新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院 齊向陽

民用屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)探討

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近年來，國家經(jīng)濟(jì)得到了長足的發(fā)展，因此農(nóng)民也變得越來越富裕?，F(xiàn)如今農(nóng)村用電來源主要是靠大型的國企發(fā)電廠發(fā)的電經(jīng)過長距離輸送、變壓等得來的，傳統(tǒng)的發(fā)電能源主要依靠煤炭，但是煤炭的燃燒會產(chǎn)生大量的含硫含氮氣體，對生態(tài)環(huán)境的影響很大。本文以光伏發(fā)電作為研究對象，以民用屋頂光伏發(fā)電作為背景研究光伏發(fā)電的優(yōu)勢。

光伏發(fā)電；民用

0.引言

在光伏發(fā)電的幾個聯(lián)網(wǎng)方式中，分布在屋頂?shù)墓夥l(fā)電方式越來越多的成為民用的主要方式。因其投入建設(shè)的費用低，且后期不需要怎么維護(hù)，光伏產(chǎn)生的電能除了能滿足自己的用電需求外，還可以將多余的電能輸送到國家建設(shè)的輸電網(wǎng)中，賣給國家。采用這種方式不僅可以賺的一部分利益，而且還有利于幫助現(xiàn)如今傳統(tǒng)發(fā)電方式對環(huán)境帶來的污染，以及緩解現(xiàn)如今光伏產(chǎn)業(yè)由于發(fā)展過快存在的產(chǎn)能過剩的情況。

1.研究意義

現(xiàn)如今，把光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)建設(shè)到民用屋頂?shù)陌l(fā)電方式越來越受到歡迎，因其不占用可耕地資源，也不占用市政建設(shè)的土地資源，越來越成為光伏產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢發(fā)展的方向。而且因其可以接入公共電網(wǎng)，產(chǎn)生的電能可以以商品的形式投入到市場當(dāng)中銷售，而且只需要接入公共電網(wǎng)即可進(jìn)行售賣，使得盈利非常方便。此外，在屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程中，要充分考慮所安裝的光伏器件的性能以及屋頂?shù)牟贾梅绞?，使得資源合理化最大化利用。

2.屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及并網(wǎng)方式

光伏發(fā)電的原理主要是依靠光電效應(yīng)，在發(fā)電系統(tǒng)中，將光伏器件安裝在自然人的屋頂，只要有光照射在光伏器件上，光電效應(yīng)就會一直發(fā)生反應(yīng)，電能就會源源不斷的產(chǎn)生，再經(jīng)過安裝好的變電器，將光伏產(chǎn)生的電能電壓穩(wěn)定下來，達(dá)到可使用的要求或者時輸送到公用電網(wǎng)之中。

2.1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成簡單，不像傳統(tǒng)發(fā)電站那般復(fù)雜，一般光伏系統(tǒng)組成主要有，太陽能板，電池組、逆變器、小型變壓器等，在民用光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般不會安裝儲能器件，因為民用發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能并不是非常多，沒有必要再在系統(tǒng)中安裝儲能器件，這樣也就降低了成本。

2.2 屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)方式

在我國的規(guī)定中工業(yè)用電為380V，民用則是220V。因此，光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)之前要申請電壓的等級為380V或者時220V，在并網(wǎng)之后，通常所得的利益，收電公司都是以較長時間為結(jié)算周期將利益發(fā)放給個人的，一般的周期為一年或者半年。一般民用光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能可以全部自己用或者全部接入公共電網(wǎng)，也可以在滿足自己用電需求的基礎(chǔ)上，將剩余的電能接入公共電網(wǎng)。但是在接入公共電網(wǎng)之前要通過個人申請階段，然后是審查部門對個人發(fā)電系統(tǒng)審查，在之后就是評估部門對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能進(jìn)行評估，只有通過評估才能接入公共電網(wǎng)發(fā)電。

已在滿足自己用電需求的基礎(chǔ)上再把多余的電能并入公共電網(wǎng)為例，再并入公共電網(wǎng)的節(jié)點處，應(yīng)安裝具有一定延時、瞬時脫扣功能的斷路器，以防止光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)短路，在沒有保護(hù)器件的作用線，對整個公共電網(wǎng)造成不可挽回的破壞。此外，還要在接入公共電網(wǎng)節(jié)點處安裝一塊電表，用來監(jiān)測光伏系統(tǒng)供入公共電網(wǎng)的電能多少。此外光伏公司和供電所應(yīng)該也在相應(yīng)的位置安裝電表，作為后期檢查電能質(zhì)量和對光伏用戶發(fā)放利潤的依據(jù)。

3.光伏方陣布置

3.1 障礙避讓計算

在屋頂建設(shè)小型光伏發(fā)電系統(tǒng)與在地面建設(shè)大型光伏發(fā)電站最大的區(qū)別之處就是規(guī)模不一樣，并且在將產(chǎn)生的電能接入公共電網(wǎng)的時候收到的影響因素不一樣。大型地面光伏發(fā)電站在建設(shè)的過程中以及建設(shè)完成之后都會將周圍的樹木和一些危樓和危墻拆除掉，而且大型光伏地面發(fā)電站通常在選址的時候都會選擇在離居民區(qū)較遠(yuǎn)的，很少有人去的偏僻地點，所以在接入公共電網(wǎng)的時候，一般不會有障礙物干擾線路。而屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)由于在接入電網(wǎng)的時候會受到很多不明確因素的影響，比如用戶自家院子建設(shè)個格局，空調(diào)外機(jī)掛在墻外可能對線路的影響，以及靠近房屋的樹木由于刮大風(fēng)也可能對光伏系統(tǒng)產(chǎn)生擾動等。此外還有就是附近的高層建筑可能會遮擋本建筑的陽光等因素。根據(jù)國家明文規(guī)定，在特定的時間段內(nèi)不受附近建筑遮擋的建筑屋頂方可在屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，把我國劃分到北半球地域中，可計算出在早上九點到下午三點時間范圍內(nèi)，臨近高層建筑產(chǎn)生的遮蓋范圍，再根據(jù)計算結(jié)果得出一年內(nèi)總的遮蓋范圍。

式中：

α——為當(dāng)時太陽高度角數(shù)值；

β——為當(dāng)時太陽方位角數(shù)值；

φ——為當(dāng)?shù)鼐暥葦?shù)值；

ω——為當(dāng)時太陽時角數(shù)值；

δ——為當(dāng)時太陽赤緯角數(shù)值；

可根據(jù)上面三個式子，推導(dǎo)處特定維度下的所需要的參數(shù)值。

式中所代表的意義分別為東西、南北方向陰影長度分量和東西、南北方向陰影倍率系數(shù)。

在屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅要在建設(shè)過程中考慮布局的合理性，而且還需要考慮后期需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行必要的維護(hù)保養(yǎng)，這就有必要在建設(shè)過程中預(yù)留后期查看各個組件的空間。在建筑過程中要避免使用面積過于接近邊緣，以免出現(xiàn)大風(fēng)天氣，影響裝置的穩(wěn)定性。在使用材料方面要重復(fù)呢考慮材料的剛度和可靠性，避免使用強度低的材料，免得造成系統(tǒng)的癱瘓。

3.2 光伏方陣布置間距

在屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的時候，一般考慮的影響因素是立體的，即周圍建筑和樹木對系統(tǒng)的影響。根據(jù)屋頂?shù)男螤詈透窬种贫ǔ龊侠淼墓夥到y(tǒng)布置方案，最好是多制定幾套方案，然后很具全局最有理論篩選出最優(yōu)方案，使得布置更加合理，資源使用更加充分，用最小的空間生產(chǎn)出最多的電能。下圖是我國建筑的一般屋頂結(jié)構(gòu)方式，一般可分為三種，即平屋面和坡屋面，而坡屋面以兩種典型的結(jié)構(gòu)為代表，如圖1所示：

圖1 典型屋面形式

a圖表示的理想化的平屋面形狀，以根據(jù)我國的地理位置，光伏系統(tǒng)應(yīng)該是面向南方的，因此可利用式(3)推導(dǎo)出方陣間的理論距離。

4.壓側(cè)系統(tǒng)配置

光伏組件是把電池組串聯(lián)起來然后做成整體，最后輸出的電流為直流電的設(shè)備，而多個電池串聯(lián)在一起輸出的電流就比較高，而且電流經(jīng)過小型變壓器變壓就會轉(zhuǎn)變成適合民用或者工業(yè)使用的電壓，一般電流都會流入?yún)R流箱或者是逆變器。

4.1 光伏組件串聯(lián)接線

一般子在布置光伏設(shè)備的時候考慮的要么是串聯(lián)方式要么是并聯(lián)方式，不會出現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)共存的方式。在采用串聯(lián)方式連接光伏方陣的時候還可分為使一型方陣的U型方陣。而一般情況下建設(shè)的方陣通常為U型，因為U型在布置逆變器的時候方便很多，而且還可在一定程度上節(jié)約電纜使用量，節(jié)省了投資成本。

但是針對會發(fā)生高層遮擋的屋頂，在采用U型方陣排列光伏設(shè)備時，由于各組受到影響相同，產(chǎn)生的輸出電壓較低且輸出特性基本相同，不會出現(xiàn)大的偏差。而采用一型建設(shè)的光伏方陣由于受到遮擋后產(chǎn)生的電壓不同，因此輸出也會存在較大差異，此時在采用一型建設(shè)光伏系統(tǒng)時，要在各個串聯(lián)節(jié)點處安裝適當(dāng)?shù)碾娔芫彌_裝置，輸出不同對整個光伏系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，甚至使整個系統(tǒng)發(fā)生短路，造成系統(tǒng)癱瘓，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。在使用逆變器之后，要根據(jù)個元件的特性將其接入相應(yīng)的控制單元，此外還應(yīng)該把匯流箱安放在有遮陽裝置的地方，避免長時間的日曬造成內(nèi)部元件老化速度加快。

4.2 光伏組件及逆變器選型

正如上文所說的一樣，屋頂光伏系統(tǒng)由于受到的影響眾多，使得輸出特性受到影響，最終導(dǎo)致發(fā)電發(fā)電質(zhì)量受到影響。在建設(shè)光伏系統(tǒng)時，筆者建議采用一型光伏排列方式，再在節(jié)點處接入合適的逆變器，從而提高發(fā)電效率與發(fā)電質(zhì)量。

4.3 合理配置的意義

在屋頂光伏系統(tǒng)中，根據(jù)實測結(jié)果的出了不同比例位置的硅片制成的電池在生產(chǎn)電能的過程中的表現(xiàn)不一樣，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立起了電池材料的數(shù)據(jù)庫并得出了下面幾方面的意義：

(1)在電池中鬼片的位置不同電池的效果不一樣并且存在的電池衰減速度不同。

(2)電池中硅片的位置不同所產(chǎn)生的在短路發(fā)生時電路中電壓的衰減幅度也不相同，并且在開始和結(jié)束段衰減值較大，中間區(qū)域衰減值較小。

(3)對于降低光電反應(yīng)中氧氣的濃度，采取有效的措施監(jiān)測晶棒中養(yǎng)的含量，對于提高電池壽命和電池容量及穩(wěn)定性具有重要的意義。

5.經(jīng)濟(jì)效益評估

5.1 經(jīng)濟(jì)成本

電設(shè)備投資相對來說還是很低的，再加上政府補貼也就很低了。主要成本包括一次投入建設(shè)資金，以及日后對系統(tǒng)的維護(hù)所要花費的成本。其中系統(tǒng)中主要光伏器件，像太陽能電板、小型變壓器、逆變器和電池組都是一次性成本，后期基本不會出現(xiàn)故障，多次成本的主要是一些較小的且價格便宜的器件。隨著產(chǎn)生的電能越來越多，這些成本也會越來越低，最終會使得自然人開始收益。

5.2 算例分析

現(xiàn)如今，民用光伏屋頂發(fā)電普及較好的以湖南省占優(yōu)。以湖南地區(qū)的民用屋頂光伏發(fā)電為例，假設(shè)光伏發(fā)電容量為10Kv，,把光伏規(guī)模系數(shù)按1來算的話，隨著光伏技術(shù)的不斷更新，每年的發(fā)電量逐漸增加，投資成本再逐漸降低。以地區(qū)平均投資成本計算大約在5萬元左右。而湖南省該地區(qū)常年日照充足，不必考慮光照問題，把光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)化電能的效率按百分之八十計算，預(yù)計光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠使用25年左右，居民用電價格按照低于市場價計算，設(shè)置在0.5元每度電，收回投資成本大約在三年左右，但是這里考慮的時隨著時間推移，忽略了電池組的存電能力會下降，也就是每年的發(fā)電量會下降，收益會有所降低，因此把實際計算出來收回成本的時間在加上半年到一年左右，因此，實際收回成本的時間在四年左右。

6.社會效益

6.1 電網(wǎng)企業(yè)

在自然人投資民用光伏屋頂發(fā)電之后，若把產(chǎn)生的電能接入電網(wǎng)，電能會以380V或者220V的形式接入，而接入公共電網(wǎng)的電能會被附近的居民或者用電企業(yè)直接消耗掉，不會出現(xiàn)輸送到較遠(yuǎn)距離而產(chǎn)生較大損耗的現(xiàn)象。由于常溫超導(dǎo)技術(shù)還沒有取得突破，接入公共電網(wǎng)的線路必然會產(chǎn)生損耗，以送電量百分之八的損耗來計算的話，在光伏系統(tǒng)預(yù)計25年的使用壽命內(nèi)，可減少相當(dāng)多的電能損失。

6.2 節(jié)能減排

從第一次工業(yè)革命開始，全球工業(yè)都處在高速發(fā)展的道路上，相應(yīng)的對能源的需求也是呈現(xiàn)每年劇增的方式，而工業(yè)快速發(fā)展所需要的能源就是電能，而產(chǎn)生電能的主要能源就是電能，由于煤炭的大量開采已對生態(tài)環(huán)境造成了難以恢復(fù)的創(chuàng)傷。以我國山西省為例，眾所周知山西省自古以來就是我國的煤炭大省，長時間的煤炭開采造成了很多地方的塌陷，而洗煤過程又會需要大量的水資源，洗煤之后的污水也會排到就近的河道，造成河流以及周邊生他系統(tǒng)的破壞，已成為當(dāng)前亟待解決的問題。在使用燃煤發(fā)電的過程中，由于煤炭的燃燒并不十分充分，也會產(chǎn)生很對含硫含氮的有害氣體，這些氣體遇到水汽就會產(chǎn)生稀硫酸和稀硝酸，會再一次對環(huán)境長生破壞，為了使用煤炭發(fā)電，總共對生態(tài)產(chǎn)生三次破壞。這種結(jié)果不是我們想看到的，也是我們不愿看到的，因此使用清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭資源來發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)電廠面臨的一個重大轉(zhuǎn)變。

7.結(jié)束語

伴隨著當(dāng)今世界生產(chǎn)速度的加快，能源危機(jī)已成為一項重大問題，在過去幾十年里，因能源而引發(fā)的大大小小的戰(zhàn)爭也不再少數(shù)，而太陽能作為一種清潔能源越來越多的受到國家的重視，作為一種可以說是取之不盡的清潔能源，能在較大規(guī)模上使用這種清潔能源時國家應(yīng)具備的戰(zhàn)略目標(biāo)以及人民的福祉。因太陽能的在光伏系統(tǒng)中，因太陽能的轉(zhuǎn)換效率高，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，且不受地點的限制，應(yīng)該應(yīng)用到眾多領(lǐng)域之中。用屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)可有效的解決我國光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩的問題，也能減少并網(wǎng)過程中大損耗的情況，對節(jié)能減排和提高居民用電的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義。在采用這種手段，長久考慮居民的收益與之初，能夠為居民帶來一筆可觀的收入。因此，有必要把民用屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)加大宣傳力度，推廣出去。

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