光伏组件结构最优设计方案的模拟研究

刘津军

天津大港油田天水安装工程有限公司，天津市300280

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，光伏电站建设越来越多。光伏发电是国家大力提倡的绿色产业，代表未来的能源发展方向。光伏发电是利用太阳电池半导体材料的光生伏特效应将太阳能直接转换为电能的一种新型发电方式，是可再生能源发电的主要类型之一。本文首先分析了光伏组件集成装置，其次探讨了光伏组件结构方案设计，可供从业人员借鉴。

关键词：光伏组件；集成装置；防雷接地；结构设计

引言

节能环保与可持续发展是当今时代发展的主题，太阳能、光伏技术等清洁能源开发力度加大，在此形势下，光伏电站组件及运行方式组合逐渐增多，并呈现出多元化特征。光伏电站运行情况受组件、运行方式、气象条件影响，为提高光伏电站出力稳定性，需结合光伏电站实际情况选择最佳组件与运行方式组合，并制定行之有效的容量优化配置方案，以此减缓出力波动。

1光伏组件集成装置

光伏组件集成装置以6m长的集装箱为依托。集装箱采用保温设计，用来放置电控系统、储能单元。光伏阵列共有10块光伏组件，每块光伏组件的功率为400W，其通过光伏支架固定在集装箱上。光伏支架采用C形管和矩形管，壁厚为2.5mm，材料为304不锈钢。光伏组件通过螺栓固定在光伏支架上，2排光伏组件的支架通过铰链连接，便于光伏组件的展开布放与折叠收起。当光伏组件展开时，通过安装底梁和支撑梁来提高支架系统的稳定性和支承刚度。光伏组件展开延伸的一侧通过地脚法兰固定于地面。

2光伏组件结构方案设计

2.1光伏组件投运条件

为确保光伏组件稳定运行，应对其投运条件进行控制：①需按照设计规范安装光伏组件，并结合电流、电压参数进行光伏组件分类与组串，在投运安装之前，需全面检查光伏组件的插头、接线盒及整体外观，不可出现损坏现象，防止影响光伏组件的正常运行。②检查光伏组件的方阵接地系统是否连接可靠，并对接地电阻进行检查测量，确保接地电阻处于标准范围内。此外，还需检查光伏组件的串并联方式、数量，同时对组件串与外接电缆之间的连接可靠性进行检查。③对光伏支架的基础结构、材质、埋设部件进行检查，并组织光伏组件串开路电压测试试验，要求光伏组件串的开路电压误差低于2%，且最大误差控制在5V。同时，需检测光伏组件的正、负极线路绝缘电阻参数及通信模块装置的配置情况。完成上述投运条件检查外，按照规范标准投运光伏组件：①将各路光伏组件串插头依次连接。②合上各光伏组件串与各支路之间的直流熔断。③借助汇流箱监测单元检查光伏组件的电流、电压参数数据。若在投运期间发生异常现象，需断开支路直流熔断器并进行检查，若检查结果显示电流、电压参数正常，则合上直流断路器。

2.2逆变器的选择

按照容量大小，逆变器可分为集中型逆变器和组串型逆变器两种，集中型逆变器容量可达到兆瓦级别，而组串型逆变器容量一般在几千瓦到几十千瓦。两者的区别在于，集中型逆变器汇集的组串数目较多，一般在逆变器前端配置汇流箱、直流柜等进行两级分级，并且所汇集的组串一般只能同时进行最大功率跟踪；组串式逆变器汇集的组串数目较少，前端不需要配置汇流箱可直接接入逆变器。集中型逆变器适合不同组串遮蔽差异很小的情况。

2.3支架安装形式和桩基础的选择和安装

太阳能光伏组件阵列支架形式为三角门型支架，采用表面强化处理，防腐寿命不低于20年。支架和基础设计依据光伏组件规格型号、组件数量、组串布置形式来确定方阵的结构尺寸；同时根据工程地理位置及季节变化，确定太阳能光伏板的角度变化情况。经过现场考察确认该项目可使用螺旋状基础。施工方便的同时也能降低项目成本。

2.4防雷、接地及过电压保护设计

太阳能光伏阵面工作于自然环境中，雷电成为重点防护手段，主要通过防雷保护机构、汇流环等组件，实现感应雷的有效防护。逆变器安装于逆变箱房内，其输出端设置防雷装置，同时箱变的高低压侧均配置避雷器或过电压保护器，可实现防止雷电侵入波、操作过电压等故障。光伏场区内应形成覆盖整个场区的主接地网，主接地网轮廓与光伏场区范围一致，且成闭合环状，并由横向和纵向的水平接地体形成接地网网格，在接地网边缘及内部应均匀敷设垂直接地体。逆变房与箱变周围需敷设一圈均压接地网，并应与光伏场区主接地网不少于两点连接。箱变自带金属外壳，多处与均压接地网可靠连接，逆变房内所有屏柜均应可靠接地。

2.5场内升压设备的选择

为节省占地、缩短工期及安装方便，本光伏区内升压设备采用箱式变电站模式，箱变内配置高压、低压柜，自用变及节能型升压变。箱变进出线均采用电缆方式。其设备参数如下：(1)高压设备。技术途径选择“负荷开关+熔断器”这一成熟方案，可作操作电器使用，又可断开短路电流，能有效保护升压变压器。在升压变出口处配置带电显示器及避雷器，均安装在开关柜内。(2)低压设备。低压设备配置三相断路器，三相电流互感器。另外配置浪涌吸收装置、电流表、电压表等。(3)自用变压器。自主要用于升压设备内部操作电路、逆变器室照明、通风及检修电源等分系统的能源供给。

2.6敏感性分析

光伏电站所处区域的土地价格能够影响光伏系统的容量配置情况，为检验容量最优配置方案的具体优势，需综合考虑土地价格因素。土地价格较高时，单位容量占地面积较小的光伏运行方式组合的容量配比可得到一定提升，而单位容量占地面积较大的光伏运行方式组合容量配比将相对应的减少，在土地价格影响因素下，斜单轴跟踪式光伏电站运行方式将出现容量配比降幅。随着市场经济的发展，光伏电站所处区域的土地价格将会逐渐上升，而固定33°光伏运行方式与平单轴联动55°跟踪运行方式的投资效益较高，且远高于其他光伏运行方式组合，两者容量配比之和将得到相应提升。此外，若仅将固定33°倾角光伏运行方式与平单轴联动55°跟踪运行方式联动组合，可能无法应对多云、雨/雪天对于发电出力的波动影响，但该配置方案将会逐渐稳定。除此之外，固定33°光伏运行方式与平单轴联动55°跟踪运行方式的波动率远低于其他方式，发电出力稳定性效果较好，在土地价格与气象条件影响下，提出的容量最优配置方案仍可稳定平均波动削减率。光伏电站运行维护成本与初始投资成本同样可能影响容量最优配置结果，但单独运行时的容量配置比例远低于容量最优配置方案。由此可知，光伏电站运行维护成本与初始投资成本可小幅度干扰容量配置结果，但能有效降低平准化度电成本，且提升光伏电站竞争力，继而实现更高经济效益。

结语

综上所述，在明确光伏组件及运行方式对于光伏电站发电系统影响后，分析了光伏组件及运行方式组合的选择方法，搭建了容量优化配置模型，试图以模型论证的方式确定容量优化方式及组合。光伏组件最大变形处发生在光伏面板中部区域，且最大变形处容易出现裂纹及碎片缺陷。在明确光伏组件及运行方式对于光伏电站发电系统影响后，分析了光伏组件及运行方式组合的选择方法，搭建了容量优化配置模型，试图以模型论证的方式确定容量优化方式及组合。

参考文献

[1]王小峰，杨帆，尤颖.光伏组件不同固定间距测试及有限元模型研究[J].机械强度，2018(1)：211-216.

[2]黎之奇，杨非池.基于ANSYS的光伏组件晶体硅电池片应力分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2016(11)：149-153.

[3]刘大为，田鸿翔，高虎，等.光伏组件抗机械静载荷能力的模拟计算研究[J].电源技术，2018(11)：1662-1665.