1 MW屋顶并网光伏系统实践

谢明达， 廖华， 李景天， 马逊， 杨康，许海园， 马铭， 赵冬阳

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650092；2.云南电网公司 大理供电局，云南 大理 671000)

在现代工业飞速发展的大背景下，化石能源逐渐减少，环境问题日益严重.可再生能源因其能够增加能源持续供给能力、改善能源结构、保障能源安全而备受人们关注，而太阳能有取之不尽、用之不竭、廉价、无污染等优势，是人们关注的焦点[1-2].

太阳能光伏发电是利用太阳能的主要方式之一.迄今为止，太阳能光伏发电经历了三个发展阶段，分别是：从天空到地面(1973年以后，太阳电池从主要作为空间电源向地面应用发展)；从独立系统到并网发电(与离网的独立光伏系统相比，并网光伏发电系统更加科学与环境友好)；从屋顶系统到光伏建筑一体化(将光伏组件安装在建筑屋顶上或把太阳电池组件作为建筑材料的一部分)[3-6].

1 简 介

本文介绍的1 MW屋顶并网光伏系统是云南师范大学呈贡校区光电建筑应用示范项目，该系统于2009年9月获财政部和住房和城乡建设部立项建设，2012年6月28日完工，并且通过了由云南省住房和城乡建设厅及云南省财政厅组织的专家验收.该系统分为3个子系统，实际总装机容量为1 002 kWp，项目中的组件全部采用与建筑结合的固定式安装方式，安装于相关的建筑物屋顶表面，每个并网电站就近并入中、低压电网.该系统建成后，接入当地电网，联网后除有效地降低学校的用电量外，还将推动光电建筑在云南地区的建设，促进地区的可持续发展.

2 系统设计

1 MW屋顶并网光伏系统建在云南师范大学呈贡新区，分别安装在游泳馆、训练馆和图书馆三个建筑的屋顶上，主要由光伏阵列、并网逆变、低压输配电、监控等几部分构成，如图1所示.游泳馆装机容量为89.21 kW、训练馆装机容量为656.38 kW、图书馆装机容量为256.5 kW，总装机容量为1 002 kW.

图1 1 MW屋顶并网光伏系统简图

(1)光伏阵列：主要由太阳电池组件、光伏防雷汇流箱、光伏防雷配电柜以及直流电缆等构成；

(2)并网逆变：主要由并网逆变器构成；

(3)低压输配电：主要由低压交流配电柜、低压交流电缆等构成；

(4)监控与显示：主要由光伏系统监控及显示系统构成.

光伏阵列将太阳能转换为直流电能，通过汇流箱(直流配电箱)传送到与之相连的逆变器的直流输入端；逆变器具有最大功率跟踪(MPPT)功能使光伏阵列保持最佳输出状态，同时将直流电转换成与电网频率和相位相同的交流电，达到电网并网发电的要求[7-8]；图书馆、游泳馆两个子系统中的逆变器送出的交流电能经过低压配电就近接入低压400 V电网，补充相关建筑物内的用电；训练馆子系统中的逆变器送出的交流电经过升压变压器，将电压升至10 kV，然后接入10 kV电网，补充全校园的用电.

2.1 组件选型与安装

1 MW屋顶并网光伏系统中光伏电池组件安装面积为13 184.98 m2，选用185 Wp、190 Wp两种规格的单晶硅组件，组件系统组串采用18块串联方式，再由4、6、8、9、16个组串并联形成并联组，与逆变器相连.

1 MW屋顶并网光伏系统中组件的安装根据屋顶的不同分为屋顶平面支架安装和铝合金夹具安装两种方式.对于图书馆的平面屋顶，采用自配重工艺完成基础施工，该工艺不破坏建筑屋顶的结构，有效保证了屋顶表面的防水结构；而对于由铝合金扣板构成的训练馆及游泳馆曲面屋顶，采用铝合金夹具、铝合金横梁等制作好太阳电池组件支架后进行安装.铝合金夹具安装工艺能够与金属屋面达到完美结合，巧妙利用金属环屋面的结构，较为可靠的进行组件的安装[9-10].自配重安装工艺和铝合金夹具安装工艺分别如图2、图3所示.

图2 自配重安装工艺

图3 铝合金夹具安装工艺

组件的安装方位角除图书馆以5度倾角面向南方外，训练馆和游泳馆由于受建筑屋面及建筑物方位角的制约，不是全部面向南方，安装倾斜角也不是固定值，大约在5～10度之间.对接头全部采用成品插拔式对接头，提高了接线的安全性和美感，同时考虑到布线的方便和美观，在型材上预留了走线的通道，使得线路走向更合理.屋面阵列铺设考虑了与建筑的结合状况，整体效果不影响原建筑外观，并给原建筑增加了科技内涵，屋面阵列铺设具有很好的视觉美感，最大限度的利用太阳辐射资源，增加系统的发电量.安装完成后的总体效果如图4、图5所示.

图4 云南师范大学图书馆光伏屋顶

图5 云南师范大学训练馆光伏屋顶

2.2 直流汇流箱选型

汇流箱的作用是将若干组串回路并联连接到汇流箱内，形成较大的直流电流，再连接到逆变器，转换成交流电.1 MW屋顶并网光伏系统的一级汇流箱全部采用带监测功能的防雷汇流箱，可以实时监测每一个组串的输出电流.监控组串的工作状况对于大面积的光伏阵列极为重要，它可以让管理人员在第一时间掌握组串工作状况，出现问题及时处理.实际安装的汇流箱如图6所示.

图6 汇流箱

2.3 并网逆变器选型

并网逆变器将光伏阵列产生的直流电转换成交流电，并通过其MPPT功能使光伏阵列保持在最佳功率输出状态.1 MW屋顶并网光伏系统由于安装方式多样，为使处在不同安装位置的光伏阵列发挥最大效益，系统设计时选用了多种规格的集中式逆变器，共10台，具体参数如表1所示.

表1 逆变器配置信息表

2.4 数据采集与监控系统设计

1 MW屋顶并网光伏系统的监控系统以安全可靠、先进实用、经济合理为基本原则，采用集中控制、放射性分布的方式.各发电单元设置一台通讯柜，逆变器、环境监测、仪表等信号均以485线传送到通讯柜上，然后经交换机通过光纤连接至监控电脑，系统监控图如图7所示.监控系统可以检测和显示系统每个单元工作电压及电流(直流侧的电压、电流，交流侧电压、电流)、系统工作状态、功率、功率因数、频率、故障报警信息以及环境参数(如辐照度、环境温度等)，统计且显示日发电量及总发电量等信息，并形成可打印报表.具有数据存储、查询功能，通讯传输能记录和存储至少10年的系统运行数据.所有单元的测量监测信息在图书馆汇总后经RGPS上传到相关管理部门，并经校园网传输到太阳能研究所.

图7 监控系统结构图

1 MW屋顶并网光伏系统在游泳馆屋顶配置了一套环境监测仪，该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，可实时测量环境温度、风速、风向及辐射强度等参量，其通信接口可接入计算机监控系统，实时记录环境数据，且由数据通信模块、控制装置组成，具有远程控制功能.能够提供RS232、RS485、无线三种通信接口.

2.5 系统防雷设计

雷电主要有感应雷和直击雷两种.感应雷主要由电磁感应或静电现象产生；而直击雷是指直接落到光伏阵列、电气设备等上面或附近的雷击.因为游泳馆、训练馆屋面属于金属屋面，图书馆屋面属于混凝土屋面，根据防雷设计规范GB50057-94，本系统建筑属于第二类防雷建筑.1 MW屋顶并网光伏系统利用建筑原防雷接地装置防直击雷.把系统的所有金属物，包括组件外框、设备、机箱机柜外壳、变压器金属外壳与建筑原防雷接地装置等电位连接防感应雷.具体为：1)在钢筋混凝土屋面上，沿光伏方阵敷设40×40 mm热镀锌扁钢作为连接线，并用40×40 mm热镀锌扁钢与建筑原避雷带可靠连接，连接处作喷漆处理；2)利用建筑原引下线泄流；3)在金属屋面上，光伏组件与铝合金横梁用4 mm2黄绿电缆连接，连接处为M8连接螺栓，沿光伏方阵敷设40×4 mm热镀锌扁钢作为连接线，与角钢焊接；4)利用原建筑引下线泄流，接地电阻≤4 Ω；5)在直流汇流箱、逆变器内装设防雷模块；6)10 kV防雷过电压保护等[11-12].并且对屋面的8个测点进行检测，其接地电阻值均在1.6～1.8 Ω之间，已达设计要求(设计要求≤2 Ω).

3 运行数据分析

太阳电池组件的实际装机容量为1 002 kWp，发电量数据通过PVSYST软件建模和分析计算，并根据当地实际的气象数据进行理论电量计算.经计算，1 MW屋顶并网光伏系统第1年预计发电量为112.9万kW·h.25年中年平均发电量预计为100.25万kW·h.按照光伏组件25年衰减不超过20%，可以预测电站25年运营周期总发电量约为2 506.21万kW·h.

截止到2014年6月5日，游泳馆发电量为102 893 kW·h，运行400天；训练馆发电量为585 130 kW·h，运行300天；图书馆发电量为209 774 kW·h，运行300天；系统总发电量为897 797 kW·h.

4 效益分析

4.1 社会效益

云南具有较为丰富的太阳辐射资源，并计划在节能减排环保建设和可持续发展领域走在西南地区各省的前列.目前，云南省已先后建成各种规模的光伏并网或独立电站数十座，对于改善地区空气质量及降低二氧化碳排放量等方面具有极其重要的意义.以1 MW屋顶并网光伏系统为基础，吸引其他没有光伏电站的区域加入，届时将掀起以点带面，全面发展的新格局，对促进光伏电站在云南的广泛建设具有重大意义.同时，云南师范大学太阳能研究所作为国内最早从事光伏研究的学术团体，1 MW屋顶并网光伏系统的建成，可以为研究所增加新的学术研究平台.

4.2 环境效益

目前我国火力发电每生产一度电平均消耗390克标煤，据统计，燃烧一吨标煤会产生约2.6吨二氧化碳，约24公斤二氧化硫，约7公斤氮氧化物，污染十分严重[13-14].1 MW屋顶并网光伏系统首年发电量为112.9万kW·h，设系统寿命为25年，按寿命终期的光伏组件转化效率为首年的80%及在寿命期内电站年发电量为线性衰减计算，25年寿命周期内累计产生电能为2 506.21万kW·h，年均发电量为100.25万kW·h.与火力发电相比，此光伏并网系统在25年寿命期内相当于累计节约标准煤约8 395.93吨，减排二氧化碳约20 927.18吨、二氧化硫约626.56吨和氮氧化物约150吨，此外，还减少了大量粉尘和烟尘的排放.

5 结 论

云南师范大学所在地具有较为丰富的太阳辐射资源，高校建筑屋顶闲置面积大，建筑物屋面为钢筋混凝土结构，较为平坦，施工方便，适宜建设光伏发电项目.光伏发电项目的建设，不仅可以进一步减少燃煤发电场的环境污染、改善当地能源结构，而且可以促进光伏电站在云南的广泛建设.同时也是云南师范大学太阳能研究所新的学术技术研究平台，具有较大的社会、经济等综合效益.

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