太阳能光伏建筑一体化电站设计

范文升，张 宇（. 山东淄博市规划设计研究院，山东 淄博 55000；.安科瑞电气股份有限公司，上海 080）

太阳能光伏建筑一体化电站设计

Design of Integrated Photovoltaic Power Station

范文升1，张 宇2（1. 山东淄博市规划设计研究院，山东 淄博 255000；2.安科瑞电气股份有限公司，上海 201801）

光伏发电项目作为新能源的代表，是我国可持续发展能源战略规划，光伏建筑一体化同时对推进太阳能利用及光伏电池组件产业的发展进程具有非常重大的示范意义，可充分促进光伏行业的发展，大规模带动就业，经济、环保等效益显著。以实际项目工程为例简要介绍了整套光伏电站的系统组成，对光伏电站的发电量和经济效益进行分析，同时对项目风险进行了分析。

光伏发电；光伏系统；项目发电量；项目收益分析

1 概 述

光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念，简而言之，就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。光伏电池组件与建筑物完美结合，所发电能并入电网，节约资源并能获得经济效益，而且光伏电站投资省、见效快、运行成本低、资金风险小。

本设计项目是利用江阴某工厂办公楼空闲屋顶建设屋顶太阳能光电建筑项目，依据最先进的光伏建筑一体化的技术，将太阳能发电站与建筑本身完美地结合在一起。

项目总装机容量为 66.3 kWp (即光伏电站电池组件的峰值功率)，采用的是高效的多晶硅组件电池板，使用寿命在 25 a 以上；光伏系统所发的电全部并入最近的 400 V 变电站，并网使用(配置双向计量电表)。

项目实际装机容量为 66.3 kWp，25 a 均发电量为6.33 万 kWh，年均节约标准煤 24.64 t，年 CO2节排8.84 t。

2 项目情况

2.1 地理位置

江阴市位于北纬 31°、东经 120°附近，属北亚热带季风性湿润气候，年平均气温 16.7 ℃，年降雨量 1 040.7 mm。全境地势平缓，平均海拔 6 m 左右。太阳年辐射总量115.7 kCal/cm2。一年中太阳辐射月总量以 7 月和 8 月最多，分别为 13.5 kCal/cm2和 13.7 kCal/cm2；12月和1月最少，均为 6.3 kCal/cm2。

2.2 建筑类型和电站规模

本设计项目的办公楼整体南北走向，楼顶屋面为混凝土水泥上人屋面，东、西、南侧均无明显高大的近距离建筑物遮挡，屋面载重符合要求，完全可以在屋顶架设太阳能光伏组件。

根据客户提供的相关图纸和实地勘察，其厂房屋顶上建设分布式光伏电站可安装总容量为 66.3 kWp。

3 技术方案设计

3.1 系统构成

系统构成见图 1。

图 1 并网点光伏电站系统原理构架

3.2 组件安装方式

组件安装倾角不同，每平方米的辐射度也会不同，现场光伏组件以 25°左右的倾角安装在水泥屋顶上。

3.3 系统主要元器件

光伏并网发电系统由太阳电池组件、组串式光伏并网逆变器、交流汇流箱、交流并网柜和系统的通信监控装置组成。

66.3 kWp 并网光伏发电站主要组成如下： 太阳能电池组件采用 260 块 HR-255Wp 晶体硅组件；支架采用阳极氧化的铝合金材料；光伏并网逆变器采用 3 台逆变器； 交流汇流箱采用 1 台 AZX-H 汇流箱；交流并网柜采用 1 台AZG-B 并网柜；系统的通信监控装置设计采用光伏电站综合监控系统。

3.3.1 组件

根据总装机容量和各区屋面实际情况，本期光伏电站为66.3 kWp，应该选取 260 块 255 WP 组件。太阳能电池组件应具有非常好的耐候性，能在室外严酷的条件下长期稳定可靠运行，应同时具有高的转换效率和廉价。选择优质高效的太阳能电池组件是并网光伏电站可靠运行且提高发电量的关键之一。

本项目组件采用 HR-255 Wp 系列：此款组件外观匀称，结构轻巧坚固，具有良好的抗风雪功能。边框带流水槽，可防止组件积水，避免边框结冰爆裂。边框氧化膜较厚，能满足恶劣条件下的使用要求，特别是盐雾气候的使用要求。

3.3.2 逆变器

选用 ASI 系列光伏并网逆变器。ASI 系列采用高效率、小型化低频隔离变压器设计，以及高性能低功耗功率器件，更安全可靠。

ASI 系列光伏并网逆变器参数见表 1。

表 1 ASI 系列光伏并网逆变器参数

3.3.3 交流汇流箱

在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。AZX-H 系列智能光伏汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。

3.3.4 计量装置

计量装置由供电局提供专用计量，带通信功能，需要数据上传。计量装置安装于交流配电柜中。交流配电柜中留好安装位置及二次接线和通信线。

3.3.5 系统的通信监控装置

并网型光伏发电系统监控软件是安科瑞电气股份有限公司面向并网光伏发电的远程监控软件。它以现场总线技术、以太网技术、无线通信技术、计算机技术为基础，采用先进技术开发的监测、控制和管理系统，具有组态功能、控制功能、报警功能、调试诊断、报表及曲线功能，系统拓展方便。该软件集成光伏发电系统和电能管理系统监控功能，对光伏发电系统进行远程实时监控、统计分析、历史事件记录，同时还可直接将配电监控系统接入，进行集中监控。

本项目可在办公室安装后台监控系统。通过光伏发电系统监控软件对太阳能发电系统进行监测、控制和管理。

4 安装设计

光伏组件安装之前，标示好基座预制件的位置，安放好基座预制件。将光伏支架安装固定在基座预制件上。光伏支架按 10 级台风和 50 a 一遇雪载荷要求设计。结合本地的太阳能辐射情况最大限度的利用好太阳能。本期工程光伏组件安装角度为 25°。项目采用 20 块 255 Wp 组件接成一串，总计 13 串光伏组串，其中 2 台 20 kW 逆变器各接入4 串组件。1 台 25 kW 逆变器接入 5 串光伏组件。组串全部接入逆变器后，由逆变器输出端的电缆进行汇入交流汇流箱。

太阳能电池板金属固定架上连接屋顶原有避雷网作为保护，防止太阳电池板方阵设备遭直接雷击。太阳电池方阵通过电缆接入组串式逆变器，逆变器采用压敏保护装置可有效避免雷击导致设备的损坏。

配电房主要实现各种保护和计量、接入变压器，通过低压室中的交流配电柜进行并网。配电室应该保持整齐清洁及良好的通风散热环境，设备上的灰尘和污物应及时清理。变压器低压柜边增加交流并网柜。交流并网柜母排与变压器低压柜母排拼接，柜内安装 1 只进线断路器，用于线路保护。

5 项目发电量及社会效益分析

5.1 系统效率

光伏发电系统效率受很多因素的影响，包括当地温度、污染情况、光伏组件安装倾角、方位角、光伏发电系统年利用率、太阳电池组件转换效率、周围障碍物遮光、逆变损失以及光伏电站线损等。将计算方法简化后，光伏发电并网系统的总效率由以下几个部分组成。

(1) 光伏电厂占地面积大，直流侧电压高，电流小，导线有一定的损耗，根据规范本工程此处损耗值按 2% 设计。

(2) 大量的太阳能电池组件之间存在一定的特性差异，不一致性损失系数为 3%。

(3) 考虑太阳能电池组件表面即使清理仍存在一定的积灰，遮挡损失系数为 4%。

(4) 光伏并网逆变器转换效率：光伏并网逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，效率取 96% 计算。

(5) 早晚不可利用太阳能辐射损失系数为 4%。

(6) 光伏电池的温度影响系数按 1.8% 考虑。

(7) 考虑当地气候变化及各种不利因素的影响。根据经验此处不可预见因素损失系数为 6.819 8%。

5.2 发电量计算

5.2.1 太阳能月辐射量

根据《中国气象辐射资料年册》提供的资料，江苏地区各月太阳能辐射量资料见表 2。

表 2 江苏地区各月太阳能辐射量 kWh/m2

5.2.2 年发电量计算

首年的发电量=装机容量×辐照量×系统效率

以日射量来估算发电量。

(1) 光伏阵列效率 η1：光伏阵列在 1 000 W/m2太阳能辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。

光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：① 组件匹配损失：对于精心设计、精心施工的系统，约有4%的损失。② 太阳辐射损失：包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失，取值 5%。③ 偏离最大功率点损失：如温度的影响、最大功率点跟踪 (MPPT) 精度等，取值 2%～4%。④ 直流线路损失：按有关规定，应＜3%。

取：η1=96%×95%×98%×98%=87.6%

(2) 逆变器的转换效率 η2：一般并网逆变器效率在94% 以上，取 94%；逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。

(3) 交流并网效率 η3：若不经过高压电网的传输，效率可取 η3=1。系统总效率η总=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%

式中：PAS——太阳光伏阵列容量

HA——当地平均日辐射量(kWh/m2)

η总——系统总效率

本项目光伏电站组件在水泥屋面正南 25°安装，按光伏板使用 25 a 计算，考虑到光伏电池板及相关部件的损耗，剩下 24 a 按照每年 0.8% 递减计算。本工程年平均发电量为 6.33 万 kWh，25 a 总发电量约 158.28 万 kWh。

5.2.3 项目产生经济效益和系统环境效益

根据上述发电量情况，结合公司的工业用电价格及国家补贴等，本项目在 25 a 的使用周期内，具有可观的经济效益。具体为：项目总投资约 8 元/W，总投资金额约 53 万元，按光伏发电的 90% 自用，10% 上网，每年的年总收入为 8.61 万元，年投资收益率为 16.24%。

经济效益方面：根据发电量和投入的建设成本结合实际用电情况，在不考虑电费上涨、设备维护更换等因数的基础上，预计 6.16 a 左右收回投资成本，25 a 产生经济效益约为 203.83 万元。

环境效益方面：根据目前我国发电标煤煤耗为平均390 g/kW·h 计算。预计 25 a 总节约标煤：158.25 万kWh×390 g/kWh=616 t。预计 25 a 减排CO2：158.25万 kWh×1.4kg /kWh=221 t，减少排放 SO2约 12.37 t、减少排放 NOx 约 4.29 t，具有较大的环境和社会效益。

5.3 社会效益

江阴地区太阳能资源储量丰富，大力发展太阳能具有显著的社会效益。不仅可改善能源结构的不合理，增加新能源在电网中的份额；同时能缓解当地电力供需的紧张状况，带动当地的劳动就业，对发展当地经济具有深远的意义。

6 项目风险分析

光伏系统主要设备品质优良，其中太阳板寿命 25 a 以上，控制器、逆变器寿命 10 a 以上。并网逆变器和配电系统，具有完善的各类故障与事故的保护功能确保人身与电网和光伏系统的设备安全。系统的设备可以采用焊接、专用螺栓连接，只有专业工具才能打开，可以起到一定的安全和防盗作用。对于电气安全，因为带电部位密封，线缆暗敷，关键部位带有警示标志，因此只要安装操作手册规范使用，就不会出现其他安全问题。

本太阳能光伏屋顶系统由专业电力系统专业机构联合优化设计，具有很高的可靠性和性价比。光伏屋顶系统稳定可靠，不会对人身及房屋构成任何危险，安全可靠。具体有以下几点：

(1) 屋顶安装太阳能光伏系统，支撑系构件及基础有效安装在承重墙上，同时光伏系统对屋面的承重能力要求较小。由于光伏组件及支撑系统的载荷≤25 kg/m2，该建筑屋面铺设光伏组件完全能满足该屋面原设计的承重要求。

(2) 考虑到在屋顶安装太阳能光伏系统时，对支撑系构件及基础有效安装在承重墙上，并对屋面的防水层进行必要的处理，确保在屋顶安装上太阳能光伏系统，屋面不会出现渗漏等问题。

(3) 在屋面安装光伏组件时，充分考虑与屋檐有足够的安全距离，确保在安装、施工及大风天气的影响，采取有效的防护措施安装结构，防止组件脱落。

(4) 考虑建筑物的整体建筑外观要求，实现与建筑的有效结合，使其不影响建筑物的整体外观形象。

7 结 语

本项目工程按选定的地址利用既有厂区办公楼建筑屋顶，以 25°倾角方式架设多晶硅电池组件装机总容量为66.3 kWp。工程动态总投资约为 53 万元，25 a 经济寿命期内年平均年上网电量约为 6.33 万 kWh。本工程的建设对优化能源结构、保护环境，减少温室气体排放、推广太阳能利用和推进光伏产业发展具有非常积极的示范意义，同时也具备较好的社会和环境效益。

TU50

B

1674-814X(2017)03-0033-04

2017-02-15

范文升，现供职于山东淄博市规划设计研究院。

作者通信地址：山东省淄博市张店区人民西路15号，邮编：255000。