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太陽能光伏建筑一體化電站設(shè)計

安科瑞 張奇峰

江蘇安科瑞電器制造有限公司

摘要：光伏發(fā)電項目作為新能源的代表，是我國可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃，光伏建筑一體化同時對推進(jìn)太陽能利用及光伏電池組件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程具有非常重大的示范意義，可充分促進(jìn)光伏行業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模帶動就業(yè)，其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等效益顯著。以實(shí)際項目工程為例簡要介紹了整套光伏電站的系統(tǒng)組成，對光伏電站的發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，同時對項目風(fēng)險進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光伏系統(tǒng);項目發(fā)電量;項目收益分析

1.引言

光伏建筑一體化是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡而言之，就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。光伏電池組件與建筑物完美結(jié)合，所發(fā)電能并入電網(wǎng)，節(jié)約資源并能獲得經(jīng)濟(jì)效益，而且光伏電站投資省、見效快、運(yùn)行成本低、資金風(fēng)險小。

本設(shè)計項目是利用江陰某工廠辦公樓空閑屋頂建設(shè)屋頂太陽能光電建筑項目。依據(jù)光伏建筑一體化的技術(shù)，將太陽能發(fā)電站與建筑本身完美地結(jié)合在一起。

項目總的裝機(jī)容量為66.3kWp(即光伏電站電池組件的峰值功率)，采用的是高效的多晶硅組件電池板,使用壽命在25年以上;光伏系統(tǒng)所發(fā)的電全部并入最近的400V變電站，并網(wǎng)使用(配置雙向計量電表)。

項目實(shí)際裝機(jī)容量為66.3kWp，25年均發(fā)電量為6.33萬度電，年均節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤24.64噸，年CO2節(jié)排8.84噸。

2.項目概述

2.1地理位置

江陰市位于北緯31°、東經(jīng)120°附近，屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫16.7℃，年降雨量1040.7毫米。全境地勢平緩，平均海拔6米左右。太陽年輻射總量115.7千卡/平方厘米。一年中太陽輻射月總量以7月和8月最多，分別為13.5千卡/平方厘米和13.7千卡/平方厘米;12月和1月最少，均為6.3千卡/平方厘米。

2.2 建筑類型和電站規(guī)模

本設(shè)計項目的辦公樓整體南北走向，樓頂屋面為混凝土水泥上人屋面，東、西、南側(cè)均無明顯高大的近距離建筑物遮擋，屋面載重符合要求，完全可以在屋頂架設(shè)太陽能光伏組件。

根據(jù)客戶提供的相關(guān)圖紙和實(shí)地勘察，其廠房屋頂上建設(shè)分布式光伏電站可安裝總?cè)萘繛?6.3kWp。

3.技術(shù)方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 并網(wǎng)點(diǎn)光伏電站系統(tǒng)原理構(gòu)架

3.2組件安裝方式

組件安裝傾角不同，每平方米的輻射度也會不同，現(xiàn)場光伏組件以25度左右的傾角安裝在水泥屋頂上。

3.3系統(tǒng)主要元器件

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件、組串式光伏并網(wǎng)逆變器、交流匯流箱、交流并網(wǎng)柜和系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置組成。

66.3kWp并網(wǎng)光伏發(fā)電站主要組成如下：太陽能電池組件采用260塊HR-255Wp晶體硅組件;支架采用陽極氧化的鋁合金材料;光伏并網(wǎng)逆變器采用3臺逆變器;交流匯流箱采用1臺AZX-H匯流箱;交流并網(wǎng)柜采用一臺AZG-B并網(wǎng)柜;系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置設(shè)計采用光伏電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3.1 組件

根據(jù)總裝機(jī)容量和各區(qū)屋面實(shí)際情況本期光伏電站為66.3kWp，應(yīng)該選取260塊255WP組件。太陽能電池組件應(yīng)具有非常好的耐侯性，能在室外嚴(yán)酷的條件下長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，應(yīng)同時具有高的轉(zhuǎn)換效率和廉價。選擇優(yōu)質(zhì)高效的太陽能電池組件是并網(wǎng)光伏電站可靠運(yùn)行且提高發(fā)電量的關(guān)鍵之一。

本項目組件采用HR-255Wp系列：此款組件外觀勻稱，結(jié)構(gòu)輕巧堅固，具有良好的抗風(fēng)雪功能。邊框帶流水槽，可防止組件積水，避免邊框結(jié)冰爆裂。邊框氧化膜較厚，能滿足惡劣條件下的使用要求，特別是鹽霧氣候的使用要求。

3.3.2 逆變器

選用ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器。ASI系列采用高效率、小型化低頻隔離變壓器設(shè)計以及高性能低功耗功率器件，更安全可靠。

技術(shù)參數(shù)ASI-20KTLASI-25KTL

最大輸入功率22KWp27.5KWp

最大輸入電壓900Vdc1000Vdc

MPPT電壓范圍460~800Vdc280~800Vdc

最大輸入電流22.5A/22.5A28A/28A

最大輸入路數(shù)2*3路2*4路

額定輸出功率20KW25KW

額定電網(wǎng)電壓三相400V

(-15%，+10%)

額定電網(wǎng)頻率50Hz,±0.5Hz

電網(wǎng)諧波總畸形率<2%(額定功率)

功率因素(cosΦ)≥0.995

防護(hù)級別IP65(戶外)

最大效率98.2%

使用環(huán)境溫度-25℃~+60℃

使用環(huán)境濕度0~100%，無凝露

通訊接口RS485

寬*高*深(mm)653mmX685mmX246mm

重量(kg)50kg

ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器參數(shù)見表1。

3.3.3交流匯流箱

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，數(shù)量龐大的光伏電池組件進(jìn)行串并組合達(dá)到需要的電壓電流值，以使發(fā)電效率達(dá)到最佳。AZX-H系列智能光伏匯流箱主要作用就是對光伏電池陣列的輸入進(jìn)行一級匯流，用于減少光電池陣列接入到逆變器的連線，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和可維護(hù)性。

3.3.4計量裝置

計量裝置有供電局提供專用計量，帶通訊功能，需要數(shù)據(jù)上傳。計量裝置安裝于交流配電柜中。交流配電柜中留好安裝位置及二次接線和通信線。

3.3.5系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件是安科瑞電氣股份有限公司面向并網(wǎng)光伏發(fā)電的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，它以現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)技術(shù)開發(fā)的監(jiān)測、控制和管理系統(tǒng)，具有組態(tài)功能、控制功能、報警功能、調(diào)試診斷、報表及曲線功能，系統(tǒng)拓展方便。該軟件集成光伏發(fā)電系統(tǒng)和電能管理系統(tǒng)監(jiān)控功能，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控、統(tǒng)計分析、歷史事件記錄，同時還可直接將配電監(jiān)控系統(tǒng)接入，進(jìn)行集中監(jiān)控。

本項目可在辦公室安裝后臺監(jiān)控系統(tǒng)。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件對太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理。

4.安裝設(shè)計

光伏組件安裝之前，標(biāo)示好基座預(yù)制件的位置，安放好基座預(yù)制件。將光伏支架安裝固定在基座預(yù)制件上。光伏支架按10級臺風(fēng)和50年一遇雪載荷要求設(shè)計。結(jié)合本地的太陽能輻射情況最大限度的利用好太陽能，本期工程光伏組件安裝角度為25度。項目采用20塊255W組件接成一串，總計13串光伏組串，其中2臺20KW逆變器各接入4串組件。1臺25KW逆變器接入5串光伏組件。組串全部接入逆變器后，由逆變器輸出端的電纜進(jìn)行匯入交流匯流箱。

太陽能電池板金屬固定架上連接屋頂原有避雷網(wǎng)作為保護(hù)。防止太陽電池板方陣設(shè)備遭直接雷擊。太陽電池方陣通過電纜接入組串式逆變器，逆變器采用壓敏保護(hù)裝置可有效地避免雷擊導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

配電房主要實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)和計量、接入變壓器，通過低壓室中的交流配電柜進(jìn)行并網(wǎng)。配電室應(yīng)該保持整齊清潔，及良好的通風(fēng)散熱環(huán)境，設(shè)備上的灰塵和污物應(yīng)及時清理。變壓器低壓柜邊增加交流并網(wǎng)柜。交流并網(wǎng)柜母排與變壓器低壓柜母排拼接，柜內(nèi)安裝一只進(jìn)線斷路器，用于線路保護(hù)。

5.項目發(fā)電量及社會效益分析

5.1系統(tǒng)效率

光伏發(fā)電系統(tǒng)效率受很多因素的影響，包括：當(dāng)?shù)販囟?、污染情況、光伏組件安裝傾角、方位角、光伏發(fā)電系統(tǒng)年利用率、太陽電池組件轉(zhuǎn)換效率、周圍障礙物遮光、逆變損失以及光伏電站線損等。將計算方法簡化后，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的總效率以下幾個部分組成。

1)光伏電廠占地面積大，直流側(cè)電壓高，電流小，導(dǎo)線有一定的損耗，根據(jù)規(guī)范本工程此處損耗值按2%設(shè)計。

2)大量的太陽能電池組件之間存在一定的特性差異，不一致性損失系數(shù)為3%。

3)考慮太陽能電池組件表面即使清理仍存在一定的積灰，遮擋損失系數(shù)為4%。

4)光伏并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換效率：光伏并網(wǎng)逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，效率取96%計算。

5)早晚不可利用太陽能輻射損失系數(shù)為4%。

6)光伏電池的溫度影響系數(shù)按1.8%考慮。

7)并考慮當(dāng)?shù)貧夂蜃兓案鞣N不利因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)此處不可預(yù)見因素?fù)p失系數(shù)為6.8198%。

8)系統(tǒng)總效率為：η總=η1×η2×η3×η4×η5×η6×η7、

=(1-2%)×(1-3%)×(1-4%)×96%×(1-4%)×(1-1.8%)×(1-6.8198%)

≈77%

5.2 發(fā)電量計算

5.2.1太陽能月輻射量

根據(jù)《中國氣象輻射資料年冊》提供的資料，江蘇地區(qū)各月太陽能輻射量資料見表2：

月份日輻射量kwh/m2/day月輻射量kwh/m2

1月1.8356.73

2月2.1760.67

3月4.03124.93

4月4.17125.1

5月4.61142.91

6月3.68110.4

7月5.22161.82

8月3.89120.59

9月4.67140.1

10月3.78117.18

11月2.5275.6

12月1.4244.02

5.2.2年發(fā)電量計算

首年的發(fā)電量=裝機(jī)容量X輻照量 X系統(tǒng)效率

以日射量來估算發(fā)電量。

a、光伏陣列效率η1：

光伏陣列在1000W/m2太陽能輻射強(qiáng)度下，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)換與傳輸過程中的損失包括：① 組件匹配損失：對于精心設(shè)計、精心施工的系統(tǒng)，約有4%的損失;

② 太陽輻射損失：包括組件表面塵埃遮擋及不可利用的低、弱太陽輻射損失，取值5%;

③ 偏離最大功率點(diǎn)損失：如溫度的影響、最大功率點(diǎn)(MPPT)精度等。取值2-4%;

④ 直流線路損失：按有關(guān)規(guī)定，應(yīng)小于1-3%。

取：η1=96%×95%×98%×98%=87.6%

b、逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2：

一般并網(wǎng)逆變器效率在94%以上，取94%;逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。

C、交流并網(wǎng)效率η3：

若不經(jīng)過高壓電網(wǎng)的傳輸，效率可取η3=1

系統(tǒng)總效率η=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%

系統(tǒng)第一年發(fā)電量(EP)=PAS×HA×η×365

PAS：太陽光伏陣列容量

HA：當(dāng)?shù)仄骄丈淞?kwh/㎡/day)

η: 系統(tǒng)總效率

本項目光伏電站組件在水泥屋面正南25度安裝，按光伏板使用25年計算，考慮到光伏電池板及相關(guān)部件的損耗，剩下24年按照每年0.8%遞減計算。本工程年平均發(fā)電量為6.33萬度,25年總發(fā)電量約158.28萬度。

5.2.3 項目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)環(huán)境效益

根據(jù)上述發(fā)電量情況，結(jié)合公司的工業(yè)用電價格及國家補(bǔ)貼等，本項目在25年的使用周期內(nèi)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具體為：項目總投資約8元/W，總投資金額約53萬元。按光伏發(fā)電的90%自用，10%上網(wǎng)。每年的年總收入為8.61萬元。年投資收益率為16.24%。

經(jīng)濟(jì)效益方面：根據(jù)發(fā)電量和投入的建設(shè)成本結(jié)合實(shí)際用電情況、在不考慮電費(fèi)上漲、設(shè)備維護(hù)更換等因數(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)計6.16年左右收回投資成本，25年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為203.83萬元。

環(huán)境效益方面：根據(jù)目前我國發(fā)電煤耗為平均390克標(biāo)煤/度計算。預(yù)計25年總節(jié)約標(biāo)煤：158.25萬度×390克/度=616噸標(biāo)準(zhǔn)煤。預(yù)計25年減排CO2：1582500kWh×1.4kg CO2/kWh=221噸、減少排放SO2約12.37噸、減少排放NOx約4.29噸，具有較大的環(huán)境和社會效益。

5.3社會效益

江陰地區(qū)太陽能資源儲量豐富，大力發(fā)展太陽能具有顯著的社會效益。不僅可改善能源結(jié)構(gòu)的不合理，增加新能源在電網(wǎng)中的份額。同時能緩解當(dāng)?shù)仉娏┬璧木o張狀況，帶動當(dāng)?shù)氐膭趧泳蜆I(yè)，對發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。

6、項目風(fēng)險分析

光伏系統(tǒng)主要設(shè)備品質(zhì)優(yōu)良，其中太陽板壽命25年以上，控制器、逆變器壽命10年以上。并網(wǎng)逆變器和配電系統(tǒng)，具有完善的各類故障與事故的保護(hù)功能確保人身與電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)的設(shè)備安全。系統(tǒng)的設(shè)備可以采用焊接、專用螺栓連接，只有專業(yè)工具才能打開，可以起到一定的安全和防盜作用。對于電氣安全，因?yàn)閹щ姴课幻芊?，線纜暗敷，關(guān)鍵部位帶有警示標(biāo)識，因此只要安裝操作手冊規(guī)范使用，就不會出現(xiàn)其它安全問題。

本太陽能光伏屋頂系統(tǒng)由專業(yè)電力系統(tǒng)專業(yè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，具有很高的可靠性和性價比。故光伏屋頂系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不會對人身及房屋構(gòu)成任何危險，安全可靠。具體有以下幾點(diǎn)：

1)屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)，支撐系構(gòu)件及基礎(chǔ)有效安裝在承重墻上，同時光伏系統(tǒng)對屋面的承重能力要求較小，由于光伏組件及支撐系統(tǒng)的載荷≤25kg/m2，該建筑屋面鋪設(shè)光伏組件完全能滿足該屋面原設(shè)計承重要求。

2)考慮到在屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)時，對支撐系構(gòu)件及基礎(chǔ)有效安裝在承重墻上，并對屋面的防水層進(jìn)行必要的處理，確保在屋頂安裝上太陽能光伏系統(tǒng)，屋面不會出現(xiàn)滲漏等問題。

3)在屋面安裝光伏組件時，充分考慮和屋檐有足夠的安全距離，確保在安裝、施工及大風(fēng)天氣的影響，采取有效的防護(hù)措施安裝結(jié)構(gòu)，防止組件脫落。

4)考慮建筑物的整體建筑外觀要求，實(shí)現(xiàn)與建筑的有效結(jié)合，使其不影響建筑物的整體外觀形象。

7、結(jié)語

本項目工程按選定的地址利用既有廠區(qū)辦公樓建筑屋頂，以25度傾角方式架設(shè)多晶硅電池組件裝機(jī)總?cè)萘繛?6.3kWp。工程動態(tài)總投資約為53萬元，25年經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)年平均年上網(wǎng)電量約為6.33萬kW²h。

本工程的建設(shè)對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境，減少溫室氣體排放、推廣太陽能利用和推進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常積極的示范意義，同時也具備較好的社會和環(huán)境效益。

文章來源：《綠色建筑》2017年3期。

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