光伏预制舱的设计与应用技术研究

光伏预制舱的设计与应用技术研究

徐品达  李泉

上华电气有限公司

摘要：光伏预制舱作为一种集成化、模块化的解决方案，正逐步应用于太阳能发电领域，以提升电站的建设效率与运行管理。本文深入研究了光伏预制舱的设计与应用技术，旨在优化其性能，推动行业进步。光伏预制舱的概念源于对电站建设速度与经济性的追求，它将电站的电气设备、控制系统以及必要的辅助设施集成于模块化的箱体内，实现了电站的快速安装与便捷维护。

关键词：光伏预制舱；设计原理；应用效果；技术研究；可再生能源

1引言

随着全球环境问题的日益严峻和可再生能源技术的快速发展，太阳能光伏作为清洁、可再生的能源，已成为解决能源危机和实现可持续发展的重要途径。光伏预制舱作为一种创新的集成化、模块化解决方案，正逐步引领光伏电站建设模式的变革。本章旨在阐述光伏预制舱研究的必要性，概述其研究背景、目标与意义，为后续章节的深入探讨奠定基础。

2光伏预制舱的概念与背景

2.1 光伏预制舱的定义与分类

光伏预制舱，全称为光伏能源预制舱，是一种将光伏电站的电气设备、控制设备、电缆及其它辅助设施集成于标准化、模块化的箱体结构中的创新装置。这种箱体设计使得光伏组件、逆变器、电池、监控系统等组件可以在工厂内预先安装、测试完毕，然后运至现场快速连接并调试，显著降低了现场施工的复杂性与时间成本，提高了电站的整体质量与可靠性。

根据功能和应用场景的不同，光伏预制舱可以被划分为不同类型：

并网型光伏预制舱：主要用于大型地面电站和屋顶电站，主要包含逆变器、断路器、监控系统等设备，旨在将光伏产生的直流电转换为交流电，并接入公共电网。

离网型光伏预制舱：适用于偏远地区或无电网覆盖的区域，往往集成有电池储能系统，能够独立为用户供电，也可能配备有发电机作为备用电源。

微电网型光伏预制舱：结合了并网和离网的功能，支持与电网互动，同时在电网中断时能独立运行，为特定区域或社区提供稳定电力。

储能与逆变一体型光伏预制舱：集成电池储能和逆变器，优化了系统的储能能力和并网性能，适用于可再生能源并网比例高的地区。

2.2 光伏预制舱的应用领域

光伏预制舱的应用领域广泛且多样，其便捷性、高效性和环境适应性使其在不同规模和环境条件下都能发挥出显著优势。

大型地面电站与屋顶电站：

光伏预制舱在大型地面电站和屋顶电站中应用最为普遍。它们通过集成并网型预制舱，实现光伏组件、逆变器、断路器、监控系统的快速安装，缩短了建设周期，降低了施工难度，同时提高了电站的整体效率和稳定性。特别是在屋顶电站中，由于空间有限，预制舱的紧凑设计更显优越。

微电网与分布式能源：

随着微电网和分布式能源系统的兴起，光伏预制舱作为关键组成部分，能够灵活适应不同规模和复杂度的电力系统。通过集成储能和逆变一体型预制舱，系统能够实现电力的自我平衡，提高电力质量，同时也为电网提供了一种可靠的备用电源。

户用光伏：

户用光伏预制舱针对家庭用户设计，集成度高，安装简便，能够满足家庭日常电力需求。特别是在无电网覆盖或电网不稳定地区，户用光伏预制舱提供了一种自给自足的清洁能源解决方案。

3光伏预制舱的设计原理

3.1 光伏组件的选材与配置

光伏组件是光伏预制舱的核心部分，其性能直接影响到整个系统的发电效率和经济性。光伏组件主要由光伏电池片、封装材料、框架、接线盒和背板等组成。在设计光伏预制舱时，对光伏组件的选材与配置需要充分考虑以下几个关键因素：

光伏电池片类型：

光伏电池片主要有单晶硅、多晶硅、薄膜（如CIGS、CdTe）和新兴的异质结（HJT）、钙钛矿等类型。单晶硅和多晶硅电池片转换效率较高，稳定性好，是目前市场上的主流。薄膜电池则具有轻薄、柔性和成本较低的优点，适合于特殊场合。新兴技术如HJT和钙钛矿具有更高的理论转换效率，但商业化程度相对较低。

效率与成本平衡：

在选材时，需要在电池片的转换效率和成本之间寻找最佳平衡。高效电池片虽然可以提高发电量，但成本较高。在保证系统整体经济效益的前提下，选择适当效率的电池片是关键。

温度系数：

光伏组件的工作效率会随着温度的升高而降低。因此，优化组件的温度系数可以提高在高温环境下的发电性能。选择具有较低温度系数的电池片以及设计良好的散热系统，有助于减小温度对效率的影响。

电气配置：

组件的串联、并联配置，以及接线盒的设计对整个系统的电流、电压特性至关重要。合理的电气配置可以降低内部损耗，提高系统发电效率。

模块功率与舱体布局：

根据舱体的尺寸和载荷能力，设计合适的模块功率，优化舱内布局，确保在有限空间内最大化发电量，同时保持良好的通风和散热条件。

3.2 光伏预制舱的结构设计

光伏预制舱的结构设计是确保其内部设备稳定运行、延长使用寿命的关键环节。设计者在考虑舱体结构时，不仅要满足功能需求，还要充分考虑环境适应性、安全性和经济性。以下是光伏预制舱结构设计的几个核心要素：

舱体材料选择：

选择高耐久、轻量化、抗腐蚀的材料是首要任务。常用的材料有铝合金、不锈钢、玻璃钢和复合材料等。铝和不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，但重量较重；玻璃钢和复合材料则更轻，但需确保其强度和耐久性满足长期户外使用的要求。

舱体形状与尺寸：

舱体形状应考虑空气动力学，减少风阻，提高稳定性，尤其是在高风速地区。尺寸设计应考虑到运输和安装的便利性，同时要能容纳所有必要的设备，为未来可能的扩容预留空间。模块化设计也有助于运输和安装，以及未来的维护和升级。

结构强度与稳定性：

结构设计必须保证舱体在各种环境条件下（包括风、雪、地震等自然灾害）的稳定性。固定和支撑系统应能承受预期的载荷，并确保舱体在运输和安装过程中不易受损。

4光伏预制舱的应用效果与优劣分析

光伏预制舱的应用效果与优劣分析是评估其技术成熟度和市场价值的重要环节。通过对比研究，不仅可以了解预制舱在不同应用场景下的实际表现，还能为设计优化和市场推广提供依据。这一章将通过实际案例，深入探讨光伏预制舱在提高电站并网效率、降低运维难度、减少占地等方面的优点，同时也会分析其在舱体尺寸限制、扩展性不足等方面存在的挑战。

在实际应用中，光伏预制舱已经在全球范围内得到了广泛应用，尤其是在大型地面电站、分布式屋顶系统、微电网、偏远地区等不同场景中。例如，在中国西北地区的大型地面电站中，光伏预制舱凭借其快速安装和便捷维护的优势，显著缩短了建设周期，降低了总体成本。同时，舱体内的设备经过工厂预装和测试，使得电站的稳定性和可靠性得到了显著提高，减少了现场调试和运维的工作量。

在分布式光伏项目中，如城市屋顶光伏电站，光伏预制舱的紧凑设计和模块化特性使其在有限的空间内实现了最大化的电力输出。由于舱体的标准化设计，使得安装和维护变得简单易行，降低了对专业人员的依赖。此外，预制舱的环境适应性设计确保了系统在各种气候条件下的稳定运行。

5 结束语

光伏预制舱作为一种模块化、集成化的解决方案，已经逐渐在太阳能发电领域崭露头角，为电站建设的高效化、经济化和环保化做出了重要贡献。本研究系统地探讨了光伏预制舱的设计原理，包括选材配置、结构设计，以及其在不同应用场景下的应用效果，同时分析了其优劣，指出了存在的问题与未来改进的方向。

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