Проектирование солнечной энергетической системы: конфигурация фотоэлектрического модуля и электрическое проектирование
Aug 27, 2026
Проектирование солнечной энергетической системыпредставляет собой систематический инженерный процесс, включающий множество технических аспектов, включая выбор фотоэлектрических (PV) модулей, компоновку массива, основные электрические соединения, молниезащиту и заземление. Научно обоснованный и разумный проект должен учитывать солнечные ресурсы, климатические условия и характеристики места расположения проекта, обеспечивая при этом баланс между безопасностью, экономическими показателями и эффективностью выработки электроэнергии. В этой статье основное внимание уделяется двум основным областям проектирования солнечной энергосистемы-конфигурации модулей и электрической системы-, а также обобщаются ключевые технические соображения и стандарты проектирования, служащие руководством для инженерной практики.
Проектирование солнечной энергетической системы
1. Выбор фотоэлектрического модуля
Основным принципом выбора фотоэлектрических модулей является выбор основных типов модулей, которые обеспечивают высокий уровень технической зрелости и надежной работы, а также принимают во внимание природную среду вокруг электростанции, условия строительства и транспортную логистику. Окончательный выбор должен основываться на всесторонней оценке для определения фотоэлектрических модулей с наилучшей общей производительностью и наибольшей пригодностью для проекта.
2. Проектирование режимов работы фотоэлектрических массивов
Фотоэлектрические массивы можно устанавливать одним из трех способов: с фиксированным-наклоном, регулируемым-наклоном или системой слежения. Соответствующий метод установки следует выбирать путем технико--экономического сравнения на основе таких факторов, как ресурсы солнечной радиации, климатические условия, рабочая среда, установленная мощность, площадь и характеристики места установки, характеристики нагрузки, а также методы эксплуатации и управления.
Конфигурация компоновки опорных конструкций фотоэлектрических систем должна быть выбрана соответствующим образом, чтобы избежать концентрации напряжений. Подходящие сечения-должны быть выбраны для каждого элемента конструкции в соответствии с величиной приложенных сил. Потребление стали должно быть сведено к минимуму, обеспечивая при этом полное использование прочности всех элементов конструкции.
На протяжении всего расчетного срока службы фотоэлектрическая система поддержки должна оставаться структурно безопасной и надежной и быть способной выдерживать ветровые и снеговые нагрузки, а также воздействие окружающей среды. Также необходимо учитывать возможность установки, чтобы можно было достичь оптимальных результатов строительства проекта при минимально возможных затратах. При проектировании и строительстве фотоэлектрической электростанции выбор типа опорной конструкции должен быть адаптирован к местным условиям посредством всесторонней оценки. Сравнение различных типов фотоэлектрических опорных конструкций представлено в таблице 1.
Таблица 2
| Нет. | Элемент | Зафиксированный Структура поддержки |
Горизонтальная одна-ось Структура отслеживания |
Наклоненная одна-ось Структура отслеживания |
Двойная-ось Структура отслеживания |
Зафиксированный Регулируемая-опорная конструкция наклона |
| 1 | Сопротивление Ветру и гражданское Фундамент |
Разработан для определяющего варианта нагрузки на основе максимальной местной скорости ветра для определения ветрового сопротивления опорной конструкции. | Ветроустойчивость такая же, как и у стационарной опорной конструкции; фактические требования к несущей способности-ниже, чем у фиксированной опорной конструкции | Ветроустойчивость такая же, как и у стационарной опорной конструкции; требования к фундаменту выше, чем для горизонтального одноосного трекера, но ниже, чем для фиксированной опорной конструкции | Ветроустойчивость такая же, как и у стационарной опорной конструкции; при действующей нагрузке требования к фундаменту аналогичны требованиям к наклонному одноосному-трекеру | Ветроустойчивость такая же, как и у фиксированной опорной конструкции. |
| 2 | Установка Требования |
Никаких движущихся частей; низкие требования к точности установки-и относительно простая установка | Присутствуют движущиеся части; монтаж требует более высокой точности и более сложен, чем для фиксированной опорной конструкции. | Присутствуют движущиеся части и добавлен наклон-на юг; Требования к точности установки немного выше, а установка немного сложнее, чем для горизонтальной одноосной конструкции. | Компоненты двухосного-отслеживания и другие движущиеся части; самые высокие требования к точности установки-и самая сложная установка | Аналогично фиксированной опорной конструкции; главная балка является подвижным компонентом, но подвижных частей меньше, чем в следящих конструкциях |
| 3 | Технический Зрелость |
Простая система, широко используемая и технически зрелая. | Развитая технология с внутренним применением примерно в масштабе ПГП | Технология наклонной одноосной-оси добавляет наклон при установке; немного менее зрелая, чем горизонтальная одноосная-структура | Самая сложная технология; никаких крупномасштабных заявок-как внутри страны, так и за рубежом. | Высокозрелая технология |
| 4 | Применимый Широта |
Нет ограничений | Регионы средних- и высоких-широт | Нет ограничений | Нет ограничений | Низкие-регионы широты |
| 5 | Надежность | Простой и надежный | Необходимо контролировать качество и надежность основного приводного и управляющего оборудования; надежность ниже, чем у стационарной опорной конструкции | Добавление наклона немного усложняет условия эксплуатации; надежность немного ниже, чем у горизонтальной одноосной конструкции. | Универсальные шарниры подвержены повреждениям, а система управления сложна, что приводит к гораздо более высокой частоте отказов, чем у одноосных направляющих конструкций, и к низкой надежности. | Надежность близка к стационарной опорной конструкции и выше, чем у отслеживающих конструкций. |
| 6 | Земельный участок за МВт |
Примерно 25 му на равнинной местности |
Примерно 30 му; площадь земли увеличится на примерно 15% |
40 му; земельный участок увеличивается примерно на 50% |
50 му; земельный участок увеличивается примерно на 100% |
Примерно 28 му; площадь земли увеличивается примерно на 10% |
| 7 | Ссылка Единица Расходы |
0.3–0.4 юань/ВП |
Увеличение 0,3–0,4 юань/ВП по сравнению с фиксированная опорная конструкция |
Увеличение 0,4–0,5 юань/ВП по сравнению с фиксированная опорная конструкция |
Увеличение 1,4–2,5 юань/ВП по сравнению с фиксированная опорная конструкция |
Увеличение 0,1–0,2 юань/ВП по сравнению с фиксированная опорная конструкция |
| 8 | Производство электроэнергии Выгода |
Предполагается за 100% | 110%–120% | 120%–125% | 130%–140% | 100%–110% |
| 9 | 25-летний срок эксплуатации и технического обслуживания Сравнение затрат |
Более 25 лет, практически не требует обслуживания- |
В течение 25 лет по сравнению с фиксированной опорной конструкцией основными дополнениями являются плановые проверки и смазка механического оборудования. | Более 25 лет, немного сложнее, чем одноосная горизонтальная-система слежения. | За 25 лет система слежения является самой сложной и требует тщательного обучения. | Требуется ручная регулировка; регулировка производится четыре раза в год; операция относительно проста |
3. Инверторы и сумматоры.
Инверторы, используемые на фотоэлектрических электростанциях, в основном включают три типа: центральные инверторы, струнные инверторы и распределенные инверторы. Применимые сценарии для этих трех часто используемых типов инверторов можно определить со ссылкой на Таблицу 2.
При выборе инверторов особое внимание следует уделять репутации производителя в отрасли, после-послепродажному обслуживанию, будущим затратам на обновление оборудования и резервированию обновления. Инвертор следует выбирать в соответствии с реальными условиями на объекте и требованиями проекта. Приоритет следует отдавать моделям инверторов с высокой эффективностью преобразования.
Таблица 2
| Технические параметры | Центральный инвертор | Струнный инвертор | Распределенный инвертор |
| Применимые сценарии | Подходит для сценариев с постоянными углами наклона модулей и относительно большими масштабами проектов. | Подходит для приложений со значительными различиями в углах модулей или относительно небольших масштабах проекта. | Подходит для сценариев со значительными различиями в углах модулей и относительно больших масштабах проектов. |
4. Схема фотоэлектрической решетки при проектировании солнечной энергетической системы
Соотношение мощностей фотоэлектрической батареи и инверторов на фотоэлектрической электростанции должно определяться посредством технико--экономического сравнения с учетом комплексных факторов, таких как тип установки фотоэлектрической батареи, условия на месте, ресурсы солнечной энергии и различные потери в системе. Отношение установленной мощности фотоэлектрической установки к номинальной мощности инвертора рекомендуется удовлетворять следующим требованиям:
Регионы с солнечными ресурсами класса I: обычно не должны превышать 1,2;
Регионы с солнечными ресурсами класса II: обычно не должны превышать 1,35;
Регионы с солнечными ресурсами класса III: обычно не должны превышать 1,5.
При проектировании расстояния между опорными конструкциями в первую очередь учитывается затенение между соседними конструкциями. В северном полушарии оптимальная ориентация фотоэлектрических модулей — на юг. Минимальный интервал следует определять по следующему критерию: с 9:00 до 15:00 по солнечному времени в день зимнего солнцестояния проекция модулей переднего-ряда в северном направлении не должна доходить до нижнего края модулей заднего ряда. Другими словами, не должно быть затенения в направлении север-юг.
Этот критерий основан на экстремальных условиях зимнего солнцестояния, когда угол возвышения Солнца минимальный, а тени самые длинные. Это гарантирует, что затенение не повлияет на производительность системы в любой период года.
На расчет зазора между фотоэлектрическими модулями и землей-т. е. высота самой нижней точки модулей над землей-в основном влияют такие факторы, как требования к совместному землепользованию внутри фотоэлектрической площадки, требования к борьбе с наводнениями-, затенение модулей окружающими препятствиями, покрытие наземной растительности и приложения «PV+». При использовании двусторонних фотоэлектрических модулей также необходимо учитывать эффективность выработки электроэнергии.
Преимущество двусторонних фотоэлектрических модулей перед односторонними заключается в том, что чем больше света поступает на заднюю сторону, тем больше двусторонний выигрыш. К основным факторам, влияющим на прирост энергии на задней- стороне, относятся альбедо земли, высота опорной конструкции, условия освещенности и расстояние между рядами. Полученные в результате выгоды варьируются в зависимости от сезона.
При определении минимального зазора между опорными конструкциями фотоэлектрических систем и землей вышеуказанные факторы следует учитывать комплексно, при этом безопасность и экономические показатели должны быть сбалансированы, насколько это возможно. Увеличение минимальной высоты фотоэлектрических модулей над землей в соответствующей степени может повысить эффективность выработки электроэнергии и в некоторой степени увеличить выход энергии. Однако это также увеличивает затраты на опорные конструкции и фундаменты, тем самым оказывая определенное влияние на экономические показатели проекта.
Электрическое проектирование солнечной энергетической системы
1. Основное электрическое соединение
Фотоэлектрическая электростанция состоит из одного или нескольких энергоблоков. Основное электрическое соединение определяет, как эти генерирующие блоки соединяются и собираются. После локального повышающего-преобразования мощность, генерируемая каждым блоком, собирается и подается на шину повышающей-подстанции.
Уровень напряжения шины повышающей-подстанции должен не только соответствовать структуре и долгосрочному-планированию местной электросети, но также должен определяться комплексными балансирующими факторами, такими как мощность фотоэлектрической электростанции, первоначальные инвестиции в строительство, а также затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. В зависимости от типа фотоэлектрической электростанции общие уровни напряжения шин включают 0,4 кВ, 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ.
Основное электрическое подключение электростанции может быть запланировано в соответствии с графиком строительства. Если электростанция построена и введена в эксплуатацию однофазной и имеет только одну точку подключения к сети,-обычно может быть принята конфигурация с одной-шиной. Если электростанция построена и введена в эксплуатацию поэтапно или имеет две или более точки подключения к сети,-обычно более подходящей является секционная конфигурация с одной-шиной.
2. Оборудование для распределения электроэнергии
Компоновку оборудования распределения электроэнергии следует выбирать после всестороннего рассмотрения таких факторов, как географическое положение проекта, местные климатические условия, доступная площадь площадки и высота над уровнем моря. Оборудование может быть установлено внутри или снаружи помещения в зависимости от конкретных условий.
В настоящее время электрораспределительное оборудование 10–35 кВ на отечественных фотоэлектрических станциях обычно устанавливается внутри помещений. Внутреннее бронированное выкатное распределительное устройство переменного тока в металлическом-закрытом корпусе является основной конфигурацией. В некоторых регионах в распределительном оборудовании 10–35 кВ также могут использоваться распределительные устройства с газовой-изоляцией-металлическим корпусом с гексафторидом серы (SF₆), если это технически и экономически оправдано, особенно для защиты от солевого тумана, улучшенной изоляции или сокращения использования земли.
В последние годы, с развитием технологий, сборное электрораспределительное оборудование-кабинного типа становится все более распространенным. Распределительные устройства могут быть изготовлены на заводе и собраны по модульному принципу на месте. Такой подход сокращает объем строительных и пуско-наладочных работ на-площадке, сокращает период строительства, экономит энергию, защищает окружающую среду и уменьшает площадь земли, необходимую для установки распределительного устройства. Ему может быть отдан приоритет там, где это технически и экономически целесообразно.
3. Молниезащита и заземление конструкции солнечной энергосистемы.
Основная сеть заземления, охватывающая все фотоэлектрическое поле, обычно устанавливается внутри фотоэлектрической электростанции. Внешняя граница основной заземляющей сетки обычно должна соответствовать границам фотоэлектрического поля и образовывать замкнутый контур.
Основная сетка заземления состоит из сети, образованной путем присоединения горизонтальных заземляющих проводников в поперечном и продольном направлениях к опорным конструкциям модуля. Вертикальные заземлители должны быть равномерно распределены по краям и внутри заземляющей сетки. Фундаменты опорных конструкций модуля также следует по возможности использовать в качестве естественных заземляющих электродов.
В основной заземляющей сетке фотоэлектрической электростанции в качестве основного заземляющего проводника обычно используется оцинкованная плоская или круглая сталь. Сопротивление заземления основной заземляющей сетки в фотоэлектрическом поле не должно превышать 4 Ом.
Для заземления между фотомодулями и их металлическими опорными конструкциями наиболее распространенным методом является сначала установление надежного соединения между металлическими каркасами соседних фотоэлектрических модулей с помощью медных проводников, а затем соединение обоих концов каждого ряда фотоэлектрических модулей с металлической опорной конструкцией.
В некоторых фотоэлектрических проектах на крыше, где заземляющие медные проводники неудобно устанавливать, в качестве проводников между модулями и опорными конструкциями можно использовать металлические соединители. При использовании этого метода разъемы должны быть оснащены шайбами из нержавеющей-стали, способными проникать через защитную пленку оксида алюминия-на рамах модуля, тем самым обеспечивая хорошую электрическую непрерывность между рамами модуля и металлическими опорными конструкциями.
Опорные конструкции модуля сначала могут быть эквипотенциально соединены с соседними опорными конструкциями для образования группы заземления, которая затем соединяется с заземляющей сеткой. Для обеспечения надежности каждая группа заземления опорной-конструкции должна быть подключена к заземляющей сети не менее чем в двух точках. Эти точки подключения должны быть установлены на обоих концах каждого ряда опорных конструкций.
Кольцевая эквипотенциальная заземляющая сетка-формы должна быть установлена вокруг каждого местного повышающего трансформатора в фотоэлектрическом поле и надежно соединена с основной заземляющей сеткой фотоэлектрического поля. Если в местном повышающем трансформаторе-используется трансформатор коробчатого-типа со встроенным металлическим корпусом, корпус должен быть надежно соединен с эквипотенциальной заземляющей сеткой не менее чем в двух точках. Все открытые металлические части трансформатора коробчатого-типа, включая металлические лестницы, также должны быть подключены к заземляющей сети.
4. Выбор кабеля и установка конструкции солнечной энергосистемы.
Кабели, установленные между фотоэлектрическими модулями и блоками суммирования цепочек или инверторами цепочек на фотоэлектрической электростанции, обычно представляют собой специальные фотоэлектрические кабели. Их стойкость к ультрафиолетовому излучению, погодоустойчивость, огнестойкость-и другие характеристики должны соответствовать требованиям действующих отраслевых стандартов.
В распределенных фотоэлектрических проектах кабели, используемые в зданиях-интегрированных или-монтируемых в зданиях фотоэлектрических системах, должны иметь хорошие огнезащитные-огнестойкие характеристики. Медные проводники обычно выбирают из-за их хорошей электропроводности.
На фотоэлектрических электростанциях коммунального-масштаба кабели обычно прокладываются на большой площади. Поэтому кабели обычно прокладываются путем прямого захоронения, и в этом случае следует использовать бронированные кабели. В частности, для проектов, где земельные участки, занимаемые площадками фотоэлектрических модулей, рассредоточены, в качестве коллекторных цепей могут использоваться воздушные линии напряжением 10 кВ или 35 кВ.
Поскольку опоры и башни в зоне фотоэлектрической установки могут отбрасывать тень на фотоэлектрические модули, при планировании линий следует рассчитывать диапазон тени от воздушных линий. Расположение линий должно быть согласовано с расположением фотоэлектрических массивов, чтобы минимизировать затенение модулей.
При определении длины кабелей переменного и постоянного тока в фотоэлектрической системе следует учитывать как токовую нагрузку кабеля, так и падение напряжения в системе. Падение напряжения переменного тока в фотоэлектрической системе обычно не должно превышать 3%, а падение напряжения постоянного тока обычно не должно превышать 2%.
Если падение напряжения не соответствует применимым требованиям, следует увеличить-площадь поперечного сечения соответствующего кабеля или отрегулировать взаимное расположение оборудования, чтобы сократить трассу кабеля и сохранить падение напряжения в указанных пределах.
5. Система мониторинга
Фотоэлектрические электростанции в Китае обычно работают без персонала или с минимальным персоналом. Некоторые наземные-фотоэлектрические электростанции начали применять дистанционный мониторинг вместо работы персонала на-объекте. На этапе проектирования текущая фаза проекта обычно рассматривается в первую очередь, тогда как предыдущие и последующие фазы также принимаются во внимание. Система должна быть совместима с уровнями автоматизации, эксплуатации и управления, принятыми на электростанции.
Большинство фотоэлектрических электростанций в Китае используют отдельные системы мониторинга для повышающей-подстанции или распределительного устройства и зоны фотоэлектрических массивов. Преимущество этого подхода состоит в том, что он требует лишь ограниченного объема обмена информацией между повышающей-системой мониторинга подстанции и фотоэлектрической системой мониторинга, что делает реализацию относительно простой. Однако у него также есть недостаток, заключающийся в низком использовании информации.
После внедрения интеллектуальной системы мониторинга фотоэлектрическая электростанция может обеспечить комплексный сбор данных и панорамный мониторинг всего объекта. Система может обеспечить вертикальную интеграцию с основными системами, такими как системы диспетчеризации и управления производством, а также обеспечить горизонтальную связь с основным оборудованием автоматизации на электростанции.
Интеллектуальная система мониторинга также может поддерживать такие функции, как принятие решений по экономической эксплуатации-, онлайн-диагностика и автоматическое восстановление, автоматический осмотр и анализ неисправностей, а также предупреждение о неисправностях.
Заключение
Проектирование солнечной энергетической системытребует комплексной координации на всех этапах, включая выбор модулей, компоновку массива, электрические соединения, прокладку кабелей и системы мониторинга. Оптимальное решение должно быть выбрано в соответствии с местными условиями и требованиями проекта.Благодаря постоянному развитию фотоэлектрических технологий и повышению уровня интеллекта к проектированию систем предъявляются более высокие требования, а также больше возможностей. Научное планирование и детальное проектирование необходимы для обеспечения безопасной и стабильной работы электростанции и достижения высоких экономических показателей.
