Wie entwirft man ein Photovoltaik-Kraftwerk? Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Entwerfen eines Photovoltaiksystems 2025-07-14
Wie entwirft man ein Photovoltaik-Kraftwerk (Solar)? Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Entwerfen eines Photovoltaiksystems
Photovoltaik (PV) bezieht sich speziell auf ein Stromerzeugungssystem, das PV-Module verwendet, um Solarenergie direkt in Strom umzuwandeln.
Es ist eine neue und vielversprechende Methode zur Stromerzeugung und umfassenden Energienutzung. Sie befürwortet die Prinzipien der lokalen Stromerzeugung, der lokalen Netzanbindung und der lokalen Energieumwandlung. Dieser Ansatz erhöht nicht nur effektiv die Stromerzeugungskapazität von PV-Kraftwerken der gleichen Größenordnung, sondern löst auch das Problem der Leistungsverluste bei der Spannungsverstärkung und Fernübertragung.
Ein PV-Energieerzeugungssystem besteht aus Modulen, Montagestrukturen, Wechselrichtern, Hilfsmaterialien und Konstruktion. Unter diesen machen Module den Großteil der Kosten aus, während Montagestrukturen einen kleineren Teil ausmachen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Relativ kleine Ausgangsleistung
Im Allgemeinen liegt die Kapazität eines verteilten PV-Stromerzeugungsprojekts innerhalb weniger Kilowatt.
Im Gegensatz zu zentralisierten Kraftwerken hat die Größe eines PV-Kraftwerks wenig Einfluss auf die Effizienz der Stromerzeugung und somit wenig Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Die Kapitalrendite für kleine Fotovoltaikanlagen ist nicht unbedingt niedriger als die von Großanlagen.
** Niedrige Verschmutzung und erhebliche Umweltvorteile **
Verteilte PV-Stromerzeugungsprojekte erzeugen während des Betriebs keinen Lärm und verursachen keine Luft- oder Wasserverschmutzung.
**Kann lokale Stromknappheit teilweise lindern **
Die Energiedichte der verteilten PV-Stromerzeugung ist jedoch mit einer Leistung von nur etwa 100 Watt pro Quadratmeter relativ gering. Darüber hinaus kann die begrenzte Dachfläche, die für die Installation von PV-Modulen geeignet ist, Stromknappheit nicht grundlegend beheben.
Gleichzeitige Stromerzeugung und gleichzeitiger Verbrauch
Große Bodenkraftwerke erzeugen Strom durch Anschluss an das Übertragungsnetz nach Spannungserhöhung, die ausschließlich als Stromerzeugungsanlagen betrieben werden. Im Gegensatz dazu ist die verteilte PV-Stromerzeugung mit dem Verteilungsnetz verbunden und ermöglicht die gleichzeitige Stromerzeugung und den gleichzeitigen Verbrauch, wobei der Schwerpunkt auf dem lokalen Verbrauch liegt.
Einführung
Der Einsatz verteilter Photovoltaikanlagen ist ein wirksames Mittel zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie sind verteilte Photovoltaikanlagen immer ausgereifter geworden. Einschlägige technische Normen und Spezifikationen, wie GB/T 19939-2005 „Technische Anforderungen für den Netzanschluss von Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen“ und GB/T 29319-2012 „Technische Anforderungen für netzgekoppelte Wechselrichter von Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen“, bieten technische Unterstützung für den Entwurf, die Installation und den Betrieb von verteilten Photovoltaik-Anlagen.
Sicherheit
Das Design verteilter Photovoltaikanlagen muss den einschlägigen nationalen Normen und Industrievorschriften entsprechen, um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten. Blitzschutz und Erdungsdesign sind entscheidende Aspekte, um Schäden an Geräten zu verhindern und die Sicherheit des Personals zu gewährleisten. Das Design des Systems muss auch Umweltfaktoren und Betriebssicherheit berücksichtigen, um Risiken zu minimieren.
** Wirtschaftliche Vorteile**
Die wirtschaftlichen Vorteile verteilter Photovoltaikanlagen sind erheblich. Durch die Nutzung von Leerlaufdächern oder Freiflächen für die Stromerzeugung reduziert sie die Abhängigkeit von traditionellen Energiequellen, senkt die Stromkosten und bietet einen stabilen Return on Investment.
** Umweltauswirkungen**
Die verteilte Photovoltaik-Stromerzeugung hat minimale Umweltauswirkungen. Es trägt dazu bei, Treibhausgasemissionen und Luftverschmutzung zu reduzieren und trägt so zu nachhaltiger Entwicklung und Umweltschutz bei.
Anwendungsbeispiele
In den letzten Jahren wurden verteilte Photovoltaiksysteme in Wohn-, Gewerbe- und Industrieumgebungen in verschiedenen Regionen weit verbreitet eingesetzt. Erfolgreiche Fallstudien zeigen ihre Machbarkeit und Wirksamkeit und liefern wertvolle Erfahrungen für zukünftige Projekte.
** Projektübersicht**
Dieses Projekt nutzt etwa 30 m2 effektive Dachfläche, bestehend aus 12 Stück 260Wp PV-Module. Die Montagestruktur besteht aus einer Aluminiumlegierung mit einer Lebensdauer von 30 Jahren. Die installierte Gesamtkapazität beträgt 3,12 kWp für ein verteiltes PV-Energieerzeugungssystem auf dem Dach.
Das System verwendet einen 3KW Omnik PV-Wechselrichter, um Gleichstrom in 220V Wechselstrom umzuwandeln, der dann an die 220V-Leitung angeschlossen wird, die zur vorhandenen Indoor-Verteilbox des Eigentümers führt. Von dort aus ist es über eine 220-V-Leitung mit dem Niederspannungsverteilnetz des Eigentümers verbunden und ermöglicht die Stromversorgung des kommunalen Netzes.
** Projektstandort**
Das Projekt befindet sich in Hong'an County, nordöstlich der Provinz Hubei, an den südlichen Hängen der Dabie Mountains. Es grenzt an Macheng im Osten, Dawu im Westen, Huangpi (Wuhan) im Süden und Xinyang (Henan) im Norden. Die Grafschaft liegt 80 km von der Provinzhauptstadt Wuhan entfernt.
Die durchschnittliche frostfreie Zeit beträgt 236,4 Tage pro Jahr. Der durchschnittliche jährliche Niederschlag beträgt 1.116,2 mm, wobei die Sommerniederschläge die Hälfte der Gesamtmenge ausmachen. Der durchschnittliche jährliche Schneefall beträgt 8,3 Tage, die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit 77% und die durchschnittliche Windgeschwindigkeit 3 auf der Beaufort-Skala. Die durchschnittliche jährliche Sonnenscheindauer beträgt 1.998,8 Stunden, was 45% der möglichen Sonnenscheinstunden entspricht. Das Gebiet ist als Solarressourcenregion der Klasse III eingestuft.
PV(Solarpanel)** Modulauswahl**
Dieses Projekt verwendet 260P-60 polykristalline Silizium-Solarzellenmodule mit einer Nennleistung von 260Wp.
PV Grid-Tied Inverter Selection
Da es sich bei dem Projekt um ein verteiltes Wohnsystem mit einer Netzanschlussspannung von AC220V handelt, wird ein einphasiger PV-Wechselrichter ausgewählt.
Site-Auswahl
Bei verteilten PV-Stromerzeugungssystemen für Wohn- und Haushalte wird der Standort in der Regel auf Dächern oder im Freiland gewählt. Daher werden große natürliche Bedingungen (Sonnenstrahlung, geografische Lage, Transport, Wasserquellen) und Netzanschlussbedingungen (Abstand zum Anschlusspunkt, Abstand der Anschlusspunkte usw.) hier nicht berücksichtigt.
Umweltfaktoren wirken sich direkter auf die Standortauswahl für verteilte PV-Energieerzeugungssysteme für Wohn- und Haushalte aus. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören:
A. Vorhandensein von Abschattungshindernissen (sowohl kurz- als auch langfristig) B. Vorhandensein von Salzschäden oder Verschmutzung C. Winterschnee, Eis, Blitze und andere Gefahren
Für dieses Projekt befindet sich die Installation auf dem Dach des Eigentümers, ohne hohe Gebäude in der Nähe, so dass während des Designlayouts keine Schattenanalyse erforderlich ist.
Optimaler Neigungswinkel und Orientierung für PV-Arrays
Um die Erträge des Projekts zu maximieren und die Installation zu vereinfachen und gleichzeitig die ästhetische Attraktivität zu gewährleisten, zeigt eine professionelle PV-Simulationssoftwareanalyse, dass der optimale Sonnenneigungswinkel für diesen Standort 26 Grad beträgt, was nach Süden gerichtet ist.
Dies stellt sicher, dass die Stromerzeugung des Systems über den Jahreszyklus maximiert wird.
In Anbetracht von Faktoren wie der Stärke der PV-Montagestruktur, den Systemkosten und der Dachflächenauslastung wird der Neigungswinkel angepasst, um die Windeinwirkung zu reduzieren, die Strukturfestigkeit zu erhöhen, die Kosten zu senken und die Raumausnutzung zu verbessern, ohne die Stromerzeugung signifikant zu reduzieren (um nicht mehr als 1%).
Die Analyse legt einen empfohlenen Neigungswinkel von etwa 17 Grad nahe (ausgerichtet auf die nach Süden gerichtete Neigung des Daches).
Optimaler Abstand zwischen PV-Arrays
Um die beste jährliche Stromerzeugung zu erreichen und die Dachauslastung zu maximieren, sollte der Abstand zwischen den PV-Arrays eine gegenseitige Abschattung zwischen 9:00 und 15:00 Uhr zur Wintersonnenwende (22. oder 23. Dezember) verhindern. Dieser Abstand wird als optimal angesehen.
Professionelle PV-Software-Simulationen zeigen, dass bei einem Kippwinkel von 17 Grad und einem Mindestabstand von 5 Metern zwischen den tiefsten Punkten benachbarter Arrays eine gegenseitige Abschattung während der angegebenen Zeit zur Wintersonnenwende effektiv vermieden wird.
**Serien-Parallel-Design für PV-Arrays **
In verteilten PV-Stromerzeugungssystemen werden Solarzellenmodule in Reihe geschaltet, um Strings zu bilden. Reihenschaltungen erhöhen die Gleichspannung des Systems, um den Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters anzupassen, und stellen sicher, dass das System innerhalb der Grenzen des Wechselrichters unter unterschiedlichen Sonneneinstrahlungs- und Temperaturbedingungen arbeitet.
Für dieses Projekt beträgt die maximale Gleichspannung des Wechselrichters (maximale Array-Open-Circuit-Spannung) 550 V, mit einem maximalen Power Point Tracking (MPPT) Bereich von 70-550 V und einem MPPT-Kanal pro Parallelverbindung.
Unter Verwendung von 12 Stücken von 260W polykristallinen Silizium-Solarzellenmodulen mit jeweils einer Nennbetriebsspannung von 31,2V und einer Leerlaufspannung von 38V erfordert das vorläufige Design 12 Module in Serie.
Unter Standard-Testbedingungen (25 ± 2 ° C, 1.000 W / m2 Sonneneinstrahlung) beträgt die Nennbetriebsspannung des 12-Modul-Strings 374,4 V und die Leerlaufspannung 456 V, beide innerhalb des zulässigen Eingangsbereichs des Wechselrichters, was einen normalen Betrieb gewährleistet.
Unter unterschiedlichen Bedingungen:
Bei einer extrem niedrigen Temperatur von -10 ° C beträgt die maximale Leistungspunktspannung 12 × 31,2 × (0,35% × 35 + 1) = 420,3 V und erfüllt die maximale MPPT-Eingangsspannungsanforderung von 550 V.
Bei einer extrem hohen Temperatur von 42 ° C beträgt die Betriebsspannung 12 × 31,2 × (-0,35% × 17 + 1) = 352,1 V und erfüllt die Mindest-MPPT-Eingangsspannungsanforderung von 70 V.
Mit einem Systemspannungsverlust von 2% erfüllt das Design die betrieblichen Anforderungen vollständig.
Nach der Überprüfung wird die Anzahl der Module in Serie als 12 bestätigt.
Elektrisches Systemdesign
Basierend auf der Auswahl der PV-Module, der Wechselrichterauswahl und dem seriellen Paralleldesign wird die elektrische Anlage für dieses PV-Stromerzeugungsprojekt nach den Anforderungen des Eigentümers für den Niederspannungsanschluss konzipiert.
**Blitzschutz und Erdungsdesign **
Die Grundkomponenten eines netzgekoppelten PV-Energieerzeugungssystems umfassen: das Solarzellenfeld, die PV-Combiner-Box, den Boxtransformator und den Wechselrichter.
Die Montagestruktur für die Solarzellenanordnung besteht aus Metall und nimmt einen großen Raum ein, der typischerweise in offenen Bereichen installiert ist. Bei Gewittern ist es besonders anfällig für Blitzeinschläge. Angesichts der hohen Kosten von PV-Modulen und Wechselrichtern ist ein effektiver Blitz- und Überspannungsschutz unerlässlich, um wirtschaftliche Verluste zu vermeiden.
Zu den wichtigsten Blitzschutzmaßnahmen für netzgekoppelte PV-Kraftwerke gehören:
Externe Blitzschutzgeräte wie Blitzableiter, Streifen und Netze, um die elektromagnetischen Effekte von Blitzströmen, die in Gebäude eindringen, zu reduzieren und Strukturen zu schützen.
Die PV-Ausrüstung und die Gebäudeerdungssysteme sind mit verzinktem Stahl mit Korrosionsschutzbehandlung an Schweißpunkten verbunden. Dies reduziert den Gesamterdungswiderstand und schafft eine Äquipotentialfläche, wodurch Überspannungen durch Blitze minimiert werden.
Horizontale Erdungselektroden sind mindestens 0,5 Meter tief (unterhalb der Frostlinie) vergraben und mit Querklemmen in einem Gittermuster verbunden. Unterirdische Anschlüsse müssen mit korrosionsbeständigem Band umwickelt sein.
Für dieses Projekt umfasst das Blitzschutzdesign den Außenschutz (Erdung von Leitern) und den Innenschutz (Überspannungsschutz).
Beschreibung des Lichtschutzes:
Interner Schutz: Ein Klasse-II-Überspannungsschutz wird zwischen den Neutral-, Live- und Massedrähten am Wechselstromausgang des netzgebundenen Wechselrichters installiert. Der Erdungsanschluss des Überspannungsschutzes ist über horizontale Erdungselektroden mit dem Erdungsnetz (bestehende oder neu installierte) verbunden.
*6 Umsatzanalyse
Schlüsselreferenzen:
Methods and Parameters for Economic Evaluation of Construction Projects (Third Edition) (herausgegeben von der National Development and Reform Commission und dem Ministerium für Bau im Juli 2006), State Council Notice on the Trial Implementation of a Capital System for Fixed Asset Investment Projects, and other relevant national policies.
Politik der Provinz Hubei.
Nationale aktuelle Darlehenszinssätze, Steuervorschriften und damit zusammenhängende Bestimmungen.
Finanzielle Bewertung
Die statische Gesamtinvestition für dieses Projekt beträgt 28.100 Yen bei einer Projektlaufzeit von 20 Jahren (1 Monat Bauzeit und 20 Jahre Betriebszeit). Die Kapitalquote beträgt 100%, wobei das erste Jahr als Basisjahr gilt. Die Abschreibungsdauer beträgt 20 Jahre bei einem Restwert von 5%.
Andere finanzielle Parameter basieren auf nationalen Vorschriften oder Industriestandards.
** Wirtschaftliche und technische Hauptindikatoren**
Nein.
Position
Einheit
Wert
1
Installierte Gesamtkapazität
kWp
3.12
2
20 Jahre kumulative Stromerzeugung
kWh
63,690
3
Durchschnittliche jährliche Stromerzeugung
kWh
2,81
4
Höchstleistung
kW
-
5
Jährliche durchschnittliche effektive Nutzungszeiten
h
4.7
6
Durchschnittliche jährliche Stromversorgung pro Flächeneinheit
kWh/m2
1,69
7
20 Jahre durchschnittliche jährliche Stromversorgung
kWh
6.39
8
Äquivalente volle Ladestunden
h/kWh
0,42 (20 Jahre)
9
Durchschnittliche Stromkosten pro kWh
¥/kWh
0,25 (5 Jahre)
10
Erstinvestition je Kapazitätseinheit
¥/kWh
0,567
11
Jährliche durchschnittliche Gewinnspanne
%
3,58
12
Interne Rendite
%
6,37
Hinweis: Für die verteilte Stromerzeugung in kleinen Wohngebäuden befreit der Staat die Mehrwertsteuer (MwSt.).
Dieses Projekt hat eine installierte Gesamtleistung von 3,12 kWp, mit einer kumulativen Stromerzeugung von 63.690 kWh über 20 Jahre. Es arbeitet in einem "Selbstverbrauch mit überschüssiger Energie, die in das Netz eingespeist wird" Modus, mit einer Selbstverbrauchsrate von 70%. Die interne Rendite (IRR) für Eigenkapital beträgt 6,37% und die Amortisationsdauer 7,76 Jahre.
Nach der Fertigstellung wird das 3,12-kW-PV-Kraftwerk durchschnittlich 3.123 kWh pro Jahr erzeugen (berechnet über 25 Jahre). Ausgehend von einem theoretischen Kohleverbrauch von 350 g Standardkohle pro kWh für die thermische Stromerzeugung ergeben sich folgende Vorteile für die Energieeinsparung und die Emissionsminderung:
Tabelle: Indikatoren für die Umweltverträglichkeitsprüfung
Indikator
Einheit
Wert
Einheitenumrechnung
Wert
Standard-Kohleäquivalent (tce)
Emissionsfaktor (25 t/Jahr)
** Schwefeldioxidemissionen (2007)**
kgce/kWh
0,35
tce
1.09
27.33
Verteiltes Photovoltaiksystem
kg/kWh
1
t
3.12
78.08
Verteiltes Photovoltaiksystem
g/kWh
3,35
t
0,01
0,26
** CO2-Reduktion**
g/kWh
859.845
t
2,69
67.13
SO2-Reduktion
g/kWh
8.03
t
0,033
0,63
Anmerkungen:
"tce" steht für "ton of coal equivalent".
Die Werte werden wie vorgesehen übersetzt, wobei "t" metrische Tonnen und "g/kWh" als Gramm pro Kilowattstunde darstellt.
Die Tabelle Struktur und Einheiten sind für Klarheit und Konsistenz erhalten.
Die Gesamtinvestition für das 3,12 kW auf dem Dach verteilte PV-Armutsbekämpfungsprojekt beträgt 28.100 Yen mit einer jährlichen Stromerzeugung von etwa 3.184 kWh und einem Jahresumsatz von etwa 3.200 Yen.
Daher bieten verteilte Haushalts-PV-Systeme nicht nur stabile Anlagerenditen und hervorragende Energieeinsparungs- und Emissionsminderungseffekte, sondern lösen auch effektiv Einkommensprobleme für Bevölkerungsgruppen mit niedrigem Einkommen und erreichen eine gezielte Armutsbekämpfung.
Südostasien ergreift mehrere Maßnahmen zur Entwicklung der Photovoltaikindustrie (/blog/58.html)
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Raum A612, Changhe Economic City, Nangang Science Park, Schnittpunkt der Dabieshan Road und der Tianlong Road, High-Tech Zone
