2.28MWp太阳能光电建筑的示范应用与设计

河南省高校节能照明工程技术研究中心 ■ 员莹

三门峡鹏飞电子有限责任公司 ■ 高海云

一 引言

随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长，能源的稀缺性越来越突显，大规模开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略的重要组成部分。在可再生能源中，太阳能光伏发电因无污染、储量丰富而受到广泛关注。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”。我国也先后出台了一系列相应的政策，2009年，财政部、住房和城乡建设部联合发布了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》；2010年，财政部等四部委又联合发布了《关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知》，从政策、法律上有力地支持了我国太阳能光伏发电产业的发展。

三门峡产业集聚区2.28MWp太阳能光电建筑应用是经财政部批准立项，由三门峡鹏飞电子有限责任公司负责承建的示范项目。本文将对该项目太阳能光伏发电系统的设计进行详细介绍。

二 系统总体设计方案

项目所选用的建筑为三门峡产业集聚区三门峡鹏飞电子有限责任公司1-5#，7-11#，14-15#，20#厂房。通过对这些建筑物的实地勘测，整个厂房建筑物均为坐北朝南，且东、西、南侧均无明显的高大近距离障碍物遮挡屋顶的光照，屋面载重符合要求，可在屋顶架设光伏组件。因此，项目充分利用厂房建筑屋顶空间，采取分块发电、集中并网的方案建设大型太阳能并网光伏发电站，系统所产生的电能主要用于企业自身负载。

光伏组件总峰瓦值为2MW，按照4个500kWp的光伏并网发电单元进行设计，每个500kWp发电单元采用1台500kW并网逆变器。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳电池阵列，太阳电池阵列输入汇流箱后接入直流配电柜，再经光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入0.4kV配电网络。当电网发生故障或变电站由于检修临时停电时，光伏电站自动跟踪保护及时停机不发电；当电网恢复后，自动恢复并网发电。当有多余电量输出时，系统有防逆流保护装置及措施，防止对电网造成损伤。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

三 并网光伏系统的设计

1 系统组成

并网光伏发电系统由太阳电池组件及其支架、方阵防雷接线箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、配电保护系统和系统的通讯监控装置组成，系统配置表见表1。

2 太阳电池阵列设计

(1)太阳电池阵列安装倾角的确定

根据现场勘测，安装现场位于北纬33.4¡，铺设太阳电池阵列的最佳倾角不应超过该纬度。根据当地的阳光照射条件，每年5～9月是太阳光照射强度最大时间段，日照辐射总量约占全年辐射总量的75%，该时间段的太阳光垂直入射所对应的平均安装倾角约为30¡。由于采取并网光伏发电系统，电网作为储能装置，不必像蓄电池那样受到容量的限制，故太阳电池阵列的安装倾角为全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度。综合考虑各因素，安装方式采取光伏组件表面与地面水平方向呈30¡的最佳倾角朝阳安装，光伏组件表面的水平方位角为S0¡W，即为正南方向。

表1 系统配置表

(2)太阳电池组件选型

目前工程上应用的太阳电池组件主要为晶体硅电池组件，其中单晶硅太阳电池转换效率最高，多晶硅次之，但实际应用中两者差别较小。由于多晶硅成本较低，比单晶硅应用更多，因此项目采用型号ZKX-230P-24、功率为230Wp的多晶硅太阳电池组件，电池片单体光电转换效率约为16%～17%。主要参数见表2。

表2 太阳电池组件技术参数

(3)光伏组件串、并联方式设计

光伏阵列通过组件串、并联得到，组件的串并联必须满足并网逆变器输入电压和输入功率的要求。系统采用500kW光伏并网逆变器，直流工作电压范围为400～880Vdc。光伏组件为230Wp的多晶硅组件，其Voc为36.8V。太阳电池组件串联的组件数量Ns=880/36.8≈24块，考虑温度变化系数，取20块太阳电池组件串联形成一条支路单元，每条支路单元的串联功率为4.6kWp。系统共计8700块太阳电池组件，实际功率达到2001kWp。

3 并网逆变器的选择

并网逆变器是并网光伏系统的重要设备，其功能是将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电。系统选用许继柔性输电系统公司自主开发的GBL200-500/380-ST光伏并网逆变器，每台逆变器的额定功率为500kW，均含有隔离并网变压器，实现电气隔离。逆变器的核心控制采用基于SVPWM的无冲击同步并网技术，保证系统输出与电网同频、同相和同幅值。

4 光伏方阵直流防雷汇流箱设计

汇流箱是光伏发电系统中的重要组成部分，其主要作用是按照一定的串、并联方式将光伏阵列连接到一起，以便对光伏阵列实施监控。考虑到并网系统在安装和使用过程中的安全及可靠性，为减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，需在光伏组件与逆变器之间增加光伏阵列直流汇流箱。系统采用2种汇流箱KBT-PVG-9(9进1出)和KBT-PVG-12(12进1出)，整个并网系统需配置38台直流防震汇流箱。每台汇流箱均配备光伏专用高压防雷器，具备防雷功能。

5 直流配电柜设计

每台直流配电柜按照500kWp的直流配电单元进行设计，2MWp光伏并网单元需要4台直流配电柜。每个直流配电单元可接入10路光伏方阵防雷汇流箱。每台直流配电柜分别接入1台500kW逆变器。

6 发电计量系统配置及选用

光伏发电设备的计量点通常设在光伏并网逆变器的并网侧，选用的电度表为多功能数字式电度表，具有优越的测量技术及很高的抗干扰能力和可靠性。同时，还提供更灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显示损耗、状态信息、报警等。显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改，通过光电通讯口还可处理报警信号，读取电度表数据。

7 数据采集与监控系统设计

系统配有完善的通讯监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485传输至控制中心，实现远程监控。

光伏发电监控系统由监控设备(如光伏并网逆变器、光照强度传感器、温度传感器、电池检测器等)、本地触摸屏、远程监控中心等组成。利用模拟量采集模块进行数据采集，接入逆变器， 通过本地触摸屏来进行操作和数据监视，同时光伏并网逆变器数据由触摸屏的RJ45端口采用Modbus/Tcp协议传到远程监控系统。监控中心将与各设备通讯的数据存入自己的实时数据库，根据通讯速率，动态更新数据。

四 系统能效分析

按照光伏组件设计寿命为25年，系统平均每年衰减0.8%计，25年衰减不超过20%。考虑光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失，系统总效率按81.6%计，可预测25年运营周期总发电量。首年发电量约为249.2万kWh，25年累计发电量约为5600.6万kWh，年均发电量约为224万kWh。

五 节能计算

一般发出1kWh电要消耗约0.36kg标准煤，同时产生0.272 kg碳粉尘、0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫和0.015kg氮氧化合物。系统年均发电量约为2240258kWh，预计每年可节省标准煤806.5t，可减少排放609.4t碳粉尘、233.5t二氧化碳、67.2t二氧化硫和33.6t氮氧化合物。

六 结论

太阳能光伏发电示范项目的建设，将有利于探索太阳能光伏电站的建设模式，增加可再生能源的比例，推进国家改进能源结构调整的步骤。从项目的实施预期效果来看，减排效果明显，具有良好的社会效益，对光伏产业的健康发展起到良好的带头作用。

[1] 李钟实. 太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

[2] 王春朝, 王金全, 刘文良. 天和家园43kWp屋顶并网光伏发电系统设计[J]. 建筑电气, 2007, (2):13－18.