2 章 固定式并网光伏发电系统的设计 102.1 固定式并网光伏发电系统的原理与构成 . 112.2 固定式并网光伏发电系统的设计 122.3 小结 15第 3 章 固定式光伏组件安装倾角的设计 163.1 倾斜面上太阳辐射量计算模型 173.2 固定式并网光伏发电系统
13、的最佳倾角计算 213.3 小结 34第 4 章 旧组件并网光伏发电系统的设计安装、技术评估与经济分析 364.1 组件概况 364.2 并网光伏发电系统的设计安装 414.3 并网光伏发电系统发电性能评估 484.4 小结 61第 5 章 不同光伏组件并网系统发电性能研究 625.1 组件与系统基本情况介绍 625.2 不同光伏组件并网系统发电量的分析 655.3 小结 70第 6 章 总结与展望 716.1 工作成果 .716.2 进一步研究工作的建议 .73参考文献 .75攻读硕士学位期间发表的论文 .77附录 1：我国各省已建或在建的地面电站具体情况 78附录 2：各大城市不同方位角、
14、倾角倾斜面上的日均太阳辐射量 88附录 3：各大城市不同方位角所对应的最佳倾角 .101致 谢 104V第 1 章 绪论自从 1839 年法国科学家贝克勒尔发现“光伏效应”以来，太阳电池已经有170 多年的发展历史1。如今，光伏发电技术已经发展为一个学科，并伴随产生了一个庞大而完整的产业链。多年来，人们一直致力于研究如何提高太阳电池的效率与降低太阳电池的制造成本，这两个问题制约着光伏的发展与商业应用。1.1 世界光伏发展概况近年来，人们对化石能源的利用与大气环境的温室效应有了更为深刻的认识：传统的化石能源应该作为战略储备物资，因为它也有枯竭的一天。人们努力的发展新能源技术，以代替传统能源发电，
15、再加上日本 2011 年 3 月 11 日核泄漏事件发生后，人们更清楚的意识到开发利用清洁可再生能源迫在眉睫。在过去十几年，尤其是在近几年里，世界光伏产业一直保持高速的发展。 图 1-1 为 1996年-2010 年世界光伏市场的装机规模。图 1- 1 1996 年-2010 年全球太阳能光伏行业年新增装机容及累计装机量规模数据来源：欧洲光伏工业协会（EPIA）、SEMI1从图中可以看出，2005 年-2010 年以来，世界光伏装机容量增长的势头越来越猛，除了 2008 与 2009 年间，由于金融危机的影响，光伏的发展受到牵连外，其余时间都保持着较高的增长率，2010 年新增装机容量更是高达
16、 16GW（不同的行业协会与研究机构发布的 2010 年全球光伏产业相关运行数据不同，IMS Research 为 17.5GW，Solar buzz 为 18.2GW，虽然存在差额，但总体来看，2010 年全球光伏市场确是翻倍增长），世界装机容量近乎达到 40GW。图 1-2 为 2008、2009、2010 年各国光伏系统安装容量规模。图 1- 2 2008-2010 年全球各国光伏系统安装容量数据来源：2008 年数据来源于 Solar buzz，数据不包括除德、意、日、美、韩、中、西等国以外的 480MW；2009 与 2010 年数据为 Solar zoom 整理从图 1-2 可以看
17、出，德国一直保持着强劲的发展势头，其余国家也稳步增长，意大利则在 2010 年时安装容量剧增。根据 Solar buzz 介绍，2010 年，排名前五位的德国、意大利、美国、日本、捷克，它们的系统安装容量占全球总需求的80%，而整个欧洲市场占全球的 81%。光伏产业能够得到如此迅速的发展，得益于市场的需求与政策激励。从 1990年开始，各国就陆续制定屋顶计划，通过立法、银行贷款、安装补贴制度和上网电价补贴制度（Feed In Tariff：FIT）等形式，来促进本国光伏产品的大规模应用。而这些激励政策，除了让光伏应用迅速普及以外，更成就了一批强大的光伏企业，如德国的 Q-Cells、日本的夏普
18、、江苏无锡的尚德、江西新余的赛维 LDK等。到如今，各国的光伏政策依然左右着全球光伏产业的发展。1）德国：22010 年 7 月，由于政策刺激使得光伏市场占据占据全球市场大半江山的德国通过了可再生能源法光伏发电上网补贴修订案，修正案整体减少了对光伏发电设施的补贴额度，平均下降了十几个百分点。其补贴逐渐递减的政策，清晰地传达了德国政府逐步放手，试探并鼓励光伏产业降低成本、自主发展的意图2。德国是我国光伏产品的主要出口国，削减光伏发电设施补贴曾引起国内企业的恐慌，但是，对于我国一些优秀企业来讲，由于生产成本相对较低，更能承受削减补贴所带来的冲击，能够实现真正的优胜劣汰，促进光伏行业的良性发展。2）
19、西班牙：西班牙 2008 年光伏系统安装容量剧增为世界之首，高达 2.46GW，那是因为市场受到 2008 年 9 月 29 日首轮光伏补贴政策到期的影响。为了控制装机规模， 2008 年 9 月 23 日，西班牙政府宣布 2009 年补贴规模仅为 500MW，因此 2009 年出现了严重的负增长3。2010 年 4 月，西班牙某位官员表示，政府对待建与已建成的发电设施都将降低补贴。3）意大利、捷克：为了抑制本国光伏的过热发展，意大利政府与捷克政府于 2011 年 4 月份颁布了相应的削减补贴措施，因为它们前期的政策使得有些太阳能电站的投资回收期仅为 3 年，而带来了“光伏产业过热”的负面效应
20、。4）美国：美国作为全球第三大太阳能光伏市场，它的经验值得人们去学习借鉴。绝大多数国家的光伏市场集中在某个特定的领域，而 2010 年以来，由于政策的激励，非住宅光伏市场（包括商业项目、公共事业项目、非盈利项目）与住宅光伏市场都得到了迅速发展，以促进了美国光伏市场的稳步增长。国家的政策激励只为一时，并非长久之策，面对多国的削减补贴政策，各国光伏企业必须提高自身竞争能力，努力提高太阳电池效率，降低电池成本，使光伏发电成本能真正与传统火力发电成本相竞争，才能实现全球光伏产业的良性循环。31.2 我国光伏发展概况我国的光伏产业于上世纪 70 年代起步，但一直以来发展较为缓慢，直到 2000 年开始率
21、先在内蒙实施的 “光明工程”与 2002 年启动的“送电到乡”工程，才真正开启了我国的光伏发展事业。在欧洲光伏市场的拉动下，我国的光伏产业在 2004 年之后得到了快速的发展，连续 5 年年增长率超过 100%，2007 年至今，已经连续 4 年太阳电池产量居世界首位，2010 年，我国的太阳电池产量超过全球总产量的 50%4。Solar buzz 的年度光伏市场报告显示，我国大陆和台湾的太阳电池产量占全球产量的比例，由去年的 49%上升到今年的 59%。入围全球前 12 的我国公司有 7 家，其中大陆的尚德、晶澳并列第一，天合光能与阿特斯太阳能分列第九与十二，台湾的茂迪、昱晶、新日光则分列第
22、五、第六和第十一。虽然我国的光伏产业发展如此迅速，已经掌握了多晶硅生产和太阳电池制造的关键工艺和技术，设备及主要原材料也逐步实现国产化，产业链不断完善，但是，我国的光伏应用市场却如图 1-2 所示，装机容量只占全球市场很小的比例，尚未真正开启。绝大部分的光伏产品都出口国外，给我国的光伏产业发展带来了太多的不确定因素与风险。增加光伏系统的装机容量，扩大光伏市场的内在需求，自产自用，才是我国光伏产业良性发展的正确途径。2003 年，北京科诺伟业科技有限公司首先在北京大兴天普大厦建造了 50kWp 我国最早的真正意义上的 BIPV 系统，时至今日，根据欧洲光伏工业协会（EPIA）与 SEMI 的统计
23、数据，我国的光伏系统安装容量达到了 805MW，其中 2010 年新增安装容量为 500MW,如图 1-3 所示。从图中可以看出，2008 年以前，我国的系统安装容量一直处于缓慢增长的状态，2009、2010 年开始有所提高，年增长率分别为 110.34%、163.93%。4图 1- 3 2003 年-2010 年我国太阳能行业累计、新增装机容量与增长率数据来源：欧洲光伏工业协会（EPIA）、SEMI根据作者的不完全统计，截止 2011 年 5 月 5 日，我国已建成或正在建设的并网光伏电站已达 1.458GW（含确定安装但尚未开建的 200MW 特许权项目，其中地面电站 1.385GW，屋顶
24、电站 73MW）,2009 年间开工建设的地面光伏电站为419.5MW，2010 年期间开工建设的地面光伏电站为 647.3MW，2011 年至今开工建设的地面光伏电站为 97MW。图 1-3 为我国各省已建或在建的地面电站安装规模，具体情况见附录 1。图 1- 4 各省已建、在建地面电站总装机容量数据来源：本文作者不完全统计5图 1-4 的数据显示，目前来讲，宁夏的装机容量全国第一，达 410.3MW，青海、甘肃、内蒙古次之，这些城市均属于我国太阳能资源丰富地区，根据本文第三章介绍的程序计算，朝南最佳倾角安装光伏组件，阵列表面可以接收到的太阳辐射量为 5.46-6.23kWh/m 2/d，如
25、果系统的效率为 80%，1 千瓦的组件每年可以发电 1594-1819kWh,在有国家或地区上网电价补贴的情况下，很快可以收回成本。无论是欧洲光伏工业协会（EPIA）、SEMI 或者本文作者统计的数据，均可证明，我国 2009、2010 年这两年间的光伏应用迅速发展，这得益于这两年我国与地方政府陆续出台的各项激励政策。2009 年 3 月，财政部、住房城乡建设部颁布了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见、太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，中央财政从可再生能源专项资金中安排部分资金，支持太阳能光电在城乡建筑领域应用的示范推广，根据光电建筑一体化的安装类型，最高给予 20 元/W 的
26、补助。2009 年 7 月，财政部再次颁布了关于实施金太阳示范工程的通知，中央财政从可再生能源专项资金中安排一定资金，支持光伏发电技术在各类领域的示范应用及关键技术产业化，并网光伏发电项目原则上按照光伏发电系统及其配套输配电工程总投资的 50%给予补助,偏远无电地区的独立光伏发电系统则按总投资的 70%给予补助。以此为契机，江苏、山东、宁夏、佛山等省市也明确支持本地光伏发展，包括免地价、免土地使用费、免新增项目建设费等各种优惠措施，以及初始安装投资补贴等。除此以外，部分省市还正式发文或者口头承诺上网电价补贴，其中江苏、山东的上网电价补贴如表 1-1、表 1-2 所示，而宁夏省政府则口头承诺上网
27、电价补贴为 1.29 元/kWh。表 1- 1 江苏省光伏电站上网电价5单位：元/kWh年份 地面 屋顶 建筑一体化2009 年 2.15 3.7 4.32010 年 1.7 3 3.52011 年 1.4 2.4 2.96表 1- 2 山东省地面电站上网电价6单位：元/kWh年份 2010 年 2011 年 2012 年金额 1.7 1.4 1.2图 1-5 为历年来我国的用电量情况，从图中可以看出，每年全社会用电量及各产业用电量均有不同程度的增长，除了 2008 年、2009 年由于金融危机经济增长放缓导致用电量增长率下降外，其余各年用电量增长率均在 14%-15%左右。以平均值 11.2
28、6%作为我国全社会用电量的年平均增长率，可以估算 2011 年-2030 年的全社会用电量。光伏发电作为可以商用的可靠技术，假如光伏发电量每年占我国全社会用电量的百分比增加 0.25%，并以西宁市发电效果为假设，1kW 的光伏装机容量每年可以发电约 1500kWh，那么光伏发电市场将会有巨大的潜力，如表 1-3 所示。图 1- 5 2005 年-2010 年我国的用电量情况数据来源：各年全国电力工业统计快报表 1- 3 我国各年全社会用电量与光伏累计装机容量预测年份 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2020 2030全社会用电量41923 46644 51896 5
29、7739 64240 71474 121855 354188(亿千瓦时)7光伏发电占总电量0.05 0.3 0.55 0.8 1.05 1.3 2.55 5.05需求的百分比（%）光伏发电总量21 140 285 462 675 929 3107 17886（亿千瓦时）全国累计装机容量1.40 9.33 19.03 30.79 44.97 61.94 207.15 1192.4（ GW）说明：假设全社会用电量增长率为 11.26%，光伏发电占电量需求的百分比逐年增加 0.25%随着我国能源需求的不断上涨，能源结构的逐步调整以及政策激励下光伏发电成本的不断降低，再加上我国大部分地区具有较好的光照
30、资源与应用条件，相信在未来的 10 年至 20 年内，我国的光伏市场将逐步启动，成为全球重要的光伏市场之一。1.3 硕士论文的主要工作本文的研究主要集中在并网光伏发电系统的优化设计、分析与评估方面。在理论分析的基础上编制了计算机优化设计程序，通过搭建小型并网光伏发电系统，分析该系统与已有的不同光伏组件发电系统的性能，并进行详细的评估得出相应的数据和结果。第一章是绪论部分。首先介绍了世界的光伏发展现状及主要国家的光伏激励政策，接着介绍了我国的光伏发展现状，大量收集了我国各省光伏电站尤其是地面并网光伏电站的安装信息，并根据我国近 6 年来的社会用电量与光伏系统发电量所应占据的比例，对未来 20 年
31、的社会用电量与光伏系统累计安装容量进行了估算。第二章简单介绍了光伏发电系统的分类、固定式并网光伏发电系统的原理与构成，重点分析了并网光伏发电系统的设计及其基本原则，为下文最佳倾角的计算机优化与小型并网光伏发电系统的实际安装提供铺垫。第三章详细分析了倾斜面上太阳辐射量的计算模型，收集了我国 527 个大中8城市水平面的太阳辐射资料，使用 Matlab 开发出固定式并网光伏发电系统优化设计中关于最佳倾角的计算程序。可以计算我国各个城市任意方位角下的最佳倾角、任意倾斜面上的太阳辐射量，同时拟合相关曲线，并以附录形式详细列出30 个主要城市不同倾斜面上的太阳辐射量、不同方位角所对应的最佳倾角，计算程序
32、具有可视化界面，还允许用户自定义气象数据进行计算，操作简单方便。第四章在第二、第三章的基础上，详细介绍了小型并网光伏发电系统的设计安装、技术评估与经济分析。使用的组件为已经正常使用 23 年的多晶硅光伏组件，经过更换接线盒与其它维护后，重新加以利用，搭建成 5.886kW 的固定式并网光伏发电系统，通过分析该系统的发电性能，为光伏组件的可靠性研究提供第一手资料。第五章对比分析现有的六个不同光伏组件的光伏系统，探讨单晶硅、多晶硅、非晶硅、HIT、CIGS、CdTe 的性能与发电效果，为国内光伏系统的应用提供参考依据。9第 2 章 固定式并网光伏发电系统的设计光伏发电系统是指利用光生伏打效应，将太
33、阳能转换成电能的发电系统。根据光伏发电系统的应用形式不同，通常可以将太阳能光伏发电系统分为以下几种形式：独立系统、混合系统和并网系统7。1） 独立系统。独立系统是指光伏发电不与电网连接的发电系统。它需要使用蓄电池来存储能量，其负载功率相对较小，主要用于边远的无电地区，给乡村或者航标灯塔、通信、监测设备的电源供电。它的主要设备包括光伏组件、控制器、蓄电池等。2） 混合系统。混合系统是指除了使用光伏组件发电以外，还使用了风力发电机、水力发电机、燃油发电机等其它能源，共同供电。它综合利用了各种发电技术的优点，可以提高供电的可靠性、负载的匹配性，实用性较强。3） 并网系统。并网系统是指光伏发电连接到国
34、家电网的发电系统。它通过并网逆变器把光伏组件发出的直流电转换为符合市电电网要求的交流电后直接接入用户侧公共电网，或者经过升压后接入高压电网。它可以充分利用光伏组件所发电力，不使用蓄电池，不会造成环境污染，同时减少能量损耗，降低系统成本。安装容量大的并网系统可以对本地的公共电网起到调峰作用，降低负载缺电率。目前，并网系统主要用于大规模的并网荒漠电站或者与建筑结合的 BIPV 或 BAPV 系统。并网系统包括固定式并网系统与跟踪式并网系统。其中跟踪式并网系统是通过相应的机电或液压装置使光伏组件随着太阳高度角与方位角的变化而移动，从而保证太阳光能够直射或者尽量直射到光伏组件上，它分为单轴跟踪与双轴跟
35、踪两种，双轴跟踪系统吸收太阳光能量的能力高于单轴跟踪系统。跟踪系统由于采用了机电或者液压装置，其初始成本相对较高，机械部件容易损坏，维护也相对复杂，另外对于 BIPV 或者 BAPV 系统，考虑到建筑的美观与维护的简易，目前大10多数并网光伏发电系统都采用固定式安装。本文讨论的并网光伏发电系统为固定式并网光伏发电系统。2.1 固定式并网光伏发电系统的原理与构成并网光伏发电系统将许多独立的太阳能发电系统的电力通过并网逆变装置并入常规电网，把常规电网作为光伏发电系统的载体，能够与常规电网实现高品质电能的双向传输8，如图 2-1 所示。电网光伏组件 并网逆变器本地负载图 2- 1 并网光伏发电系统示
36、意图固定式并网光伏发电系统主要由光伏组件、直流配电系统、并网逆变器、交流配电系统、计量装置、监控设备以及与市电并网切换装置等组成。带有接地保护的光伏组件把太阳能转化为直流电力，直流电力通过直流汇流箱进行串并联后接入直流配电柜，汇流箱与直流配电柜中包含防雷保护装置以及短路保护功能，然后进入并网逆变器，逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，经过交流配电柜的交流保护及短路保护后并入建筑大楼的低压配电端或者通过变压器升压后再接入电网。逆变器中带有通讯接口，可以把系统电流、电压、功率等信息通过数据采集器收集，并通过 PC 机上的监控软件实时显示出来，亦可根据需要把数据发送至互联网，以便
37、远程监控光伏系统的运行情况。图 2-2 为光伏系统线路连接示意图。11配电室(与并网逆变器通讯端相连)RS485 通讯电缆6DCP 逆变器 06. . . . . . 直 ACP. . . . . . 流 交5DCP 逆变器 05. . . . . . 配 流电 配. . . . . . 4DCP柜 逆变器 04 电. . . . . .)柜. . . . . . 含 )3DCP 逆变器 03. . . . . . 防 含雷 防. . . . . . 模 2DCP 逆变器 02 雷. . . . . . 块 模. . . . . .)块1DCP 逆变器 01. . . . . . )图 2-
38、2 并网光伏发电系统线路连接示意图2.2 固定式并网光伏发电系统的设计PENCBA在我国现阶段，关于固定式并网光伏发电系统的设计并没有一个完整而全面的标准，这需要工程人员为此付出努力。总体来说，并网光伏发电系统的设计主要包括以下几个方面：1）系统安装地点的选择。除了需要考虑安装地点的温度（包括日平均温度、日最高温度、日最低温度）、湿度与风速情况，最重要的是考虑各地的太阳辐射情况。我国幅员辽阔，各地太阳辐射状况不同，地区差异很大。西藏西部等地区的年日照时数高达 2800-3300 小时，年太阳辐射总量为 6700MJ/m 2/y-8370MJ/m2/y（1861kWh/m 2/y-2325kWh
39、/m2/y）,而四川、贵州等地区的年日照时数仅有1000-1400 小时，年太阳辐射总量为 3340 MJ/m 2/y -4186MJ/m2/y（928 kWh/m 2/y-1162kWh/m2/y）,两者相差一倍之多。光伏系统的安装地点要尽量选取太阳辐射情况好的地区，以获取更多的电能。本文第三章收集了全国 527 个城市水平面上的太阳辐射情况，为系统安装地点的选择提供参考。另外，在安装光伏发电系统时，要注意周围的建筑物或者高大树木不能对光伏阵列造成阴影。122）方阵安装最佳倾角的选择。最佳倾角的概念，在不同的应用中是不一样的：在独立光伏发电系统中，方阵的最佳倾角按照负载的性质、当地的气象及地
40、理条件以及满足蓄电池维持天数等条件的不同而改变，可以通过比较不同角度时满足负载要求的最小容量配置来确定，通常对于不同的蓄电池维持天数，其方阵的最佳倾角不一定相同9。而在并网系统中，最佳倾角是指系统年发电量最大时组件所对应的安装倾角，对于实际应用的光伏系统，则是指获得最大年太阳辐射量时组件所对应的安装倾角。关于最佳倾角的计算与计算机优化，本文的第三章将会做出详细的分析。3）光伏组件的选择。选择光伏组件要从组件效率、占用面积、稳定性、成本、环境友好度等几方面考虑。光伏组件按照材料分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、碲化镉、HIT，砷化镓等。除了砷化镓由于转换效率与成本都很高，大多用于聚光系统以外
41、，其余的都已规模化生产。不同的光伏组件的产业化效率各不相同，如表 2-1 所示。表 2- 1 不同光伏组件的量产效率晶体硅 非晶硅 铜铟镓硒 碲化镉 HIT14%-17% 5%-8% 10%-12% 8.5%-10.5% 19%（ Sanyo 量产新记录）虽然碲化镉效率较非晶硅的要高，成本较晶体硅电池低，并且易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成污染，因而并非是理想产品。铜铟镓硒由于具有较高效率，越来越受到人们的重视。非晶硅光伏组件受制于其材料引发的光致衰减效应，稳定性不高，直接影响了其实际应用，但由于其弱光性好，常用于与建筑一体化的 BIPV 或者 BAPV 系统中。目前，在全球光伏发
42、电产业中，晶体硅材料是生产及应用技术最成熟的光伏发电材料。在可以预见的未来 10 年，晶体硅材料仍将为主流光伏发电材料10。4）逆变器的选择及与光伏组件的匹配。逆变器是并网光伏发电系统中的重要环节，目前市面上的逆变器种类繁多，选择逆变器时应根据系统的安装容量选择品牌逆变器。国际上知名的逆变器品牌有：德国 SMA、美国 Satcon、美国 PV Powered、奥地利 Fronius、美国 Kaco、德国 Siemens、美国 Power-one、瑞士 SolarMax、丹麦 Danfoss 等，国内的则为合肥阳光。13在我国的并网光伏发电系统中，大多选择频率为 50-60HZ 的工频逆变器；根
43、据光伏系统安装容量与并网点电压，可选择单相逆变器或三相逆变器；根据逆变器实际安装地点可选择户外型或室内型逆变器；根据是否需要电气隔离或其它实际情况选择带变压器或不带变压器的逆变器，无变压器型逆变器质量轻，转换效率高，而带变压器型逆变器是需要电气隔离设备情况下的首选，也非常适合与薄膜组件连接使用。光伏组件与逆变器的匹配要满足以下要求：（1）串联组件的开路电压之和在低温时要小于逆变器的最大直流输入电压。光伏组件开路电压随温度降低而升高。各种光伏组件的温度系数不同，这个数值可以从组件供应商处获得，对于晶体硅而言，组件开路电压的温度系数越为-0.34%/OC。低温是指光伏系统安装地点的最低平均温度。用
44、式子表示为：S VOC ( STC ) (1 + (Tmin 25) UDC max (2.1)（2 ）串联组件的开路电压之和在低温时要小于光伏组件的耐受电压（即系统耐受电压）。即(2.2)S VOC ( STC ) (1 + (Tmin 25) 系统电压GL$ Z6(4 不同的光伏组件的耐受电压不同，一般情况下，晶体硅、铜铟镓硒、碲化镉,X光伏组件的耐受电压均为 1000V，非晶硅的为 600V，HIT 的为 760V。(3)串联组件的工作电压值在逆变器的输入电压 UMPP 之内。即Umpp min Vmppstring Umpp max (2.3)考虑到温度的影响，式（2.3 ）要进行修正
45、：低温时： S V mpp ( STC ) 1 + (Tmin 25) Umpp max (2.4)高温时： S V mpp ( STC ) 1 + (Tmax 25) Umpp min (2.5)此处的高温是指光伏组件工作时的最高温度。（4 ）并联组件的最大电流不超过逆变器的最大直流输入电流。即I mpp ( STC ) N 逆变器最大直流输入电流 (2.6)由于在实际操作中，温度对电流的影响相对不大，这里使用并联组件的工作电流 I mpp ( STC ) 代替光伏组件的最大电流。（5 ）逆变器与组件额定输出功率比要满足以下要求：14逆变器最大直流输入功率95% 0 ， (3.16) = m
46、in, arccos(AB + A 2 B 2 + 1) / ( A2 +1)ss sA = cos / (sin tan ) + sin / tan 其中， (3.17)B = tan cos / tan sin / (sin tan )公式（3.14）很好的解决了方位角 0 时如何计算倾斜面辐射量的问题，然而，运用公式（3.17）时会出现奇点，当 = 0 时， A 、 B 无穷大，无法求出式（3.16）中的日出时角与日落时角。后来 Bushnell17提出了解决办法,计算倾斜面上日出时角和日落时角的公式改为 = min, arccos( a / D ) + arcsin( c / D)ss
47、ssr = mins , arccos( a / D ) + arcsin( c / D) 其中，a = sin (sin cos cos sin cos )b = cos (cos cos + sin sin cos )c = cos sin sin D = b 2 + c2(3.18)(3.19)经过修正后的模型式子，既不用考虑 的正负号值问题，也可以求出倾角 = 0 或者方位角 = 0 时的日出时角与日落时角，从而求出 Rb 值，进而得出倾斜面上的太阳辐射量。当倾角 = 0 （包括 = 0 ）时，根据式（3.18）与式（3.12），可得 ss = sr = s = arccos( tan
48、 tan ) (3.20)代入式（3.14），得出 R b = 1 ，再代入式（3.9），可得，H t = H b + Hd这就是水平面上的太阳辐射量。当 0 ， = 0 时， ss = sr = min s , arccos tan tan( )，与式（3.13）一致，而此时的 R b 亦与式（3.10）一致，这就是朝向赤道的倾斜面的情况。于是，式（3.14）、式（3.18）、式（3.19）把求解朝向赤道倾斜面与偏离赤道倾斜面的太阳辐射量统一在了一起。然而，所有的辐射模型与计算方法，都是力求与真实情况一致或接近真实情20况，都不可避免的存在缺陷，只能由后人进一步加以完善或修正。以上对于 Kl
49、ein模型与 Bushnell 的修正分析，也是如此。作者在验证过程中发现该辐射模型有不完整的地方，式（3.18）中有一前提条件，为a c1 1， 1 1 (3.21)D D一般情况下，在我国取不同的纬度 、倾角 （ 0 o 90o ）、方位角 ，以上条件均能满足，但是在特殊情况下如夏至前后与冬至前后时，则有例外。如果 = 0 、 90 + ( ) ，或 = 180o （倾斜面背向赤道）、 90 ( + ) ，将无法根据公式求出某个角度的倾斜面上具有代表意义的 n 那天的日出时角与日落时角。例如，对于纬度为 22.5o 的顺德地区，如果阵列 = 0 、倾角为 90o，或者 = 180o 、倾角 46o ，则无法根据表 3-1 中六月份与十二月份
