屋頂光伏發(fā)電與儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)

韓月　徐志偉

摘 要：文章通過(guò)理論分析與計(jì)算，對(duì)屋頂光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)電氣設(shè)備進(jìn)行選型。采用多晶硅太陽(yáng)電池，根據(jù)光伏發(fā)電原理，通過(guò)匯流、逆變、升壓、儲(chǔ)能等步驟，將光伏電站系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的自產(chǎn)、自用、自銷。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；電能

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0088-03

Abstract： Through theoretical analysis and calculation， the roof photovoltaic system and grid-connected electrical equipment are selected. Adopting polysilicon solar cell， according to the principle of photovoltaic power generation， and through confluence， inverter， boost， energy storage and other steps， the photovoltaic power station system will be connected to the public power grid to achieve self-generation， self-use and self-consumption of electrical energy.

Keywords： photovoltaic power generation； grid-connected； electric energy

引言

太陽(yáng)能作為一種新型能源，具有清潔、環(huán)保，可再生等特點(diǎn)，是人類開(kāi)發(fā)的重要綠色能源之一。其中，光伏發(fā)電是利用光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。如今光伏發(fā)電已進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段，其應(yīng)用十分廣泛，如為無(wú)電區(qū)提供電力；并網(wǎng)發(fā)電；生產(chǎn)太陽(yáng)能電子產(chǎn)品，在交通上使用的路燈等。

屋頂分布式光伏發(fā)電是常見(jiàn)的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，合理選擇發(fā)電的相關(guān)設(shè)備，設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，可提高對(duì)太陽(yáng)能資源的利用率。本文就屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)做項(xiàng)目設(shè)計(jì)，接入公共電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的自產(chǎn)、自用、自銷。

1 設(shè)備與安裝的選擇

1.1 光伏電池

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池，主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜電池等[1]。太陽(yáng)電池的材料決定著制作成本和光電轉(zhuǎn)換效率，目前單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)26%，但其制作工藝復(fù)雜、加工繁瑣，導(dǎo)致單晶硅太陽(yáng)電池成本一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他太陽(yáng)電池。

就制作工藝而言，多晶硅太陽(yáng)電池在生產(chǎn)過(guò)程中能量消耗低，材料制造相對(duì)簡(jiǎn)單，制造時(shí)不污染環(huán)境，比單晶硅太陽(yáng)電池更經(jīng)濟(jì)環(huán)保。而且，經(jīng)德國(guó)研究人員的努力，其轉(zhuǎn)換效率也突破20.3%[2，3]。

此外，文獻(xiàn)[4-5]研究發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)與溫度對(duì)單晶硅、非晶硅電池輸出電流與電壓的影響規(guī)律相同，但對(duì)非晶硅電池的工作影響較大，在光照強(qiáng)度或溫度條件相同時(shí)，晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率高于非晶硅太陽(yáng)電池。

因此，綜合光電轉(zhuǎn)換效率、制作成本、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等因素，本次設(shè)計(jì)選擇多晶硅太陽(yáng)電池。

1.2 布局方式

光伏發(fā)電系統(tǒng)中最小的發(fā)電單元是每個(gè)光伏組件。通常在安裝底座上將多個(gè)光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)，形成固定的直流發(fā)電單元，進(jìn)而組成光伏發(fā)電方陣。

屋頂光伏組件固定擺放方式可大幅降低工程建設(shè)成本、減少維護(hù)和檢查費(fèi)用，其中，條形基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)單，場(chǎng)地平坦時(shí)可直接放置于地面，屋頂面積使用率高、施工速度快。因此本文采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)安裝方式。

此外，設(shè)計(jì)時(shí)，要確保光伏系統(tǒng)全年高效運(yùn)行。光伏電池要以最佳傾角來(lái)安裝，以便采集更多的太陽(yáng)輻射量。為簡(jiǎn)便，取北回歸線為北緯N23°，揚(yáng)州經(jīng)緯度取北緯N32°，東經(jīng)E119°。

根據(jù)規(guī)范[6]得出獨(dú)立系統(tǒng)安裝時(shí)組件傾角為37°，并網(wǎng)系統(tǒng)安裝傾角為28°，斜面日均輻射量14207kJ/m2，日輻射量13400kJ/m2。

1.3 光伏板與逆變器

屋頂總面積為6125m2，尺寸24.5m×250m，位于揚(yáng)州市。光伏組件均采用XHGD-300W多晶硅組件，功率為300W，轉(zhuǎn)換效率為17.5%，結(jié)構(gòu)尺寸為1950mm×990mm×40mm。

系統(tǒng)中逆變器是把光伏方陣產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并入配電網(wǎng)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量，綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)及安全要求，確定選用30kWh組串式逆變器方式。此型號(hào)的光伏并網(wǎng)逆變器支持六路組串檢測(cè)，可快速定位故障發(fā)生位置，有保護(hù)功能和發(fā)生短路、過(guò)載、電網(wǎng)等異常故障時(shí)的報(bào)警功能，且無(wú)諧波污染供電。

1.4 組件排布

光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證全年包括夏至日和冬至日9：00am-15：00pm內(nèi)各個(gè)方位互不遮擋。間距可由下列公式計(jì)算[7]：

其中，組件開(kāi)路電壓溫度系數(shù)Kv=-0.32%/℃，開(kāi)路電壓VOC=42.6V，工作電壓Vpm=35.8V，組件峰值功率電壓溫度系數(shù)K'v=-0.41%/℃，組件工作條件下極低和極高溫度分別為t=-25℃，t'=+60℃，逆變器允許最大輸入電壓Vdcmax=1000V，逆變器允許的mppt電壓最大和最小值分別為Vmpptmax=800V，Vmpptmin=500V。在公式（2）和公式（3）中帶入數(shù)值，得16.3？燮N？燮18.5，取N=18。

為減少支架購(gòu)買費(fèi)用，將兩塊光伏組件橫向疊加擺放，每個(gè)光伏方陣由2行9列，共18塊光伏組件串聯(lián)而成，長(zhǎng)17.55m，寬1.984m。取L=1.984m，根據(jù)公式（1）計(jì)算，方陣間距取D=3.62m。本次設(shè)計(jì)共65個(gè)光伏方陣，5行13列，1170塊光伏組件。每行的方陣間隔0.33m，每列的方陣由計(jì)算所得的D值再多0.556m過(guò)道寬。

2 并網(wǎng)

2.1 并網(wǎng)方式

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏方陣、逆變器及輸配電系統(tǒng)三大部分組成，根據(jù)本光伏電場(chǎng)規(guī)劃容量，本次設(shè)計(jì)將光伏組件串聯(lián)組成光伏方陣，然后與逆變器連接，所發(fā)電量通過(guò)逆變、低壓交流匯流接入配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)400V低壓并網(wǎng)接入。之后通過(guò)升壓變壓器將電壓升至10kV，再經(jīng)過(guò)線路接入變電站10kV的母線其他配電設(shè)施上。

2.2 部分電氣設(shè)備的選擇

2.2.1 匯流箱的選擇

匯流箱在光伏發(fā)電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)有序匯合光伏組件產(chǎn)生的電流。它能保證在光伏系統(tǒng)維護(hù)、檢查時(shí)方便切斷電路以及當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)縮小被影響的范圍。

本文采用組串式逆變器，為了減少逆變器后端的電纜接線、提高系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性，設(shè)計(jì)選擇上海新馳SHLX-AC8交流匯流箱。

2.2.2 并網(wǎng)柜的選擇

并網(wǎng)柜是連接光伏電站和低壓母線的配電裝置，負(fù)責(zé)分離光伏系統(tǒng)和母線，使電能更安全地接入電網(wǎng)。對(duì)于低壓并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)還需增加光參考計(jì)量及一定的保護(hù)功能。光伏并網(wǎng)柜作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流總出口，必不可少。

本設(shè)計(jì)選擇愛(ài)斯凱最大功率500kW交流并網(wǎng)柜，尺寸800×2200×800mm。

2.2.3 蓄電池的選擇

該設(shè)計(jì)要求配備合適容量的儲(chǔ)能裝置，即蓄電池，并能夠向負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的電力。容量可由下面計(jì)算公式得到：

式中最長(zhǎng)無(wú)日照期間用電時(shí)數(shù)D=240h，儲(chǔ)能電池放電效率修正系數(shù)F=1.05，平均負(fù)荷容量P0=0.13kW，儲(chǔ)能電池的放電深度U=0.7，逆變器等交流回路的損耗率Ka=0.8。可得CC=60kWh，繼而可計(jì)算出需要50塊蓄電池（12V，100Ah）。

由于蓄電池和低壓母線不能直接連接，本文中連接蓄電池的裝置選擇PCS儲(chǔ)能逆變器，多用于儲(chǔ)能，可進(jìn)行雙向逆變，是一種具有特殊功能并網(wǎng)逆變器。當(dāng)電能充足時(shí)，通過(guò)PCS將電能存儲(chǔ)于蓄電池；當(dāng)電能不足時(shí)，將存儲(chǔ)的電能通過(guò)PCS供應(yīng)母線。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 屋頂光伏站的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)逐漸成熟完整，光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝成本隨光伏組件和逆變器價(jià)格的下降而下降。屋頂光伏發(fā)電能很好地順應(yīng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展大潮流，實(shí)現(xiàn)電能自產(chǎn)自銷、自產(chǎn)自用，很大程度上節(jié)約用電成本，且獲得投資收益。

3.2 光伏發(fā)電量的計(jì)算

3.2.1 發(fā)電量收益

本次設(shè)計(jì)在屋頂安裝光伏容量350kWp，場(chǎng)地總面積約6125平方米，尺寸24.5m×250m，場(chǎng)址位于揚(yáng)州市，本光伏電站為工廠自建。

系統(tǒng)發(fā)電量由下面公式計(jì)算得到：

考慮到光伏電站10年衰減10%，25年衰減20%，25年平均的年發(fā)電量約為38.6萬(wàn)kWh。

江蘇省最新的光伏上網(wǎng)電價(jià)調(diào)整為0.75元/kWh，若電站每年的電量全部上網(wǎng)，每年平均可獲收益約為29萬(wàn)元。

3.2.2 電站成本

主要電氣設(shè)備數(shù)量及價(jià)格如表1所示。此外，通信和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用約為10萬(wàn)元；建筑工程方面有屋面處理、基礎(chǔ)安裝及接地工作、電纜敷設(shè)、并網(wǎng)接入、設(shè)備運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)等需花費(fèi)約45萬(wàn)元；其他屋面租用、勘察設(shè)計(jì)、建造管理等費(fèi)用約20萬(wàn)元。另外，設(shè)備安裝及場(chǎng)地建造的人工費(fèi)用約30萬(wàn)元。

電站總成本約為285萬(wàn)元，若每年正常運(yùn)作發(fā)電，約9年收回成本，后期即可獲益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)屋頂光伏發(fā)電的基礎(chǔ)部件、電氣設(shè)備進(jìn)行選擇，同時(shí)系統(tǒng)分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)收益。當(dāng)然，建造光伏系統(tǒng)中的細(xì)節(jié)還有所欠缺，如何進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，怎樣減少成本，讓利益最大化等等，都是今后需要努力的地方。

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