河南省高校節(jié)能照明工程技術(shù)研究中心 ■ 員瑩

三門峽鵬飛電子有限責(zé)任公司 ■ 高海云

一 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，能源消費也相應(yīng)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(guān)注。從20世紀(jì)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(yīng)的政策，2009年，財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實施意見》；2010年，財政部等四部委又聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強金太陽示范工程和太陽能光電建筑應(yīng)用示范工程建設(shè)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(yīng)用是經(jīng)財政部批準(zhǔn)立項，由三門峽鵬飛電子有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)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(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

二 系統(tǒng)總體設(shè)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(zé)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(cè)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(shè)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(shè)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(fù)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(jìn)行設(shè)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(luò)。當(dāng)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(hù)及時停機不發(fā)電；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，自動恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)有多余電量輸出時，系統(tǒng)有防逆流保護(hù)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(shè)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(hù)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(shè)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(shè)太陽電池陣列的最佳傾角不應(yīng)超過該緯度。根據(jù)當(dāng)?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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換效率最高，多晶硅次之，但實際應(yīng)用中兩者差別較小。由于多晶硅成本較低，比單晶硅應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)參數(shù)

(3)光伏組件串、并聯(lián)方式設(shè)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(dá)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(shè)備，其功能是將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)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(shù)，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(shè)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?？紤]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(hù)，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(jìn)1出)和KBT-PVG-12(12進(jìn)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(shè)計

每臺直流配電柜按照500kWp的直流配電單元進(jìn)行設(shè)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(shè)備的計量點通常設(shè)在光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)側(cè)，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(shù)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(hù)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(shè)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(fēng)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(yuǎn)程監(jiān)控。

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控設(shè)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(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成。利用模擬量采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接入逆變器， 通過本地觸摸屏來進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控中心將與各設(shè)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(shè)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%?？紤]光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過程中的損失，系統(tǒng)總效率按81.6%計，可預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)計每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

太陽能光伏發(fā)電示范項目的建設(shè)，將有利于探索太陽能光伏電站的建設(shè)模式，增加可再生能源的比例，推進(jìn)國家改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的步驟。從項目的實施預(yù)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(shè)計施工與維護(hù)[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(shè)計[J]. 建筑電氣, 2007, (2):13－18.