2.28MWp太陽能光電建筑的示范應用與設計

河南省高校節(jié)能照明工程技術研究中心 ■ 員瑩

三門峽鵬飛電子有限責任公司 ■ 高海云

一 引言

隨著全球經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源消費也相應的持續(xù)增長，能源的稀缺性越來越突顯，大規(guī)模開發(fā)和利用可再生能源已成為未來各國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電因無污染、儲量豐富而受到廣泛關注。從20世紀90年代末開始，歐美、日本等國家紛紛實行“陽光計劃”。我國也先后出臺了一系列相應的政策，2009年，財政部、住房和城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合發(fā)布了《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》；2010年，財政部等四部委又聯(lián)合發(fā)布了《關于加強金太陽示范工程和太陽能光電建筑應用示范工程建設管理的通知》，從政策、法律上有力地支持了我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

三門峽產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)2.28MWp太陽能光電建筑應用是經(jīng)財政部批準立項，由三門峽鵬飛電子有限責任公司負責承建的示范項目。本文將對該項目太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計進行詳細介紹。

二 系統(tǒng)總體設計方案

項目所選用的建筑為三門峽產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)三門峽鵬飛電子有限責任公司1-5#，7-11#，14-15#，20#廠房。通過對這些建筑物的實地勘測，整個廠房建筑物均為坐北朝南，且東、西、南側均無明顯的高大近距離障礙物遮擋屋頂?shù)墓庹?，屋面載重符合要求，可在屋頂架設光伏組件。因此，項目充分利用廠房建筑屋頂空間，采取分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的方案建設大型太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電站，系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能主要用于企業(yè)自身負載。

光伏組件總峰瓦值為2MW，按照4個500kWp的光伏并網(wǎng)發(fā)電單元進行設計，每個500kWp發(fā)電單元采用1臺500kW并網(wǎng)逆變器。每個光伏并網(wǎng)發(fā)電單元的電池組件采用串并聯(lián)的方式組成多個太陽電池陣列，太陽電池陣列輸入?yún)R流箱后接入直流配電柜，再經(jīng)光伏并網(wǎng)逆變器和交流防雷配電柜并入0.4kV配電網(wǎng)絡。當電網(wǎng)發(fā)生故障或變電站由于檢修臨時停電時，光伏電站自動跟蹤保護及時停機不發(fā)電；當電網(wǎng)恢復后，自動恢復并網(wǎng)發(fā)電。當有多余電量輸出時，系統(tǒng)有防逆流保護裝置及措施，防止對電網(wǎng)造成損傷。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

三 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設計

1 系統(tǒng)組成

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件及其支架、方陣防雷接線箱、直流配電柜、光伏并網(wǎng)逆變器、配電保護系統(tǒng)和系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置組成，系統(tǒng)配置表見表1。

2 太陽電池陣列設計

(1)太陽電池陣列安裝傾角的確定

根據(jù)現(xiàn)場勘測，安裝現(xiàn)場位于北緯33.4?，鋪設太陽電池陣列的最佳傾角不應超過該緯度。根據(jù)當?shù)氐年柟庹丈錀l件，每年5～9月是太陽光照射強度最大時間段，日照輻射總量約占全年輻射總量的75%，該時間段的太陽光垂直入射所對應的平均安裝傾角約為30?。由于采取并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，電網(wǎng)作為儲能裝置，不必像蓄電池那樣受到容量的限制，故太陽電池陣列的安裝傾角為全年能接收到最大太陽輻射量所對應的角度。綜合考慮各因素，安裝方式采取光伏組件表面與地面水平方向呈30?的最佳傾角朝陽安裝，光伏組件表面的水平方位角為S0?W，即為正南方向。

表1 系統(tǒng)配置表

(2)太陽電池組件選型

目前工程上應用的太陽電池組件主要為晶體硅電池組件，其中單晶硅太陽電池轉換效率最高，多晶硅次之，但實際應用中兩者差別較小。由于多晶硅成本較低，比單晶硅應用更多，因此項目采用型號ZKX-230P-24、功率為230Wp的多晶硅太陽電池組件，電池片單體光電轉換效率約為16%～17%。主要參數(shù)見表2。

表2 太陽電池組件技術參數(shù)

(3)光伏組件串、并聯(lián)方式設計

光伏陣列通過組件串、并聯(lián)得到，組件的串并聯(lián)必須滿足并網(wǎng)逆變器輸入電壓和輸入功率的要求。系統(tǒng)采用500kW光伏并網(wǎng)逆變器，直流工作電壓范圍為400～880Vdc。光伏組件為230Wp的多晶硅組件，其Voc為36.8V。太陽電池組件串聯(lián)的組件數(shù)量Ns=880/36.8≈24塊，考慮溫度變化系數(shù)，取20塊太陽電池組件串聯(lián)形成一條支路單元，每條支路單元的串聯(lián)功率為4.6kWp。系統(tǒng)共計8700塊太陽電池組件，實際功率達到2001kWp。

3 并網(wǎng)逆變器的選擇

并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的重要設備，其功能是將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電轉換成交流電。系統(tǒng)選用許繼柔性輸電系統(tǒng)公司自主開發(fā)的GBL200-500/380-ST光伏并網(wǎng)逆變器，每臺逆變器的額定功率為500kW，均含有隔離并網(wǎng)變壓器，實現(xiàn)電氣隔離。逆變器的核心控制采用基于SVPWM的無沖擊同步并網(wǎng)技術，保證系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)同頻、同相和同幅值。

4 光伏方陣直流防雷匯流箱設計

匯流箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要作用是按照一定的串、并聯(lián)方式將光伏陣列連接到一起，以便對光伏陣列實施監(jiān)控。考慮到并網(wǎng)系統(tǒng)在安裝和使用過程中的安全及可靠性，為減少光伏陣列到逆變器之間的連接線及方便日后維護，需在光伏組件與逆變器之間增加光伏陣列直流匯流箱。系統(tǒng)采用2種匯流箱KBT-PVG-9(9進1出)和KBT-PVG-12(12進1出)，整個并網(wǎng)系統(tǒng)需配置38臺直流防震匯流箱。每臺匯流箱均配備光伏專用高壓防雷器，具備防雷功能。

5 直流配電柜設計

每臺直流配電柜按照500kWp的直流配電單元進行設計，2MWp光伏并網(wǎng)單元需要4臺直流配電柜。每個直流配電單元可接入10路光伏方陣防雷匯流箱。每臺直流配電柜分別接入1臺500kW逆變器。

6 發(fā)電計量系統(tǒng)配置及選用

光伏發(fā)電設備的計量點通常設在光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)側，選用的電度表為多功能數(shù)字式電度表，具有優(yōu)越的測量技術及很高的抗干擾能力和可靠性。同時，還提供更靈活的功能：顯示電表數(shù)據(jù)、顯示費率、顯示損耗、狀態(tài)信息、報警等。顯示的內(nèi)容、功能和參數(shù)可通過光電通訊口用維護軟件來修改，通過光電通訊口還可處理報警信號，讀取電度表數(shù)據(jù)。

7 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計

系統(tǒng)配有完善的通訊監(jiān)控系統(tǒng)，全面檢測環(huán)境和系統(tǒng)的狀態(tài)，將光照強度、環(huán)境溫度、太陽能板溫度、風速等環(huán)境變量和系統(tǒng)的電壓、電流、相位、功率因數(shù)、頻率、發(fā)電量等系統(tǒng)變量通過RS485傳輸至控制中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控設備(如光伏并網(wǎng)逆變器、光照強度傳感器、溫度傳感器、電池檢測器等)、本地觸摸屏、遠程監(jiān)控中心等組成。利用模擬量采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，接入逆變器， 通過本地觸摸屏來進行操作和數(shù)據(jù)監(jiān)視，同時光伏并網(wǎng)逆變器數(shù)據(jù)由觸摸屏的RJ45端口采用Modbus/Tcp協(xié)議傳到遠程監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控中心將與各設備通訊的數(shù)據(jù)存入自己的實時數(shù)據(jù)庫，根據(jù)通訊速率，動態(tài)更新數(shù)據(jù)。

四 系統(tǒng)能效分析

按照光伏組件設計壽命為25年，系統(tǒng)平均每年衰減0.8%計，25年衰減不超過20%。考慮光伏陣列在能量轉換與傳輸過程中的損失，系統(tǒng)總效率按81.6%計，可預測25年運營周期總發(fā)電量。首年發(fā)電量約為249.2萬kWh，25年累計發(fā)電量約為5600.6萬kWh，年均發(fā)電量約為224萬kWh。

五 節(jié)能計算

一般發(fā)出1kWh電要消耗約0.36kg標準煤，同時產(chǎn)生0.272 kg碳粉塵、0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫和0.015kg氮氧化合物。系統(tǒng)年均發(fā)電量約為2240258kWh，預計每年可節(jié)省標準煤806.5t，可減少排放609.4t碳粉塵、233.5t二氧化碳、67.2t二氧化硫和33.6t氮氧化合物。

六 結論

太陽能光伏發(fā)電示范項目的建設，將有利于探索太陽能光伏電站的建設模式，增加可再生能源的比例，推進國家改進能源結構調(diào)整的步驟。從項目的實施預期效果來看，減排效果明顯，具有良好的社會效益，對光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展起到良好的帶頭作用。

[1] 李鐘實. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計施工與維護[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[2] 王春朝, 王金全, 劉文良. 天和家園43kWp屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設計[J]. 建筑電氣, 2007, (2):13－18.