光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

趙靈燕

（北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司，北京 100043）

0 引 言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”各項工作政策的發(fā)布，在眾多有利因素加持下，國家能源局表示“十四五”時期因地制宜地建設(shè)一批農(nóng)光互補、漁光互補、牧光互補等多模式的光伏發(fā)電項目[1]。光伏發(fā)電原理是光生伏打效應(yīng)。光生伏打效應(yīng)是半導(dǎo)體PN結(jié)表面受到太陽光照射時，其內(nèi)產(chǎn)生大量電子空穴對，在電場作用下運動，產(chǎn)生電動勢和電流。單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵以及硒銦銅等材料的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以常用的單晶體為例，結(jié)合華電韶關(guān)熱電公司3.8MW分布式光伏項目描述光伏發(fā)電的設(shè)計過程。

1 太陽能資源的分析

1.1 我國水平面太陽輻射分布

太陽總輻射包括3部分內(nèi)容，分別是直接輻射量、散射輻射量以及反射輻射量。直接輻射量為太陽直接發(fā)出而沒有被大氣散射改變投射方向的太陽輻射；散射輻射量是空氣等各種微粒被太陽輻射分散成無方向性且不改變其單色組成的輻射；反射輻射量是太陽輻射被表面折回的且不改變其單色組成的輻射。

按照GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》，太陽能資源豐富程度以太陽總輻射的年總量作為指標(biāo)（國際單位1 kWh/m2=3.6 MJ/m2國內(nèi)氣象單位）[2]。年水平面太陽總輻照量等級如表1所示。

表1 年水平面總輻照量等級

1.2 太陽能資源數(shù)據(jù)的獲取

太陽能資源數(shù)據(jù)的主要來源有以下兩個方面。一是NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)，美國國家航空航天局下屬的科學(xué)委員會長期支持衛(wèi)星觀測系統(tǒng)并提供相關(guān)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)系統(tǒng)研究。二是Meteonorm數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于瑞士的研究所，包含有全球7 000多個氣象站的輻照數(shù)據(jù)，其中我國有90多個氣象輻射觀測站收錄在該軟件的數(shù)據(jù)庫中[3]。

本項目采用Meteonorm7.0氣象數(shù)據(jù)計算得到場址代表年水平面總輻射量取值為4 795.2 MJ/m2，處于3 780～5 040 MJ/m2范圍內(nèi)，年水平面總輻射量屬于C類（豐富），太陽能資源穩(wěn)定度為0.42，項目所在地的太陽能資源屬于B類（穩(wěn)定），項目場址太陽能資源直射比年平均值為0.62。從太陽能資源的豐富性角度來看，本項目具備較好的開發(fā)潛力[4]。

2 光伏系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 光伏系統(tǒng)構(gòu)成

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件矩陣、逆變器、箱變、升壓站等組成，光伏組件矩陣所發(fā)出的直流電流經(jīng)逆變器逆變成交流電流，以一定的電壓等級從用戶側(cè)或公共電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)脚c電網(wǎng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 光伏組件的選用

單晶硅光伏組件的功率規(guī)格目前分為兩檔，分別為60片電池片（半片組件為120片）和72片電池片（半片組件為144片）。選型時需考慮降低光伏組件安裝量，減少安裝時間和安裝材料，減少系統(tǒng)連線，同時還要考慮市場供求關(guān)系。為確保項目如期順利投運，經(jīng)過詢價和調(diào)研市場上各功率段組件產(chǎn)能，本項目選用540W單晶PERC半片多主柵光伏組件，耐壓1 500 V，光電轉(zhuǎn)換效率為20.9%。

2.3 逆變器的選型及計算

逆變器是光伏發(fā)電站系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝備，應(yīng)具備如下功能和特點。一是高效的DC/AC功率變換和組串最大功率點追蹤，將光伏組件發(fā)出的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流再并入電網(wǎng)；二是支持多路最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)、低啟動電壓技術(shù)以及低運行/自耗電技術(shù)；三是能長期在1.1倍額定功率下運行；四是具有高可靠性技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)零接觸運維。

光伏電站的組串高精度數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)實現(xiàn)對每路組串電壓、電流數(shù)據(jù)的采集和上傳功能，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。本項目選用的100 kW組串式逆變器交流輸出額定功率100 kW，交流輸出最大功率110 kW，最高直流輸入電壓1 100 V，每路MPPT最大輸入電流26 A，每路MPPT最大短路電流40 A，MPPT電壓范圍200～1 000 V，額定輸入電壓585 V，輸出電壓頻率50 Hz，最大輸出電流158.8 A。

2.4 光伏系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 太陽電池組件的設(shè)計

本項目選用的組串式100 kW逆變器最高允許輸入電壓為1 100 V，輸入電壓MTTP工作范圍為200～1 000 V。電池組件串聯(lián)數(shù)計算公式為：

式中，Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；K′-v為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)（取整數(shù)）；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫；UDCmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Umpptmax為逆變器MPPT電壓最大值；Umpptmin為逆變器MPPT電壓最小值；Uoc為光伏組件的開路電壓（V）；Upm為光伏組件的工作電壓[5]。經(jīng)計算得，電池串聯(lián)數(shù)6≤N≤20。綜合考慮陣列排布的合理性及靈活性，選用18塊組件串聯(lián)組成一個太陽能電池組。結(jié)合所選100 kW逆變器的額定功率計算，每臺逆變器可接入10～12路串聯(lián)組件。

2.4.2 光伏子陣列排布

我國位于北半球，最大日照輻照接收量為正南方向，陣列傾角確定后，需關(guān)注南北方向前后陣列間的間距，避免出現(xiàn)陰影遮擋。光伏矩陣組件串前后排安裝時的最小距離計算原理如圖2所示。

圖2 最小距離計算原理

最小距離的確定原則為冬至日當(dāng)天早上9點至下午3點光伏矩陣不被遮擋。

太陽高度角的計算公式為：

太陽方位角的計算公式為：

最小距離計算公式為：

式中，Φ為當(dāng)?shù)鼐暥?5.14°；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.5°；ω為時角，早上9點的時角為-45°；H為組件矩陣前排最高點與后排組件最低的高度落差[6]。

經(jīng)計算，本工程地面部分陣列軸線間距按6.5 m考慮，混凝土屋面組件軸線間距按5.1 m考慮，彩鋼瓦屋面的光伏組件沿屋面平鋪安裝，故組件本身不產(chǎn)生陰影遮擋，但在進(jìn)行光伏組件的布置時要避開屋面采光通風(fēng)天窗的陰影以及屋脊高差產(chǎn)生的陰影。由于屋面面積緊張，為提高使用率，方陣間預(yù)留0.5 m的檢修通道。

3 發(fā)電量的計算

3.1 年理論發(fā)電量

太陽能光伏發(fā)電站年理論發(fā)電量按以下公式計算：

式中，W為發(fā)電量；U為日射量；Pm為太陽能光伏電池組件最大工作功率；P為太陽能光伏電池組件數(shù)量；HP為太陽能光伏電池組件參數(shù)；HC為線路損耗系數(shù)；PO為照射強(qiáng)度。

本項目廠房屋頂朝向分為2種情況，分別計算不同傾角輻射量并進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到屋頂綜合輻射量。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率分析

本項目太陽能光伏發(fā)電站屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候類型，其溫度折減按2%考慮，溫度損耗折減修正系數(shù)為98%。本工程采用540W型單晶硅光伏組件，該組件失配率小、一致性好，其組合損耗系數(shù)為2%。太陽電池的灰塵、積雪等污染折減取2.2%，按照冬至日09：00—15：00前后排不遮擋進(jìn)行設(shè)計，發(fā)電量損失按2%考慮。

結(jié)合以上所述光伏組件效率、逆變器效率、交流并網(wǎng)效率等經(jīng)驗系數(shù)，確定光伏發(fā)電總效率如表2所示。

表2 系統(tǒng)發(fā)電效率損失表

3.3 年上網(wǎng)發(fā)電量的估算

光伏電站建成后投入運營年的年發(fā)電量為逐年理論發(fā)電量與系統(tǒng)效率的乘積[7]。根據(jù)項目場地、屋面等現(xiàn)場實際情況對光伏電站進(jìn)行優(yōu)化布置，安裝7 038塊單晶硅電池組件（540 W），總?cè)萘繛?.8 MW。其中一期總?cè)萘?.002 32 MW，初步估計電站投入運營第一年并網(wǎng)電量為219.86萬kW·h，運營期25年平均年上網(wǎng)電量為207.75萬kW·h，年平均等效裝機(jī)利用小時數(shù)為1 041 h。二期總?cè)萘?.798 2 MW初步估計電站投入運營第一年并網(wǎng)電量為199.36萬kW·h，運營期25年平均年上網(wǎng)電量為188.38萬kW·h，年平均等效裝機(jī)利用小時數(shù)為1 051 h。

4 結(jié) 論

當(dāng)光伏電站供給負(fù)載后有剩余電能，余電上網(wǎng)；當(dāng)光伏電站所發(fā)電能不滿足負(fù)載的需求或停止發(fā)電時，由電網(wǎng)向負(fù)載供電。光伏系統(tǒng)應(yīng)確保所發(fā)電能與電網(wǎng)同電壓、同頻率，避免對電網(wǎng)造成諧波污染，防止發(fā)生孤島效應(yīng)。分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)置在用戶附近，可根據(jù)就近負(fù)荷的消納能力選擇“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的模式。