廣東東莞0.9M分布式屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電項目設(shè)計實(shí)例研究

徐臻

（鹿島建設(shè)（中國）有限公司）

引言

本文通過廣東省東莞市的理光高科技電子廠房分布式屋面光伏發(fā)電項目，系統(tǒng)的論述了設(shè)計的基本過程，光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和電氣系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 廣東東莞0.9M分布式屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電項目概況

根據(jù)2014年1月國家能源局頒布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)光伏電站建設(shè)與運(yùn)行管理工作的通知》（國能新能[2014]445號）的通知，利用現(xiàn)有混凝土廠房屋頂建設(shè)分布式太陽能發(fā)電項目。

項目建設(shè)地位于廣東省東莞市，地處北緯 22°39′～23°09′，東經(jīng) 113°31′～114°15′，太陽總輻射量與日照時數(shù)充足，累年平均太陽總輻射量為109158.19K/cm2，累年平均日照總時數(shù)約為1950～2150h。該地陽光資源充足，按《中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—太陽能資源評估方法》中對太陽能資源豐富程度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于我國太陽能資源三類區(qū)域，比較適合建設(shè)太陽能光伏發(fā)電項目。

目前計劃利用一棟現(xiàn)有生產(chǎn)廠房屋面大約1萬m2屋面進(jìn)行建設(shè)容量0.9MW的屋頂太陽能發(fā)電工程。

2 分布式屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電項目系統(tǒng)設(shè)計方案選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是指太陽能光伏發(fā)電用蓄電池進(jìn)行電量存儲，而不與國家電網(wǎng)連接的發(fā)電方式。并網(wǎng)式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是指太陽能光伏發(fā)電作為電網(wǎng)的補(bǔ)充輸送到到國家電網(wǎng)的發(fā)電方式。

根據(jù)本項目的建設(shè)方意向，實(shí)施目的在于充分利太陽能資源，并作為現(xiàn)有電網(wǎng)的補(bǔ)充。且通過全廠布局及設(shè)置條件的確認(rèn)后，考慮到現(xiàn)有建筑內(nèi)沒有蓄電池組設(shè)置位置及樓面承載力也可能達(dá)不到設(shè)置要求，所以采用的無蓄電池的并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為本項目的方案。

3 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電原理及系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電是指利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。其關(guān)鍵元件在于太陽能電池。把太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽能電池組件，在再配合上功率控制器等部件形成光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。分布式光伏發(fā)電，指的是在用戶所在場地附近敷設(shè)，運(yùn)行方式以用戶側(cè)自發(fā)為主，多余電量上網(wǎng)的光伏發(fā)電設(shè)置。

4 分布式屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電整體系統(tǒng)構(gòu)成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組成包括：光伏組件、逆變器、并網(wǎng)柜、數(shù)據(jù)監(jiān)控等主要部件組成，如圖1所示。

5 光伏陣列布置設(shè)計

通過以下公式確定太陽能電池列陣的安裝方式和安裝位置，以便合理的利用屋頂空間和保證最大的年度發(fā)電量，同時均勻一年內(nèi)發(fā)電量的波動值。

5.1 按方位角設(shè)置

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

方位角設(shè)置按以下公式計算，確保電池輸出負(fù)荷出力最大：

5.2 傾斜角度

傾斜角應(yīng)選擇光伏發(fā)電系統(tǒng)年度總發(fā)電量最大的角度，按如下公式估算：

5.3 光伏電池組件陣列間距

最小間距應(yīng)保證按冬日9：00～15：00期間，盡量保證光伏列陣不出現(xiàn)遮擋。利用以下公式估算：

經(jīng)核算后確定，大約需要9400萬m2屋面面積能達(dá)到較好的發(fā)電效果，目前現(xiàn)有屋頂1萬m2的面積，除去無法利用面積并保證安全的前提下，滿足0.9MW太陽能電池組列陣的實(shí)際要求。

6 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成設(shè)計及接入方案

并網(wǎng)光伏電站主要由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)柜及書記通信系統(tǒng)組成，包括太陽電池組件、直流電纜、匯流箱、逆變器、交流并網(wǎng)配電柜等。

項目主要安裝在房屋屋頂上，采用3384塊270W多晶組件，裝機(jī)容量為0.9MWp，使用30臺30kW組串式光伏逆變器，每個30KWp的發(fā)電單元，太陽能電池組件初選為18塊一串，逆變器輸出電壓為三相交流400W。

圖2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖

7 系統(tǒng)主要設(shè)備選型

7.1 光伏組件的簡介及本項目選型

光伏組件：簡單來說就是將太陽能電池光伏板組合構(gòu)成。由于單片太陽能電池片的電流和電壓都較小，所以我們把單片組件先串聯(lián)起來以獲得高電壓后再并聯(lián)獲得高電流后，通過二極管進(jìn)行輸出。本次采用多晶硅材質(zhì)電池組件，初步選用組件功率為270W/塊，共計3384塊。具體參數(shù)如表1。

表1 多晶組件技術(shù)參數(shù)

7.2 并網(wǎng)逆變器簡介及本項目選型

并網(wǎng)逆變器：把由太陽能量一次轉(zhuǎn)化為直流的電能后經(jīng)二次轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電并饋入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能的儀器。本項目宜選用30臺30kW組串式光伏逆變器，逆變器具體參數(shù)如表2所示。

8 防雷接地裝置

8.1 防雷簡介及等級確定

為了保證本項目光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全性及可靠性，防止因浪涌、雷擊等外在因素導(dǎo)致系統(tǒng)器件的損壞等情況發(fā)生，系統(tǒng)必須設(shè)置防雷接地裝置。根據(jù)整個系統(tǒng)情況合理考慮直流交流的防雷配電和防雷接地具體措施。

廣州東莞當(dāng)?shù)氐睦妆r期經(jīng)計算后本工程屬于三類防雷建筑。

8.2 光伏組件的防雷措施

光伏組件的防雷應(yīng)充分利用原建筑物的防雷設(shè)施，此外還要采取如下措施；考慮到光伏組件為無金屬邊框組件，故采用20m×20m或16m×24m的避雷帶網(wǎng)格作為防雷保護(hù)接閃器，并與金屬支架進(jìn)行可靠連通，并與建筑物防雷引下線連接。屋面光伏發(fā)電裝置的直流側(cè)的正負(fù)極均懸空且不接地。

8.3 直流側(cè)和交流側(cè)的防雷措施

直流側(cè)防雷措施：光伏電池陣列之間敷設(shè)鍍鋁鋅電纜橋架，并連接到防雷匯流箱，匯流箱內(nèi)設(shè)置高壓避雷器，陣列匯流后再接入直流防雷配電柜，設(shè)置多級防雷裝置從而有效地避免雷擊導(dǎo)致的設(shè)備損壞。交流側(cè)防雷措施：逆變器的交流輸出經(jīng)過交流防雷配電柜，可有效地避免雷擊和電網(wǎng)浪涌所產(chǎn)生的設(shè)備損壞。總接地電阻不大于1Ω。

表2 逆變器技術(shù)參數(shù)

9 并網(wǎng)光伏發(fā)電的效率計算

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏組件陳列效率、逆變器效率和交流并網(wǎng)三部分組成。

9.1 光伏陣列效率η1

在1000W/m2太陽輻射強(qiáng)度下，光伏陣列實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換傳輸過程中的損失有：光伏組件的匹配損失、不可利用的太陽輻射損失、表面塵埃遮擋損失、溫度的影響以及直流線路損失等。以上綜合考慮，一般取η1效率為86%。

9.2 逆變器轉(zhuǎn)換效率η2

逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。逆變器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換時的損失包括逆變器轉(zhuǎn)換的損失、最大功率點(diǎn)跟蹤精度的損失等。對于本項目擬采用的并網(wǎng)逆變器，取η2效率98%。

9.3 交流并網(wǎng)效率η3

從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率。這里指的是升壓變壓器的效率和交流電氣連接的線路損耗，一般η3取94～96%。但是在本項目中，并網(wǎng)系統(tǒng)是直接在用戶側(cè)低壓并網(wǎng)，并沒有使用變壓器，因此可取η3效率99%。

9.4 總效率η總

綜上所述，系統(tǒng)的總效率即上述各效率的乘積，即：

光伏組件的輸出功率在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會隨著時間衰減，根據(jù)本項目采用的多晶硅太陽電池組件。

10 結(jié)束語

初步完成了本項目的工程設(shè)計方案，到實(shí)際的施工，調(diào)試，試運(yùn)行和正式運(yùn)行還有一段時間。在此期間，如何充分合理利用屋面進(jìn)行太陽能光伏板的敷設(shè)，針對對屋面承載力選擇合適的支架并考慮到今后的維護(hù)等都是即將迎來的新問題。會持續(xù)跟進(jìn)該項目直至成功運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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