屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能并網(wǎng)的設(shè)計(jì)

徐浩然，李 潔

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010）

目前，在新型再生能源中較為重要的是太陽(yáng)能，具有無(wú)污染、資源普遍性和永不衰竭等優(yōu)勢(shì)，它可以充分滿足人類對(duì)大自然環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的需求，是重要的綠色能源之一。太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要有兩種工作模式：分別是離網(wǎng)和并網(wǎng)。過(guò)去，在偏遠(yuǎn)地區(qū)大多處于無(wú)電狀態(tài)，一般采用離網(wǎng)發(fā)電，但近年來(lái)，受國(guó)家政策影響，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)和新能源發(fā)電系統(tǒng)的行業(yè)和市場(chǎng)變化很大，開(kāi)始漸漸向偏遠(yuǎn)農(nóng)村和城市發(fā)展，開(kāi)啟并網(wǎng)發(fā)電，因此帶儲(chǔ)能的并網(wǎng)型發(fā)電是值得研究的課題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是間歇性與隨機(jī)性，可以在系統(tǒng)中配備儲(chǔ)能設(shè)備，通過(guò)運(yùn)用儲(chǔ)能設(shè)備的快速調(diào)節(jié)能力，可以使電能質(zhì)量得到提高與改善，同時(shí)還可以使系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，因此文章對(duì)一個(gè)屋頂光伏發(fā)電儲(chǔ)能的并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備與安裝的選擇

1.1 光伏電池

經(jīng)計(jì)算，屋頂占用面積約為10 950 m2，文章所選用的單晶硅為300 Wp的光伏板，參數(shù)如表1：

表1 單晶硅300Wp光伏板參數(shù)

1.2 逆變器的選擇

組串式逆變器的性能特點(diǎn)為多路MPPT，運(yùn)維中的損耗會(huì)比集中式逆變器低，運(yùn)維成本會(huì)低于集中式逆變器，發(fā)電量在比集中式逆變器略高約2%。因此將選用的組串式逆變器是70 kW。逆變器技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 70 kW組串式逆變器參數(shù)

所選逆變器要求具有110%的長(zhǎng)期過(guò)載能力。此外，逆變器必須要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，并且逆變器低電壓穿越必須要達(dá)到零電壓穿越。

1.3 光伏陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)屋頂面積為10 950 m2，屋頂安裝傾斜角為16°，光伏陣列凈間距為1.331 m。共計(jì)安裝1 320塊光伏組件。

組串的計(jì)算依據(jù)電池組件在串聯(lián)過(guò)后，最佳工作狀態(tài)時(shí)候的電壓(Ump)應(yīng)該處于MPPT的范圍之中，且Ump應(yīng)該大于逆變器的輸入電壓的最小值，可以得到：

串聯(lián)數(shù)最小值：

依據(jù)組件在串聯(lián)過(guò)后的應(yīng)該小于逆變器的輸入電壓的最大值，可以得到串聯(lián)數(shù)的最大值：

根據(jù)本次設(shè)計(jì)所選擇設(shè)備的參數(shù)，使用的為300 Wp的多晶硅電池，并且逆變器的MPPT的范圍是200-1000 V，即可以得到：

串聯(lián)數(shù)最小值：

串聯(lián)數(shù)最大值：

所選的逆變器為70 kW，由于太陽(yáng)能電池方陣發(fā)出的全部功率數(shù)不允許超過(guò)逆變器的功率，計(jì)算可得并聯(lián)數(shù)為5。

經(jīng)計(jì)算N不大于22。所以可以選擇22塊為一個(gè)光伏串

在選擇光伏組件、并網(wǎng)逆變器特性和屋面布局的基礎(chǔ)上，采用22個(gè)300 Wp組件串接為一條支線，每條支路容量為6.6 kW；由每3條支路形成一個(gè)組合，匯流到一個(gè)防雷直流匯流箱，由每4個(gè)匯流箱形成一個(gè)組合，接入到1臺(tái)70 kW逆變器，即每臺(tái)逆變器接入光伏組件個(gè)數(shù)242個(gè)，容量72.6 kW。

屋頂含有1 320塊太陽(yáng)能板，經(jīng)計(jì)算得本屋頂光伏總裝機(jī)容量為396 kWp，需要70 kW逆變器5臺(tái)，輸出到交流母線上，供給負(fù)荷、儲(chǔ)能原件和通過(guò)逆變器輸出到電網(wǎng)。圖1為光伏陣列排布圖。

2 并網(wǎng)

2.1 并網(wǎng)方式

光伏陣列、逆變器與輸配電系統(tǒng)共同組成了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，按照本次屋頂光伏的布局容量獲悉，設(shè)計(jì)須要光伏組件所串聯(lián)的方陣數(shù)量，同時(shí)接入?yún)R流箱，而且將配電柜、70 kW的逆變器接入到配電系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)300 kW的并網(wǎng)發(fā)電。

2.2 部分電氣設(shè)備的選擇

2.2.1 匯流箱的選擇

從字面含義上面理解，匯流箱的作用就是匯聚電流，總的來(lái)說(shuō)，將所選的光伏板根據(jù)計(jì)算的數(shù)量和規(guī)格串聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而形成各組的光伏串列，然后再將所選的多個(gè)光伏串列并聯(lián)起來(lái)，接入到光伏匯流箱中。它可以確保在光伏發(fā)電系統(tǒng)維修、檢測(cè)過(guò)程中方便地?cái)嚅_(kāi)線路，以及減少光電系統(tǒng)失效后受影響的地方。

本次設(shè)計(jì)選用的是組串式匯流箱，它能夠減少逆變器連接線路的后端動(dòng)力電纜，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也能提高電能質(zhì)量，易于維護(hù)系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)選擇了民電的三進(jìn)一出直流匯流箱。

2.2.2 蓄電池的選擇

蓄電池總體來(lái)說(shuō)，大抵分為鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池等。本次設(shè)計(jì)選用鋰離子電池。

鋰離子電池的基本組成結(jié)構(gòu)，大致由正極、負(fù)極、電解液和薄膜材料等，其中也包括了部分的輔助器具，如正負(fù)極材料導(dǎo)線，鋰離子電池保安閥門(mén)，調(diào)整溫度用的PTC(正溫度控制接頭)，以及鋰離子電池外殼等。而鋰離子電池的品種也十分多，其基本過(guò)程原理也都大同小異。當(dāng)鋰離子電池全部裝滿后，這樣，就可以使鋰離子與正極分離 ，由離子溶液通過(guò)隔離層與電解液調(diào)整溫度，然后再注入到鋰離子電池的負(fù)極材料中，放電進(jìn)程則為相反過(guò)程。對(duì)于電池的隔絕層，電池的電解質(zhì)膜因?yàn)镻P/PE/PP構(gòu)成的三層圓柱電池具有熔融溫度較低，并且材料須具備較高的抗擊穿的特性，它在其中起到了電池?zé)岜ｋU(xiǎn)的作用，而在鋰離子電池中，通常使用PE、PP等高分子聚烯微多孔膜等復(fù)合膜。電池罩的硬件部件必須具有正常的抗爆炸性和快速切斷電源的能力，而電池的外殼通常是由鋼材和鋁合金制成。

文章用經(jīng)典的液態(tài)鋰離子電池舉例說(shuō)明，說(shuō)明了鋰電池的充放電機(jī)理，當(dāng)電池以多層石墨作為陰極材料時(shí)，以LiCoO2為正極材質(zhì)時(shí)，當(dāng)電池充電時(shí)，Li+從LiCoO2發(fā)生分離，同時(shí)釋放一個(gè)電子，使C3+被氧化，形成為C4+，Li+穿過(guò)隔離膜和電解質(zhì)，然后把各種元素轉(zhuǎn)移到石墨上，使其嵌入到負(fù)電極材料的多層石墨中，在石墨的表面上生成一個(gè)電子，形成LixC6。與此相對(duì)的是，蓄電池的放電，脫離石墨，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜后，最后鑲嵌到正極材料LiCoO2。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 屋頂光伏站的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)家鼎力開(kāi)展新能源發(fā)電，國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在逐漸成熟完善，受到光伏組件和逆變器的價(jià)格下調(diào)，屋頂式光伏發(fā)電的安裝成本也因此而降低。

屋頂光伏具備很大的發(fā)展前景，同時(shí)可以很好地順應(yīng)光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，做到對(duì)電能的自己產(chǎn)，自己用，自己上網(wǎng)，有效地使電能在傳輸過(guò)程中，產(chǎn)生的損耗得到降低，使用電的研發(fā)成本得到節(jié)約，并且還可以從中獲取收益。

3.2 光伏發(fā)電量收益

本設(shè)計(jì)在屋頂安裝光伏容量396 kWp，經(jīng)測(cè)量占用屋頂?shù)目偯娣e約10 950 m2，尺寸1650×992×35 mm，地址選為包頭市。

通過(guò)下面的公式可計(jì)算系統(tǒng)發(fā)電量：

式中，L是屋頂光伏年發(fā)電量，Q是光伏板傾斜面的年總體輻射量，W是屋頂光伏裝機(jī)容量，η是屋頂光伏系統(tǒng)總效率，H是峰值小時(shí)數(shù)，因而，經(jīng)計(jì)算得出首年發(fā)電量：

由于現(xiàn)階段的光伏系統(tǒng)技術(shù)不完善，一般為10年利用率約為90%，25年利用率約為80%，故經(jīng)計(jì)算得，25年的平均年發(fā)電量大約為53.91萬(wàn)kWh。

經(jīng)查詢得知內(nèi)蒙古自治區(qū)的最新光伏上網(wǎng)電價(jià)上調(diào)至0.2829元/kWh，而如果將屋頂光伏每年發(fā)出的電量全部用來(lái)接入電網(wǎng)，則平均每年獲利大致為15.25萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)略介紹了光伏板、逆變器的選擇，儲(chǔ)能電池的充放電原理及選擇鋰離子電池，同時(shí)計(jì)算了發(fā)電量及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益。當(dāng)然，文章還有些許細(xì)節(jié)沒(méi)做到位，有所欠缺，例如，怎樣能更好地提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化利用率，怎樣能夠使儲(chǔ)能效率最大化，如何能使所用的成本最低，怎樣做到最經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠等等，在今后的學(xué)習(xí)中，這些都是需要完善和改進(jìn)的方向。