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摘要：能源是社会发展的动力基础，在“双碳”目标下，国家大力发展新能源。本文阐述如何进行光资源分析及光伏新能源设计进行研究。而随着光伏新能源高速发展，因其存在间歇性强、波动性大的问题；结合政策要求下，配置光伏储能成为趋势。本文对储能分类、光储主流产品及市场前景进行论述。

关键字：光伏新能源；技术研究；储能；前景

前言：

为实现“碳达峰，碳中和”的宏伟目标，光伏发电在“十四五”期间达到一个新的高度，而且随着光伏组件、设备和工艺的改进，成本的进一步降低，光伏发电在电力产业结构中竞争优势越来越显著。

1.光伏新能源发电原理

P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结内建电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

2.光资源分析及光伏新能源分类

2.1我国光资源分布情况

我国是世界上太阳能资源最丰富的国家之一，陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于1.7万亿吨标准煤，我国太阳年总辐照量基本上在1050kWh/m²～2450kWh/m²之间，大于1050MJ/m²的地区占国土面积的96%以上。根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区，如表2.2-1《我国主要地区太阳能资源的分布状况表》、图2.2-1《我国太阳能资源分布图》。

2.2光伏新能源发电类型及应用

光伏新能源发电具有广泛性、无限性和可持续性、安装地段灵活等特点。因此，无论是陆地、海洋、高山或平地、建筑物屋顶都可以开发利用。光伏新能源发电，按建设规模、安装位置等不同形式有不同的分类。

2.3太阳能资源分析

以广州边某地面集中式光伏项目为列，项目收集到的太阳辐照数据主要为广州气象站观测数据及Meteonorm8.0、NASA、solarGIS 的数据。通过对广州气象站数据和Meteonorm8.0、NASA、SolarGIS的数据进行对比，对数据可靠性进行检验。对比结果详见图2.3-1

从上图可看出，该项目 Meteonorm8.0、NASA和SolarGIS数据与广州气象站数据的变化趋势均一致，最高、最低辐照出现月份与广州站气象数据相同。其中SolarGIS和NASA数据较气象站数据偏高；Meteonorm8.0数据较气象站数据较接近，因此本项目采用Meteonorm8.0数据进行发电量测算。

3.光伏新能源技术研究

3.1组件选型

光伏组件即太阳电池组件，是光伏电站最重要的组成部件，光伏组件选型的好坏将直接关系到整个光伏电站的质量、发电量、使用寿命和收益率等。

3.1.1光伏组件分类

目前市场上组件，大致可分为三类：晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件（非晶硅光伏组件）和聚光型光伏组件。较常用为晶体硅光伏组件，而单晶硅组件是目前市场主流产品。

3.1.2光伏组件主流规格

目前国内生产的72片单晶硅电池组件以445（166mm）、550Wp（182mm）、600Wp（210mm）为主流产品。

目前组件价格波动较大，整体价格较去年下降较多。综合考虑组件价格、转换效率、供货周期、项目收益率等问题地面光伏选用单晶双面双玻组件，屋面光伏选用单晶单面面单玻组件。

3.2逆变器选型；

3.2.1逆变器选型主要技术指标

逆变器主要技术指标有：（1）输出电压的范围及稳定度；（2）逆变器转换效率；（3）额定输出频率；（4）输出电压的波形失真度；（5）负载功率因数；（6）额定输出容量；（7）保护措施；（8）起动特性；（9）监控和数据采集；（10）噪声。逆变器选型还需满足GB/T 19964-2012《光伏电站接入电网系统技术规定》中相关技术要求

3.2.2逆变器选型比较

目前常用的逆变器有组串式逆变器、集中式、集散式逆变器。三种形式的逆变器内部电路结构均具有自身技术特点和技术经济优势，可用于不同的场址条件。

（1）组串式逆变器的主要特征

目前用于地面电站组串式逆变器的主流产品型号功率范围在196kW到320kW间。

1）组串式逆变器的体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和吊装设备，也不需要设置配电室，能够简化施工、减少占地面积，适用于具有一定坡度的山地。组串式还具有自耗电低、故障影响小、更换维护方便等优势。

2）组串式逆变器防护等级较高，一般为IP66，防风沙抗、灰尘水作用明显，满足户外使用条件。设备故障时可整机更换，只影响逆变器自身汇流区域发电，对项目整体发量影响较小。

3）采用组串式逆变器多路MPPT方案可以跟踪到每个组串的最大功率点，减少组串不匹配，提高运行效率。组串式逆变器采用模块化设计，每个光伏串对应一路逆变器MPPT输入回路，直流端具有最大功率跟踪功能，交流端并联并网，不受组串间模块差异和阴影遮挡的响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量，组串式逆变器MPPT电压范围宽，一般为600～1500V，组件配置更为灵活。在阴雨天、雾气多的部区，发电时间长。

4）组串式逆变器的缺点是设备数量较多，导致电子元件较多。功率器件和信号电路在同一块板上，部件出现故障需要整机更换。

5）逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大。

（2）集中式逆变器主要特征

集中式逆变器，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变，工频隔离变压器的方式，防护等级一般为IP55。体积较大，室内立式安装。

1）逆变器数量少，便于管理；

2）逆变器元器件数量少，可靠性高；

3）谐波含量少，直流分量少电能质量高；

4）逆变器集成度高，功率密度大，成本低；

5）逆变器各种保护功能齐全，电站安全性高；

6）有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好；

7）直流汇流箱故障率较高，影响整个系统；

8）组件配置不灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间短；

9）逆变器机房安装部署困难，需要专用的机房和设备；

10）逆变器自身耗电以及机房通风散热耗电，系统维护相对复杂；

11）集中式并网逆变系统中，组件方阵经过两次汇流到达逆变器，逆变器最大功率跟踪功能（MPPT）不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，当有一块组件发生故障或者被阴影遮挡，会影响整个系统的发电效率；

12）集中式并网逆变系统中无冗余能力，如有发生故障停机，整个系统将停止发电。

（3）集散式逆变器

集散式逆变器其主要特点是“集中逆变”和“分散MPPT跟踪”。集散式逆变器是结合了集中式逆变器、组串式逆变器两种逆变器优点的产物，达到了“集中式逆变器的低成本，组串式逆变器的高发电量”。

关于不同形式逆变器技术经济对比，本次选用组250kW组串式逆变器和3125kW集中式逆变器为例进行主要技术参数及经济性比较，具体参数如下：

综合分析组串式逆变器和集中式逆变器各自的优缺点，具体选择应根据项目情况综合确定，如设备运行环境存在高温高湿，则组串型逆变器安装方便，不需要逆变器基础，可最大化提高土地利用率，且组串式逆变器防护等级高，对环境适应性好。此外考虑近期铜价上升，电缆增加的成本远比设备差价大，采用集中式逆变器并不能体现设备价格低的优势，因此，建议使用组串式逆变器。

3.3光伏阵列运行方式

在光伏发电系统中，光伏组件方阵的安装形式对系统接收到的太阳总辐射量有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。

3.3.3组件安装方式

光伏组件的安装方式有固定安装式和自动跟踪式两种型式。自动跟踪系统包括单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。单轴跟踪（东西方位角跟踪和极轴跟踪）系统以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹，双轴跟踪系统（全跟踪）可以随着太阳轨迹的季节性位置的变换而改变方位角和倾角。

对于自动跟踪式系统，其倾斜面上能最大程度的接收太阳总辐射量，从而增加了发电量，但考虑到：

（1）自动跟踪式系统自动化程度高，但其自动跟踪式系统缺乏在场址区特殊的气候环境下的实际应用的可靠性验证。在沙尘天气时，其传动部件会发生沙尘颗粒侵入，增加了故障率，提高维护成本；

（2）自动跟踪式系统其逆变器多采用并联分散式布置，虽提高一个发电单元的运行可靠性，但不便于集中控制，且相对固定式逆变器投资加大。

（3）如项目在南方高温高湿地区，对于防护等级不高的电气元件如电机、转轴等存在较大的老化风险，对日后运维造成比例影响。

在光伏阵列运行方式选择时需要兼顾运行的可靠性、设备价格、建成后维护费用、故障率以及发电效益、占地、场区地形地貌等因素，项目一般采用固定式安装方式。

3.3.1固定式支架安装方式

固定式支架安装方式有多种，常见的地面光伏支架固定方式有桩基法、混凝土块配重法、预埋法、地锚法。屋面支架固定方式随屋面材料及房屋结构不同而有不同的方案；其中，混凝土屋面采用支架配重基础、彩钢瓦屋面结合瓦型采用专用的夹具等安装方式。

3.4光伏方阵设计

3.4.1光伏方阵系统方案选择

根据《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012，光伏组件串串联数应按下式进行计算：N≤Vdcmax/（VOC*[1+（t-25）*Kv]）

Vmpptmin/（Vpm*[1+（t’-25）*K’v]）≤N≤Vmpptmax/（Vpm*[1+（t-25）*K’v]）

Kv—光伏组件的开路电压温度系数；

K’v—光伏组件的工作电压温度系数；

N—光伏组件的串联数（N取整）；

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）；

Voc—光伏组件的开路电压（V）；

Vpm—光伏组件的工作电压（V）。

根据以上公式，结合选用的光伏组件和逆变器参数及当地象站气象稳定资料，计算组串数量：N1≦N≦N2块。一般情况下，组串数量越多，综合利用率越高；结合组件布置竖排比横排用钢量低、发电综合效率高的问题，选用N2内最大偶数。

3.4.2方阵前后排间距计算

光伏方阵布置须考虑前后左右的阴影遮挡问题，需通过计算确定阵列间各排、列距离。一般的确定原则是：保证全年9：00～15：00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡，也即冬至日当天9：00～15：00时段内前、后、左、右互不遮挡。

（1）平地区域光伏方阵间距计算

根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》，确定固定式布置的光伏方阵各排前后间距计算公式为：

式中： ——阵列倾斜面长度；

D ——两排阵列之间距离；

——阵列倾角；

——当地纬度。

参考尺寸为2172×1303×35mm的组件，组件排列方式为固定式支架2行竖向布置，经计算，光伏组件串单元前后排最小净距与组间倾角的关系见表3.4-1。

3.4.3组件倾角二次优化

根据上述分析辐照度最佳倾角为18°，经计算后前后排间距为6.09m。考虑施工误差在原前后排中心间距基础上预留0.11m距离。本项目平地部分支架2行8列、2行16列和2行32列的前后排桩中心距选择为6.2米。

利用PVsyst软件优化工具，在间距6.2米条件下对一个光伏发电单元进行优化分析，可以进一步得到光伏阵列的发电量最大倾角，即最优倾角，如下图所示：

结合表3.4-1数据，光伏组件倾角从18°减少到10°，组件倾斜面上减少的辐照度较少，当小于10°时，辐照度损失将超过1%。为减少早上及傍晚阴影遮挡，提高整体发电量，组件倾角建议选择为朝南12°，此时倾斜面上的年辐照度为1264 kWh/m²。

3.4.4方阵桩基列间距

根据《关于支持光伏扶贫和规范光伏发电产业用地的意见》（国土资规﹝2017﹞8号）等相关政策，阵列内的光伏阵列桩基础列间距不小于3.5米，因此最小桩基础列间距建议选用4米。

3.5光伏电站上网电量计算

3.5.1计算公式

（1）模拟项目选用峰值功率为600Wp的双面双玻单晶硅光伏组件，项目总规划容量为100MWp。

（2）模拟项目采用固定式支架，倾斜角为12°，方位角为0°，倾角面总辐射量为1264 kWh/m²。

（3）根据《GB 50797-2012光伏发电站设计规范》，光伏发电站上网电量Ep计算如下：

式中：HA——为倾斜面太阳能总辐照量（kW·h/m²）；

Ep——为上网发电量（kW·h）；

Es——标准光照条件下的辐照度（常数=1kW.h/m²）；

PAZ——组件安装容量（kWp）；

K——为综合效率系数（系统效率×组件衰减）。

3.5.并网发电量效率

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。系统效率系数包括：光伏组件类型修正系数、光伏组件表面脏污修正系数、光伏组件温度影响损耗、建筑方位修正系数、电缆损耗修正系数、逆变器效率修正系数、升压变压器损耗修正系数、系统故障及维修损耗。

综上所述，在未考虑电站设备元器件老化导致的效率衰减和组件每年衰减情况下，本光伏电站系统总效率80.6%。

模拟项目为双面双玻单晶组件，考虑组件背面发电对项目发电量的增益，本次计算按照综合增益量系数3%，取值1.03，综合系统效率为：83.02%；

3.5.3发电量计算

根据所选组件的性能，600Wp双面双玻单晶硅第1年衰减大约2.0%；运行期每年衰减0.45%。

项目规划容量为100MWp，首年总发电量为10283.85万kWh，首年等效利用小时数为1028.39h。25年总发电量242929.8万kWh，25年平均发电量为9717.19万kWh，25年综合平均利用小时数为971.72h。

4.储能系统及光伏储能前景

4.1储能系统及光伏储能选型

目前储能系统主要分为五类：机械储能、电化学储能、电气储能、热储能和化学储能。而电化学储能中的储能电池，受政策支持和市场需求的推动，得到快速发展。储能电池按照类型分为包含锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池、液流电池、镍氢电池等多种。锂离子电池由于其高能量密度、长寿命、安全性好的优点，为目前光伏储能电池市场中的主流产品

4.2锂离子电池分类比选

锂离子电池又分为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂和三元电池等。各类锂电池性能及经济性对比见表4.2：

通过上表对比显示：①磷酸铁锂密度适中、安全性及使用寿命最好，成本较低。②钴酸锂因金属钴稀缺，价格高于其它电池，且循环次数及使用寿命差，因此不用于储能领域。③锰酸锂密度、循环次数及安全性与磷酸铁锂相近，但使用寿命远低于磷酸铁锂。④三元电池密度最高、安全性能相对较差、成本远高于其它电池，应用前景低于磷酸铁锂。

综上所述，磷酸铁锂电池由于密度适中、安全性及使用寿命最好，成本较低，为目前光伏储能电池市场中的主流产品。

4.3光伏储能前景

4.3.1储能系统在光伏发电系统中的作用

在“双碳”目标下，我国可再生能源在一次能源需求总量中的比重将从2020年的12%跃升到2060年的60%左右。因光伏发电的特性，光伏发电系统对电网的影响主要是由于光伏发电的不稳定性造成的，从电网安全、稳定、经济运行和参与调峰调平的角度分析，不加储能的光伏并网发电系统将对线路潮流、系统保护、电网经济运行、电能质量和运行调度等方面产生不利影响。特别是大规模光伏电站对电网带来的影响是不可忽视的，目前解决光伏电站对电网影响的途径之一为光伏电站配置储能装置。

4.3.2光伏配储政策要求

随着光伏新能源发展，全国各省逐步要求落实集中式光伏新能源项目配储工作，截止至2023年11月份，全国各省集中式新能源配储要求见表4.3-1所示：

4.3.3储能行业发展前景

（1）国家政策利好行业发展

储能对保障国家能源安全具有重要意义，可有效解决新能源供给间歇性与用户用电需求持续性之间的矛盾，提高能源利用效率，促进“双碳”目标的实现。近年来，国家大力支持储能行业发展，如《“十四五”能源领域科技创新规划》，国家政策支持为储能行业带来了广阔的发展前景。

（2）需求大幅增长，储能渗透率提高

目前，我国电力系统呈现高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”“双峰”“双侧随机性”等特征，市场对电网安全性和稳定性提出了更高的要求，对储能调峰调频、稳定运行等需求增加。预计2025年国内新能源发电占比将超过20%，新能源装机的快速增长将带动储能渗透率的提升。

（3）成本下降助力储能发展

随着电池等电化学储能技术的发展，储能成本快速下降，2020年储能成本已经降低到每千瓦1500元，循环寿命达6000次。到2025年，储能成本将降至1000元/千瓦以下，循环寿命达10000次。储能成本的持续下降将助力储能行业的增长。

5.结论及展望

本文从分析我国光资源分布情况，结合实例分析太阳能辐照度数据，以及阐述我国光伏新能源发展类型。通过组件、逆变器对比分析选型，结合光伏阵列运行方式分析和通过计算确定的光伏方阵设计及发电量测算的过程，为光伏新能源设计提供技术思路及应用。

本文从储能系统类型及光伏储能主流产品进行分析。思考储能对电网作用，并结合国家配储政策要求及储能行业系统向低成本、高安全、长寿命方向发展，分析出光伏储能市场前景较好，为光伏储能发展方向提供借鉴。

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