小型分布式光伏项目勘查和设计要素分析

宋 宏 佺

(中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司, 广东 广州 510663)

0 引 言

2017年10月31日国家发改委和国家能源局联合发布了《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》(发改能源[2017]1901号)[1]:为加快推进分布式能源发展,遵循《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发[2015]9号)和电力体制改革配套文件,决定组织分布式发电市场化交易试点,并对分布式发电给出新的表述,是指接入配电网运行、发电量就近消纳的中小型发电设施。

自2015年3月15日《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发[2015]9号)文》发布以来,国家相关部委陆续发布各类加快推进分布式能源发展的政策文件,在政策利好频出的支撑下,分布式发电迎来新一轮发展契机,分布式光伏作为分布式发电的中流砥柱得到快速发展。

本文对小型分布式光伏项目勘查和设计的基本方法进行分析,包括现场勘查的主要内容和注意事项、太阳能资源查询和应用、光伏发电的总体设计三大部分。

1 分布式光伏项目勘查

目前,应用最广泛的分布式光伏发电系统是建在建筑物屋顶的光伏发电项目,其勘查要素主要包括项目基础信息、建筑结构信息、电气信息3大部分。

1.1 基础信息

现场勘查人员首先要了解和收集拟建设的分布式光伏项目的基础信息,并详细记录,作为项目可行性研究和工程设计的输入条件是不可缺少的,基础信息的收集主要包括如下内容:建设方的基本信息,拟选建筑物的所有权信息,计划建设时间及并网时间,坐标暨经纬度信息,所在地环境信息,拟选建筑物的结构、建筑等图纸资料,项目并网后的产权归属等。

1.2 建筑结构信息

对于建在建筑物屋顶的光伏发电项目,拟选建筑物的结构信息是判断分布式光伏项目是否具备建设条件的必须信息,现场勘查收资人员应获取准确的资料。建筑结构信息的收集主要包括如下内容:

(1) 拟选建筑物的建筑类型、高度、屋面类型、抗震等级等。

(2) 现场应对建筑物屋面的承载力做出初步判断,参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中可上人屋面均布活荷载标准值2.0 kN/m2为初始判断值,后续设计再进行严格的计算。

(3) 记录项目建设地周边道路情况以及二次搬运路径。

(4)不同角度拍摄拟安装光伏组件以及相关设备的部位/屋面的照片。

(5) 核实建筑物结构、屋面整体情况是否与所收集到的图纸相符(如尺寸、障碍物、通道、朝向、受力等),如无图纸,则需现场勘查并详细记录上述信息。

(6) 对于混凝土屋面,核实拟选屋面是否允许上人、屋面平整度(凹陷、凸起、障碍物等情况)、屋面混凝土的厚度、防水层的厚度等信息。

(7) 对于斜瓦屋面,核实屋顶的支撑结构及相关尺寸信息、屋面平整度、结构梁柱规格形状等详细信息,并应从不同角度方位拍摄和记录屋顶面及屋内面情况。

(8) 对于彩钢瓦屋面,应记录彩钢瓦类型及外形尺寸,查看屋面平整度,核实屋顶结构梁柱的材质、截面、间距等信息,并应从不同角度方位拍摄和记录屋顶面及屋内面情况。

1.3 电气信息

在现场勘查收资阶段,为了判断是否具备接入电网条件,需要对项目所在地的并网条件情况进行详细的了解和搜集信息,以确保分布式光伏项目建成后的顺利并网,电气信息的收集主要包括如下内容:

(1) 现场勘查人员应根据屋面可利用的有效面积结合拟选光伏组件信息、安装倾角、安装方位角初步判断屋面可安装的光伏组件总容量。

(2) 根据初步判断的可安装容量结合所在地区电网公司对分布式光伏不同装机容量对应的并网电压等级初步选择或者明确分布式光伏项目的并网电压等级。

(3) 核实拟选并网点的基本信息,包括并网点位置、电压等级、上一级变压器容量等。

(4) 核实屋面是否已有接地防雷措施,是否有可靠接地点。

(5) 根据现场情况,初步选择逆变器、配电箱(柜)的安装位置,并绘制草图进行记录。

(6) 根据现场情况,初步选择线缆的走线路径,绘制出交、直流电缆的走线路径草图,并拍摄照片记录对应路径沿线情况。

(7) 对于拟建成为自发自用余电上网模式的分布式光伏项目,还应收集用电用户近一年以上的用电量清单。

在实际项目的现场勘查过程中,所勘查和搜集的信息应至少包括以上内容,并可根据实际情况收集到更多相关和有用的信息。同时,除了收集相应的必要的图纸、纸质或电子资料之外,建议尽可能拍摄多维度照片或者录制视频,以便于后续设计、审核人员以及项目相关各方更全面地了解现场情况[6]。

2 太阳能资源查询和应用

光伏发电是利用光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术,太阳能资源的丰富与否对分布式光伏发电项目的发电量和收益有直接的影响,因此太阳能资源的查询和应用在光伏发电项目前期显得极为重要。太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰度一般以全年总辐射量(单位为MJ/m2或kWh/m2)和年平均辐照度表示。

我国太阳能总辐射资源丰富,总体呈“高原大于平原、西部大于东部”的分布特点,西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大[2-3],尤其是青藏高原地区最大,该地区平均海拔高度在4 000 m以上,大气层薄而清洁,透明度好,纬度低,日照时间长,年总辐射量超过1 800 kWh/m2,部分地区甚至超过2 000 kWh/m2。四川和贵州太阳年辐射总量最小,其中四川盆地晴天较少,存在低于1 000 kWh/m2的区域[2]。

全国太阳辐射总量等级和区域分布如表1所示。

表1 全国太阳辐射总量等级和区域分布

2.1 项目地经纬度查询

查询某地的太阳能资源数据,首先要获取该地点的经纬度数据;然后在太阳能资源数据查询过程中进入NASA官网或者Mteonorm软件,输入项目所在地的经纬度,即可查询到相应的太阳能辐射数据,以及项目所需的其他气象数据,如风速、温度等[2-8]。

项目地经纬度的查询直接通过google地图等各类地图即可得到。一种经纬度查询方法供参考:打开网址链接(http:∥www.gpsspg.com/maps.htm);输入要查询的地点(如广州),便可以得到相应的经纬度数据。广州市经纬度数据如图1所示。

2.2 太阳能辐射量查询

太阳能资源辐射数据的查询渠道一般有如下方法[2-3]:美国国家航空航天局(NASA)官网;瑞士Mteonorm研究所的Mteonorm软件;项目所在地已有地面气象观测站数据。

相比较于通过地面气象观测站获取数据,通过Mteonorm数据库和NASA数据库进行查询更便捷,成本也更低,因此国内大部分光伏发电项目在项目实际执行过程中,一般通过Mteonorm数据库和NASA数据库进行查询获取太阳能资源辐射数据,作为光伏发电项目理论发电量测算的参照输入数据。

图1 广州市经纬度数据

NASA数据库和Mteonorm数据库的太阳能资源的数据来源和获取手段不相同,因此通过这两个数据库查询得到的同一经纬度地点的太阳能资源数据并不完全一致。NASA数据库获取手段主要是通过气象卫星得到大气层顶的辐射数据后,再通过一些列的复杂建模和运算得到地面辐射数据;Mteonorm数据库的数据来源主要来自于全球各地的地面气象观测站的辐射数据。通过实际查询比对,对于大部分情况下同一地点的辐射量数据,NASA数据均比Mteonorm数据要高一些。Mteonorm数据库来源主要来自于地面气象观测站,更接近于实际情况一些。

2.3 NASA数据查询

NASA数据查询属于免费查询,直接通过NASA官方网站即可进行查询。打开网站网址链接(https:∥eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/retscreen.cgi),NASA查询界面如图2所示。在查询框中输入所需查询地点的经纬度。广州市太阳能资源数据如图3所示。

图2 NASA查询界面

图3 广州市太阳能资源数据

2.4 Mteonorm数据查询

Mteonorm数据查询需要通过其商业Mteonorm软件进行查询,属于收费性质查询,查询方法在安装软件后同样通过输入项目所在地的经纬度进行查询。

3 光伏发电的总体设计

分布式光伏发电项目的设计工作主要包括总体布置设计、电气配置设计和建筑结构设计3大部分。其中总体布置设计是整个项目设计工作的关键,主要包括光伏组件的安装倾角和方位角设计、光伏阵列前后间距设计、光伏组件串并联设计等内容[6-7]。

对于斜屋面的光伏组件安装和排布方式,目前大部分分布式光伏项目一般都是采用平铺安装和排布方式,光伏组件的安装倾角和方位角是斜屋面本身的倾角和方位角,光伏组件之间的间距以满足检修需要进行设计配置即可。

本文主要以平屋面为例介绍分布式光伏项目的总体布置设计。

3.1 组件安装方位角和倾角设计

屋面分布式光伏发电系统的光伏组件的安装,一般采用固定式光伏组件安装方式,为使光伏组件最有效地接受太阳能辐射能量,确定光伏组件安装的方位角和倾角非常重要。

方位角一般是指东西南北方向的角度。对于太阳能光伏系统来说,方位角以正南为0°,由南向东向北为负角度,由南向西向北为正角度。方位角决定阳光的入射方向,一般情况下,光伏阵列朝向正南即方位角为0°时,太阳能电池发电量最大,故确定光伏组件的方位角为0°。我国地处北半球,因此大部分的建筑朝向一般为南向或接近南向[7]。

安装倾角一般指光伏组件受光面和地面水平线之间的夹角。确定光伏组件倾斜角的目的是使组件受光面上全年接收的太阳辐照量理论上达到最大,同时考虑光伏组件降雨自清洁和积雪自清除效果,以及与建筑结合情况等。在与建筑良好结合和考虑组件自清洁情况下,光伏组件倾斜角的选择则依据不同倾斜角下组件的受光面上受到的全年总辐射量中的最大值进行选择配置设计。

对于正南(方位角为0°)朝向光伏组件,其倾斜角从水平(倾斜角为0°)开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时,其受到的日射量不断增加到最大值,然后再增加倾斜角其日射量不断减少。当光伏组件受光面与太阳光线成垂直角度即90°时,其受光面可接收到的太阳辐射量最大。以太阳直射点在赤道(0°)即太阳直射赤道其太阳光入射角度为90°作为参照,运用角度互补理论,在固定式安装方式的前提下可以得出“组件最佳倾角”等于“所在地的纬度角”。因此,建议安装倾角优先选项目所在地的纬度角。

在假定向南倾斜纬度角安装的发电量为100%前提条件下,不同朝向与发电量关系如图4所示。

图4 不同朝向与发电量关系

3.2 组件串并联设计

在进行光伏阵列串并联数计算前,需要根据项目实际情况选定所采用的光伏组件和逆变器,再根据所选的光伏组件参数和逆变器参数进行计算,方可确定光伏阵列的串并联数[9-10]。

因此,光伏组件的串联数N由以下公式计[4]算得到:

光伏组件的串联数N最终取值须同时满足上列两个公式计算出来的数值范围。一般情况下,串联数N的取值可以按照逆变器的额定工作电压值除以光伏组件工作电压值后的所得结果并取整数值,且满足上述两个公式计算的N取值范围。

单个逆变器MPPT回路允许接入光伏组件组串的并联数计算,需用到光伏组件参数的开路电流值和工作电流值,以及逆变器MPPT回路允许的最大直流输入电流值,具体计算见文献[6]。

如在光伏组件阵列中有不同朝向方位角的组件阵列,则串并联接入同一逆变器MPPT回路的组件,宜均为同一方位角朝向。

3.3 阵列前后间距设计

光伏阵列排布布置前后间距应能保证每天9∶00～15∶00(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡。即冬至日当天9∶00～15∶00时段内前、后、左、右互不遮挡。固定式布置的安装方式前提下,光伏组件在冬至日当天太阳时段9∶00～15∶00不被遮挡的阵列间距示意如图5所示[4]。

图5 不被遮挡的阵列间距示意

图5中,阵列间距D值可以由以下公式计算[4]:

(3)

式中:L——阵列倾斜面长度;

D——两排阵列之间距离;

β——阵列倾角;

φ——当地纬度。

在光伏阵列的周边,主要是东、西、南三个方向如有障碍物,则离障碍物最近的阵列组件的距离也应满足在冬至日当天太阳时9∶00～15∶00不被遮挡。

3.4 总体布置设计案例

运用上述3大部分设计方案进行实际项目的配置设计。广州某建筑物屋面建设分布式光伏发电项目,建筑物为正南朝向,长为32.8 m,宽为72.4 m,女儿墙高度为1.5 m。楼梯间在屋面的东南角,宽为8.2 m,长为12.7 m,高为3 m。在楼面的西南角有一个蓄水池,长为3.8 m,宽为3.5 m,高为2.3 m。建筑物屋面建筑平面图如图6所示。

图6 建筑物屋面建筑平面图

拟选用光伏组件的技术数据如表2所示。拟选用逆变器的技术数据如表3所示。

(1) 安装方位角和倾斜角选择配置。该建筑物为正南朝向,故光伏组件的安装方位选择为正南朝向,方位角为0°。经NASA查询,项目所在地广州市的经纬度。依据“组件最佳倾角”宜等于“所在地的纬度角”的论述,光伏组件安装倾斜角宜选为23°。

(2) 组件串并联数设计配置。在实际项目配置设计过程中,光伏组件的串联数一般按照式(2),结合光伏组件和逆变器的技术数据,以及年均平均温度值计算出来逆变器MPPT电压范围内的串联数值。然后取电压值接近逆变器额定直流输入电压值所对应的串联数。再结合式(1)以及工作环境极限低温值进行验算,不超出逆变器允许输入最大电压值[11-16]。

经查询,项目所在地广州市1981—2017年的年均极限低温为3.4 ℃,年均极限高温为37.1 ℃,年均温度为22.3 ℃,通过式(2)计算得出在逆变器MPPT电压范围内,串联数N范围:15≤N≤25。且在年平均温度下,当N取值22时,组串输出电压值714.3 V与逆变器的额定工作电压值720 V最为接近。再通过式(1)核验,当N取值22时,工作环境极限低温值3.4 ℃下,组串输出开路电压值为926 V,低于逆变器最大允许输出电压值1 100 V。因此,配置光伏组件组串数N取值22。

表2 拟选用光伏组件的技术数据

表3 拟选用逆变器的技术数据

再按照文献[6],并结合光伏组件和逆变器的技术数据,计算光伏组串并联数。经计算,得到并联数<3.52,取整,为3、2、1。

因此,可根据项目实际可取值,每个逆变器MPPT回路并联接入3串光伏组串。

(3) 阵列前后间距设计配置。在项目实际配置设计过程中,光伏组件的排布方式有多种。一般,在场地面积满足敷设排布的情况下,宜将同一组串光伏组件组成最小阵列单元,采用单排或双排模式。

该项目中组串数N取值22,可采用1×22或者2×11两种最小阵列单元排布方式。本文采用2×11最小阵列单元进行阵列前后间距配置计算。按照式(3),结合阵列倾斜面长度3 300 mm(1 650×2 mm)、安装倾角23°、项目地纬度23°,计算得到两排阵列之间距离D=4 856 mm。前后阵列间距排布示意图如图7所示。

图7 前后阵列间距排布示意图

该项目中建筑物的女儿墙高度为1.5 m,东南角的楼梯间高度为3 m,西南角的蓄水池高度为2.3 m。还需计算这3个障碍物的阴影长度,以确定光伏组件的排布离障碍物的最小距离。图6中,障碍物的高度值即是H值,同样方法运用式(3)可计算得到障碍物的阴影长度,即光伏组件距离障碍物的最小距离。通过计算得到,女儿墙、楼梯间、蓄水池在9∶00时阴影南北长度分别为1.68 m、2.80 m、3.78 m,阴影东西长度分别为1.76 m、2.94 m、3.97 m。因此,在光伏组件排布时南面距上述障碍物最近的光伏组件前端与障碍物之间的距离应不小于1.68 m、2.80 m、3.78 m,东西面距上述障碍物最近的光伏组件前端与障碍物之间的距离应不小于1.76 m、2.94 m、3.97 m。对于光伏组件北面距离障碍物的距离,由于北面在光伏组件的后方,而光伏组件朝南,故该距离满足项目建成后组件运维空间需求距离即可,一般在0.6～1.5 m之间取值。

(4) 光伏组件排布设计。通过上列方位角和安装倾角、阵列间距、障碍物阴影距离、光伏组件串并联数的计算和配置设计,最终对光伏组件进行总平面排布设计。光伏组件排布如图8所示。

图8 光伏组件排布

4 结 语

本文对小型分布式光伏项目勘查和设计的基本方法进行分析,包括现场勘查的主要内容和注意事项、太阳能资源查询和应用、光伏发电的总体设计。列出现场勘查收资的内容项目以及所需注意事项,给出太阳能资源数据查询方法,对分布式光伏发电项目的安装方位角、倾斜角的选择配置提出建议,给出光伏组件的串并联数和阵列间距计算公式。结合具体案例,介绍光伏发电的总体设计配置和计算过程。所述内容和方法仅是对于分布式光伏项目的现场勘查和设计的基本方法的探讨,从事开发、设计、建设相关人员宜根据不同项目的实际情况进行项目的勘查、设计和建设。