屋顶光伏发电与储能的设计

韩月　徐志伟

摘 要：文章通过理论分析与计算，对屋顶光伏系统和并网电气设备进行选型。采用多晶硅太阳电池，根据光伏发电原理，通过汇流、逆变、升压、储能等步骤，将光伏电站系统接入公共电网，实现电能的自产、自用、自销。

关键词：光伏发电；并网；电能

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0088-03

Abstract： Through theoretical analysis and calculation， the roof photovoltaic system and grid-connected electrical equipment are selected. Adopting polysilicon solar cell， according to the principle of photovoltaic power generation， and through confluence， inverter， boost， energy storage and other steps， the photovoltaic power station system will be connected to the public power grid to achieve self-generation， self-use and self-consumption of electrical energy.

Keywords： photovoltaic power generation； grid-connected； electric energy

引言

太阳能作为一种新型能源，具有清洁、环保，可再生等特点，是人类开发的重要绿色能源之一。其中，光伏发电是利用光生伏特效应，将光能转化为电能的技术。如今光伏发电已进入规模化发展阶段，其应用十分广泛，如为无电区提供电力；并网发电；生产太阳能电子产品，在交通上使用的路灯等。

屋顶分布式光伏发电是常见的太阳能发电技术，合理选择发电的相关设备，设置发电系统的关键参数，可提高对太阳能资源的利用率。本文就屋顶光伏发电系统做项目设计，接入公共电网，实现电能的自产、自用、自销。

1 设备与安装的选择

1.1 光伏电池

屋顶光伏发电系统中的光伏电池，主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池等[1]。太阳电池的材料决定着制作成本和光电转换效率，目前单晶硅太阳电池的光电转换效率可达26%，但其制作工艺复杂、加工繁琐，导致单晶硅太阳电池成本一直远远大于其他太阳电池。

就制作工艺而言，多晶硅太阳电池在生产过程中能量消耗低，材料制造相对简单，制造时不污染环境，比单晶硅太阳电池更经济环保。而且，经德国研究人员的努力，其转换效率也突破20.3%[2，3]。

此外，文献[4-5]研究发现光强与温度对单晶硅、非晶硅电池输出电流与电压的影响规律相同，但对非晶硅电池的工作影响较大，在光照强度或温度条件相同时，晶硅太阳电池的转换效率高于非晶硅太阳电池。

因此，综合光电转换效率、制作成本、经济环保等因素，本次设计选择多晶硅太阳电池。

1.2 布局方式

光伏發电系统中最小的发电单元是每个光伏组件。通常在安装底座上将多个光伏组件串联或并联，形成固定的直流发电单元，进而组成光伏发电方阵。

屋顶光伏组件固定摆放方式可大幅降低工程建设成本、减少维护和检查费用，其中，条形基础施工简单，场地平坦时可直接放置于地面，屋顶面积使用率高、施工速度快。因此本文采用钢筋混凝土条形基础安装方式。

此外，设计时，要确保光伏系统全年高效运行。光伏电池要以最佳倾角来安装，以便采集更多的太阳辐射量。为简便，取北回归线为北纬N23°，扬州经纬度取北纬N32°，东经E119°。

根据规范[6]得出独立系统安装时组件倾角为37°，并网系统安装倾角为28°，斜面日均辐射量14207kJ/m2，日辐射量13400kJ/m2。

1.3 光伏板与逆变器

屋顶总面积为6125m2，尺寸24.5m×250m，位于扬州市。光伏组件均采用XHGD-300W多晶硅组件，功率为300W，转换效率为17.5%，结构尺寸为1950mm×990mm×40mm。

系统中逆变器是把光伏方阵产生的直流电转换为交流电，并入配电网。根据本次设计光伏发电系统总装机容量，综合分析各项指标及安全要求，确定选用30kWh组串式逆变器方式。此型号的光伏并网逆变器支持六路组串检测，可快速定位故障发生位置，有保护功能和发生短路、过载、电网等异常故障时的报警功能，且无谐波污染供电。

1.4 组件排布

光伏方阵各排、列的布置间距应保证全年包括夏至日和冬至日9：00am-15：00pm内各个方位互不遮挡。间距可由下列公式计算[7]：

其中，组件开路电压温度系数Kv=-0.32%/℃，开路电压VOC=42.6V，工作电压Vpm=35.8V，组件峰值功率电压温度系数K'v=-0.41%/℃，组件工作条件下极低和极高温度分别为t=-25℃，t'=+60℃，逆变器允许最大输入电压Vdcmax=1000V，逆变器允许的mppt电压最大和最小值分别为Vmpptmax=800V，Vmpptmin=500V。在公式（2）和公式（3）中带入数值，得16.3？燮N？燮18.5，取N=18。

为减少支架购买费用，将两块光伏组件横向叠加摆放，每个光伏方阵由2行9列，共18块光伏组件串联而成，长17.55m，宽1.984m。取L=1.984m，根据公式（1）计算，方阵间距取D=3.62m。本次设计共65个光伏方阵，5行13列，1170块光伏组件。每行的方阵间隔0.33m，每列的方阵由计算所得的D值再多0.556m过道宽。

2 并网

2.1 并网方式

并网光伏发电系统主要由光伏方阵、逆变器及输配电系统三大部分组成，根据本光伏电场规划容量，本次设计将光伏组件串联组成光伏方阵，然后与逆变器连接，所发电量通过逆变、低压交流汇流接入配电系统，实现400V低压并网接入。之后通过升压变压器将电压升至10kV，再经过线路接入变电站10kV的母线其他配电设施上。

2.2 部分电气设备的选择

2.2.1 汇流箱的选择

汇流箱在光伏发电系统中负责有序汇合光伏组件产生的电流。它能保证在光伏系统维护、检查时方便切断电路以及当光伏系统发生故障时缩小被影响的范围。

本文采用组串式逆变器，为了减少逆变器后端的电缆接线、提高系统的可靠性和易维护性，设计选择上海新驰SHLX-AC8交流汇流箱。

2.2.2 并网柜的选择

并网柜是连接光伏电站和低压母线的配电装置，负责分离光伏系统和母线，使电能更安全地接入电网。对于低压并网的光伏发电系统，本设计还需增加光参考计量及一定的保护功能。光伏并网柜作为光伏发电系统的电流总出口，必不可少。

本设计选择爱斯凯最大功率500kW交流并网柜，尺寸800×2200×800mm。

2.2.3 蓄电池的选择

该设计要求配备合适容量的储能装置，即蓄电池，并能够向负载提供持续稳定的电力。容量可由下面计算公式得到：

式中最长无日照期间用电时数D=240h，储能电池放电效率修正系数F=1.05，平均负荷容量P0=0.13kW，储能电池的放电深度U=0.7，逆变器等交流回路的损耗率Ka=0.8。可得CC=60kWh，继而可计算出需要50块蓄电池（12V，100Ah）。

由于蓄电池和低压母线不能直接连接，本文中连接蓄电池的装置选择PCS储能逆变器，多用于储能，可进行双向逆变，是一种具有特殊功能并网逆变器。当电能充足时，通过PCS将电能存储于蓄电池；当电能不足时，将存储的电能通过PCS供应母线。

3 经济效益

3.1 屋顶光伏站的优势

目前国内光伏产业逐渐成熟完整，光伏发电系统的安装成本随光伏组件和逆变器价格的下降而下降。屋顶光伏发电能很好地顺应光伏产业发展大潮流，实现电能自产自销、自产自用，很大程度上节约用电成本，且获得投资收益。

3.2 光伏发电量的计算

3.2.1 发电量收益

本次设计在屋顶安装光伏容量350kWp，场地总面积约6125平方米，尺寸24.5m×250m，场址位于扬州市，本光伏电站为工厂自建。

系统发电量由下面公式计算得到：

考虑到光伏电站10年衰减10%，25年衰减20%，25年平均的年发电量约为38.6万kWh。

江苏省最新的光伏上网电价调整为0.75元/kWh，若电站每年的电量全部上网，每年平均可获收益约为29万元。

3.2.2 电站成本

主要电气设备数量及价格如表1所示。此外，通信和监控系统设备费用约为10万元；建筑工程方面有屋面处理、基础安装及接地工作、电缆敷设、并网接入、设备运输及仓储等需花费约45万元；其他屋面租用、勘察设计、建造管理等费用约20万元。另外，设备安装及场地建造的人工费用约30万元。

电站总成本约为285万元，若每年正常运作发电，约9年收回成本，后期即可获益。

4 结束语

本文对屋顶光伏发电的基础部件、电气设备进行选择，同时系统分析了光伏发电系统的社会经济收益。当然，建造光伏系统中的细节还有所欠缺，如何进一步提高太阳能电池的转换效率，怎样减少成本，让利益最大化等等，都是今后需要努力的地方。

参考文献：

[1]王聪，代蓓蓓，于佳玉，等.太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[J].硅酸盐学报，2017，45（11）：1555-1568.

[2]Jiang Y，Shen H，Pu T，et al. High efficiency multi-crystalline silicon solar cell with inverted pyramid nanostructure[J]. Solar Energy， 2017，142：91-96.

[3]P. Bellanger，M. Traoré，B.S. Sunil，A. Ulyashin，C. Leuvrey，C. Maurice，S. Roques，A. Slaoui. Polycrystalline silicon films obtained by crystallization of amorphous silicon on aluminium based substrates for photovoltaic applications[J].Thin Solid Films，2017，636（8）：150-157.

[4]肖文波，吳华明，傅建平，等.光强和温度对硅光伏电池输出特性的影响[J].华中科技大学学报（自然科学版），2017，45（01）：108-112.

[5]Ji Hoon Kim，Kook Joo Moon，Jong Man Kim，et al. Effects of various light-intensity and temperature environments on the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells[J]. Solar Energy，2015，113：251-257.

[6]GB 50797-2012.光伏发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[7]段培明，许美娜，柳杨雨，等.屋顶分布式光伏发电设计分析[J].科技与创新，2017（24）：108-109.