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摘要：基于某金矿企业节能改造的要求，本文介绍了离网型太阳能光伏发电系统在该企业生活区中的应用。
关键词：离网型太阳能光伏发电系统；节能；设计应用
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，随着化石能源等不可再生资源的逐步消耗及其开发、利用过程中造成的环境污染和生态破坏问题日益凸显，新能源和可再生资源的开发利用成为世界各国亟待解决的问题。随着国家提倡节能减排、保护环境的政策以来，国家对各生产企业年综合能源消费量进一步限定，且根据GB32033-2015《金矿选冶单位产品能源消耗限额》中对金矿选冶单位产品能耗准入值的限定，某金矿企业实际用电量超过批复值，使该企业实际年综合能源消费量超过批复值，该企业须进行节能改造。根据矿山实际情况，在其生活区综合楼旁新建一套离网型太阳能光伏发电系统供企业生活辅助设施。
1离网型太阳能光伏发电系统简介
离网型太阳能光伏发电系统是一种脱离市电电网独立运行的供电系统，是将太阳能电池板产生的电能通过蓄电池进行存储，在需要时通过控制器和逆变器转换后为负载提供用电。
离网型太阳能光伏发电系统主要包括下列几个组成部分，各组成部分的主要功能为：
(1)太阳能电池组件：太阳能电池组件作为太阳能光伏发电系统的中枢部分，一般选用多晶硅电池板作为发电单元，其作用是将太阳的辐射能转换为电能，经过逆控一体机存入蓄电池中。
(2)逆控一体机：逆控一体机(逆变器和太阳能控制器)的主要作用是将太阳能电池板产生的电能经过控制器存储到蓄电池中，负载需要用电时通过逆控一体机进行逆变处理，将直流电转换为交流电后为负载供电，同时，逆控一体机还有充放电保护和短路、反接保护等功能。
(3)蓄电池：蓄电池的作用是将白天电池板产生的电能进行存储，等负载需要供电时为负载提供电能；蓄电池一般采用免维护铅酸蓄电池。
(4)直接：支架的主要作用是支撑太阳能电池板组件，让太阳能电池组件与当地光照成90度角，起到提升组件发电量和固定组件的作用。
(5)其他安装辅件：电缆、光伏线、直流断路器、交流断路器、MC4头等其他安装辅件也是系统运行不可或缺的一部分。
2离网型太阳能光伏发电系统设计应用
某金矿生产企业，位于甘肃西部地区，企业已有一座生活区综合楼作为企业办公生活设施；综合楼地上三层，是集办公、宿舍、食堂、浴室为一体的综合楼，建筑高度11.25m，建筑面积3500m2，每日耗电量约为120kW·h。在该综合楼旁新建一座离网型太阳能光伏电站，在综合楼配电室内设一套电源切换装置，正常情况下，由该离网型太阳能光伏电站供综合楼用电，当该离网型太阳能光伏电站故障时，可切换为电网供电，确保供电的可靠性。
2.1离网型太阳能光伏发电系统的安装容量设计
离网型太阳能光伏发电系统的输出容量取决于其用电负载消耗的电能H(W·h)。负载容量P(A·h)即负载24h的平均耗电量(根据负载24h内的用电量和负载端的额定电压来确定)；再者考虑到每天日照时长及连续阴雨天气时长，便可得到太阳能电池方阵的工作电流IP(A)；蓄电池组的工作电压是由其负载端的额定电压(该项目负载端电压为380V)来确定的，然后根据蓄电池组的工作电压来确定蓄电池组的串联数量和它的浮充电压Uf(V)，计算得到太阳能电池方阵的工作电压(须计入太阳能电池的温升电压UT(V)和反充二极管的压降UD(V)。最后通过太阳能电池方阵工作电流IP(A)和太阳能电池方阵工作电压UP(V)计算取得太阳能板发电功率WP(W)和太阳能板容量，根据不同设备厂家的电池组件参数确定相应组件的串联块数及并联组数。
2.1.1用电设备容量计算
用电设备容量P为负载24h所消耗的电能W(W·h)与系统工作电压U(V)的商。
2.1.2确定日照时数
为了充分有效的利用日照，离网型太阳能光伏发电系统的太阳能电池方阵安装时应考虑其安装角度，方阵由安装地点的纬度来设置方阵倾角。方阵安装面日照量Q'根据当地日照记录获得。由太阳能电池方阵安装地的纬度θ减去太阳的月平均赤纬度б，再减去太阳能电池方阵的倾斜度β，其差值的绝对值做余弦函数；则方阵安装面日照量Q'为平均日照量单位由cal/cm2·day到mW·h/cm2·day的变换系数(取值1.16)、日照修正系数K1、水平面的月平均日照量Q(cal/cm2·day)与余弦函数结果的积；根据方阵安装面日照量Q'确定日照时数。
2.1.3太阳能电池组件的串联数量(NS)
太阳能电池组件通过串联即可得到需要的工作电压；太阳能电池组件串联的数量多会导致串联输出的电压高于蓄电池的浮充电压，充电电流不会随之增加；反之串联的数量少则导致串联输出的电压低于蓄电池的浮充电压，蓄电池组不能有效充电；所以蓄电池组达到最佳充电状态需要根据其浮充电压去确定太阳能电池组件串联数量。
太阳能电池组件的串联数量(NS)为太阳能电池方阵输出电压的最小值UR(V)除以太阳能电池组件工作电压的最佳值UOC(V)；其中太阳能电池方阵输出电压的最小值UR(V)为蓄电池组的浮充电压Uf(蓄电池组的浮充电压为其在最低温度条件下蓄电池单体的最大工作电压与串联的电池数的乘积，阀控铅酸蓄电池的单体浮充电压2.2V)、二极管压降UD(取值0.7V)与其他因素引起的压降UC求和。
2.1.4太阳能电池组件的并联数量(NP)
(1)太阳能电池组件日发电量QP为太阳能电池组件最佳工作电流IOC、等效值峰值太阳小时数T、修正系数CZ(考虑到组件的组合、衰减以及充电效率等的损失，取值0.8)与太阳能电池组件的斜面修正系数KOP求积。
(2)两组最长连续阴雨天气间的最短间隔天数为NW，则该段时间内需补充的蓄电池容量Bcb为负载每天的平均耗电量QL(工作电流乘以每天的工作小时数)、最长连续阴雨天气数NL与安全系数A(取值1.1~1.4)的积。
(3)太阳能电池组件的并联数量(NP)。首先由两组最长连续阴雨天气间的最短间隔天数NW与负载每天的平均耗电量QL求积，求积的值与两组最长连续阴雨天气间的最短间隔天数内需补充的蓄电池容量Bcb求和，求和的值在与两组最长连续阴雨天气间的最短间隔天数NW和太阳能电池组件每日的发电量QP的积求商，所得商的结果再乘以蓄电池充电效率的温度修正系数ηc(环境温度0℃以上，充电效率90%，取值1.11；环境温度-5℃，充电效率70%，取值1.43；环境温度-10℃，充电效率62%，取值1.62)，再乘以太阳能电池组件表面灰尘、脏物等其他因素引起损失的总修正系数Fc(取值1.05)即可得到太阳能电池组件并联数NP。
2.1.5太阳能电池方阵功率P
太阳能电池方阵功率等于太阳能电池组件串联的数量NS、并联的数量NP与其额定功率PO的积。
2.1.6太阳能光伏方阵面积S
太阳能光伏方阵面积等于太阳能电池组件串联的数量NS与并联的数量NP、太阳能电池组件长、太阳能电池组件宽与方阵组件间的间隔余量(取值1.03)的积。
2.2离网型太阳能光伏发电系统的能量储存装置的设计
采用蓄电池组作为太阳能光伏发电系统的能量储存设备，是太阳能光伏发电系统的核心部件之一。太阳能光伏发电系统的蓄电池组正常工作在浮充状态，它的工作状态会因其前端太阳能电池方阵的发电量及终端负载用电量的调整而变化，蓄电池组的储存的能量会受环境温度的影响较大；且太阳能电池阵列由于每天的日照强度及时间不同，造成其发电量或多或少，均需靠蓄电池存储或补给。
蓄电池组容量B为负载日平均耗电量QL、每年中最长的连续阴雨天数NL、蓄电池温度校正系数TO(一般0℃以上取值1)、安全系数A(取值1.1~1.4)的积与蓄电池放电深度DOD(一般铅酸蓄电池取值0.75)求商。
2.3离网型太阳能光伏发电系统的设备安装布置及机械结构设计
为使太阳能光伏发电系统尽可能高效率的运行，需根据太阳能电池方阵所处位置及现场条件计算确定其方位角度及其组件安装的倾斜角度。北半球的太阳能电池方阵方位角应为正南或偏西南方向；倾斜角度根据冬季或夏季的负载需求在纬度±15°范围内调整。
根据现场条件，确定太阳能电池方阵的安装位置，要求方阵面不能有建筑物或树木遮挡；根据上述情况计算得到的太阳能电池组件的串并联数量及具体的组件尺寸来确定太阳能电池阵列的支架，同时应着重考虑其防风的因素。根据上述情况计算得到蓄电池组的数量以及厂家提供的蓄电池的安装尺寸大小确定蓄电池间的尺寸，利用已有配电室或新建配电室安装太阳能控制器及逆变器。
2.4离网型太阳能光伏发电系统的电气系统设计
根据计算得出的太阳能电池组件的串联数量、并联数量及组件设备厂家提供的安装要求进行组件的串并联连接；当串联组件的数目较多时，应采用并联旁路二极管的方法防止系统的反充电。根据太阳能光伏发电系统汇流柜的位置及组件的串并联形式计算各部分的电流及电压，合理选择配电保护用交直流断路器及电缆、光伏线、连接件等辅件。
对于太阳能电池方阵及其连接线路，应考虑其工作温度以及环境温度的影响；蓄电池组在温度降低时，输出容量会受到影响，在20℃以下时，温度每降低1℃，容量会下降1%。
根据太阳能发电系统的布置情况，场地内输配电线路主要采用室外电缆沟方式敷设，局部穿钢管直埋敷设。光伏电站的输电线路要求太阳能电池方阵至蓄电池的线路压降≤5%，支路压降≤2%。
2.5离网型太阳能光伏发电系统的防雷系统设计
离网型太阳能光伏发电系统一般安装在室外无遮挡的地方或者屋面等较高的地方，该系统易遭受雷电危害。离网型太阳能光伏发电系统应根据现场实际情况及安装方式来设置防直击雷的外部防雷装置，并应采取防闪电电涌侵入的措施。离网型太阳能光伏发电系统按三类防雷建(构)筑物设防，距离建筑物近时，可利用建筑物已有的防雷设施，距离建筑物远时或设置在建筑物屋面时，需设置接闪杆作为其防雷接闪器。离网型太阳能光伏发电系统应设置内部防雷装置，建筑物的地下室或地面层处，建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统、进出建筑物的金属管线应与防雷装置做防雷等电位连接。防雷装置的接地应与电气和电子系统接地共用接地装置，并应与引入的金属管线做等电位连接。外部防雷装置的专设接地装置宜围绕建筑物成环形接地体。为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气和电子系统线路的反击，单独设置的防雷接闪器引下线须与离网型太阳能光伏发电系统具有一定距离，且离网型太阳能光伏发电系统应采用电涌保护器作保护。
2.6离网型太阳能光伏发电系统的接地系统设计
离网型太阳能光伏发电系统应设置安全可靠的接地系统，保证系统的稳定运行，同时在系统故障时能保证电气装置与人身的安全。离网型太阳能光伏发电系统接地主要包括防雷接地、工作接地、保护接地、屏蔽接地。防雷接地：避雷针、避雷带、低压避雷器、外线出线杆上的瓷瓶铁脚及连接架空线路的电缆金属外皮的接地等。工作接地：光伏电池组件、逆变器、控制器、蓄电池组、配电柜的接地等。保护接地：光伏电池组件机架、控制器、逆变器、配电柜外壳、蓄电池支架、电缆外皮、穿线金属管道外皮的接地等。屏蔽接地：电子设备的金属屏蔽层需与地可靠连接。
综上所述，该企业离网型太阳能光伏发电系统电池方阵布置在综合楼旁边空地处，选用450W多晶硅光伏板720块，光伏板支架60套，光伏汇流柜10台；蓄电池组配置2V/1000Ah蓄电池352台，太阳能控制器(360V/600A)3台，逆变器(160kW/DC384V/AC380V)3台，蓄电池放置架352格，对综合楼已有配电室旁库房进行改造作为蓄电池间，利用已有配电室备用位置安装控制器及逆变器；同时需25mm2及120mm2动力电缆、光伏线、直流断路器、交流断路器、MC4头等其他安装辅材若干。
离网型太阳能光伏发电系统太阳能电池阵列靠近生活区综合楼侧利用生活区综合楼已有防雷措施作为其防雷设施，远侧采用避雷针(Φ25镀锌圆钢)作为防雷接闪器(避雷针距离太阳能电池阵列3m以上)，利用避雷针钢制支架作为防雷引下线，采用接地连接线就近引至建筑物防雷接地体；为防止雷电波侵入及雷电感应，光伏方阵至控制箱的电源输入馈线端出线杆上设阀式避雷器作为防雷电波侵入装置，引入建筑物的各种线路及金属管道采用全线埋地引入，并在入户端将电缆的金属外皮、钢管及金属管道采用接地连接线与总等电位端子箱连接，所有正常情况下不带电设备的金属外壳均应可靠接地并做等电位联结，同时系统装设SPD浪涌保护器进行防护。离网型太阳能光伏发电系统的防雷接地、工作接地、保护接地等采用联合接地系统，要求接地电阻不大于1欧姆；利用综合楼已有接地体作为光伏发电系统接地体，实测不满足要求时，增设人工接地极。
3结论
某金矿企业通过离网型太阳能光伏发电系统的应用，降低了企业年实际用电量和企业年实际综合能源消费量，为企业节能改造迈出了坚实的一步，同时对同行业其他金矿企业的节能改造具有借鉴意义。
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