孔林婷 左燕 王锐 杨振英 常骥超
(1.青海黄河上游水电开发有限责任公司太阳能电池及组件研发实验室 青海省西宁市 810007)(2.青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司 青海省西宁市 810007)
随着全球电气化进程的加速推进,电力需求将持续上升。据国际可再生能源属(IRENA)预测,到2050年全球每年发电量将达5.5 万TWh,其中可再生能源占比达到86%;总装机量将达20000 GW,其中光伏装机量达到8510 GW,占比达42.3%。“碳中和”成为世界潮流,在全球能源战略转型的雄伟目标下,光伏将成为绝对的主力能源。2020年9月联合国大会举办期间,中国向世界宣布“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和”[1]。未来十年,非化石能源将首次成为增量能源需求的主力,其中光伏发电将占据重要地位。
分布式光伏以其独特优势适合在房屋建筑、公共设施、交通工具等多领域推广应用,是推动能源生产和消费革命的重要力量,在促进能源转型中发挥了积极作用。同时,各地区政府高度重视,鼓励开展多种形式的分布式光伏发电应用,加大补贴力度,推动政策更加完善[2]。未来分布式光伏发电技术广阔天地,大有可为。
本项目位于北京市,经度116°20′,纬度39°56′,周边无高大建筑物遮挡,视野开阔。屋顶面积70m2,以平面为主,均为混凝土屋面结构。拟在此设计建造一套10 kW 小型户用分布式光伏并网发电系统。
单晶硅电池组件、多晶硅电池组件、非晶硅电池组件光伏是光伏组件的主要类型。晶硅电池中转换效率最高的是单晶硅电池,并且可靠性高,但生产加工过程中能耗高。多晶硅电池与单晶硅电池相比生产工艺步骤少,因此生产过程时耗能少,但缺点是效率较低。目前非晶硅电池发展势头强劲,叠层电池结构提高了电池稳定性和转换效率,高透光薄膜的使用则大大提升了转换效率[3]。
本项目选用单晶硅N 型60 片IBC 组件,功率380 Wp,表面无栅线遮挡,入射光线吸收能力增强,提升组件输出功率;全背接触焊接,表面美观,可适用于多种应用场景;N 型基材电池,具有良好弱光响应、低温度系数、低衰减;底层致密膜与玻璃结合,顶层多孔结构、表面封闭,提升耐候性能及抗沾污性。此版型重量轻、外观尺寸更适合屋顶安装,功率高,在相同屋顶面积可获得更高安装容量,且衰减较低,后期发电量高。
逆变器以输出交流电相数为划分依据,可分为单相、三相、多相[4]。以功率大小为划分依据,可分为组串式、集中式、集散式。
分布式光伏发电项目通常占地面积小、容量小,可选择组串式逆变器。其采用模块化设计,每个光伏组串引入逆变器的一路输入端口,具有避免组件串间差异和阴影遮挡影响的优势,可使发电量得到有效提升。
项目地公共电网电压为380 V,结合前期系统容量计算,选择输出为380 V 的10 kW 三相组串式逆变器。
光伏组件串联形成光伏组串,逆变器最大输入电压、MPPT 电压最大值以及光伏组件开路电压、最大功率点电压限制了光伏组件串数量。而逆变器额定功率限制光伏组串并联数量[5]。
光伏组件串联数量应满足以下要求:
(1)光伏组串工作电压处在逆变器的MPPT 电压范围内,则:
所选逆变器MPPT 电压最大值980 V,光伏组件最大功率点电压35.1 V。代入式(1)得光伏组件串联数量小于27。
(2)光伏组串开路电压小于逆变器的最大输入电压,则:
所选逆变器最大输入电压1100 V,光伏组件开路电压41.7 V。代入式(2)得光伏组件串联数量小于26。为了减少线缆用量,降低损耗,同时考虑到光伏组件串联应便于支架设计及方阵排布,在满足上述条件的情况下应选取最大值,则光伏组件串联数量取26。
所选逆变器额定功率10 kW,光伏组件最大功率380 Wp,光伏组件串联数量26,代入式(3)得光伏组串并联数量取整数1[6]。
通过计算分析,本项目光伏方阵由26 块光伏组件,串联接入逆变器。
根据照附着物不同,分布式光伏主要分为钢筋混凝土屋顶分布式光伏、钢结构彩钢板分布式光伏、瓦屋顶分布式光伏、停车棚分布式光伏及BIPV 分布式光伏,需要根据不同附着物及位置来确定适合的光伏阵列安装形式及方位角、倾角等[7]。
混凝土屋顶通常按最佳倾角安装,彩钢板屋顶一般沿屋面平铺。按最佳倾角安装对太阳能辐照利用率最高,沿屋面平铺安装则装机容量较大,可根据项目特征优化安装方案。钢筋混凝土屋顶光伏阵列选择安装形式主要有固定式水泥基础和配重式水泥基础。固定式通过钢筋与屋顶梁连接,基础比较牢固,但需将原屋面防水保温层局部切割,露出结构层,将化学植筋与原屋顶结构层固定后制作钢筋笼和水泥基础,再将破坏的防水保温部分修复,施工周期长且造价高。配重式采用预支水泥块作为配重物,不破坏原屋面防水保温层,施工周期短且经济可行[8]。
由于项目位于北半球,设置光伏组件方向朝向正南,可获得最高发电量。则根据地理位置设置光伏组件方阵方位角为0°,即面对正南方向。
以PVsyst 软件提供的项目地太阳辐射数据为基础,结合当地纬度及光伏组件方阵方位角,进行专业软件模拟。如图1所示,倾角为37 °时斜面辐射与水平辐射的比值最大为1.17,相对于最优化的损失比为0.0%,光伏组件接受的全年辐照值最大[9]。
图1:项目所在地光伏组件最佳倾角及方位角
本项目为钢筋混凝土结构屋顶,采用配重水泥块的安装方式,根据地理位置设置方位角为0°,倾角为37°,实现发电量、可靠性、成本的均衡。
光伏发电系统异常时储能系统可作为备用供电,其储能容量的多少取决于负载的需求。根据不同的储能原理主要可分为电化学储能、机械储能和电磁储能[10]。电化学储能是各类储能技术中最有前途的储能方式之,具有可靠性好、模块化程度高等特点,常被用于对供电质量要求较高的负荷区域的配电网络中。其中磷酸铁锂电池因其电压输出高、工作温度范围宽、放电倍率高、可靠性以及经济性引人注目,发展前景广阔。
当太阳光照持续低于平均值时,蓄电池需保证负载仍可正常工。因此开展蓄电池容量设计时需考虑当没有外部电源供给时负载可保持正常运行状态的天数,即自给天数。通常将其设置为安装处最大连续阴雨天数,同时考虑负载对电源的需求强度。若对要求不严格,设计时一般设置3 ~5 天自给天数。
初步蓄电系统容量可由负载日平均用电量与自给天数相乘来确定。系统处于自给天数时,不可使蓄电系统将电量耗尽,则上式还需除以其最大放电深度。通常情况下,深循环及浅循环蓄电池放电深度分别为80%、50%[11]。则蓄电系统容量计算公式如下:
负载日平均用电量为40 kWh,所选逆变器效率为98%,额定输入电压为600 V,代入式(5),得负载日平均用电量68.03 Ah。
一般户用对电源要求不高,可根据天气情况灵活调整用电,设置自给天数3 天,且使用深循环电池,放电深度为80%代入式(4),得蓄电系统容量255.11 Ah。
拟选用600V/100 Ah 单体蓄电池,代入式(6),得蓄电池串联个数为1。
代入式(7),得蓄电池并联个数为2.55,取整数3。
所以该系统需要使用600V/100 Ah 的蓄电池3 个并联,形成储能系统。
当采用单点并网方式时,应考虑安全、经济、便捷等因素,兼顾装机容量、设备及线路可接纳能力、配电网情况等条件[12]。其中,装机容量可作为分布式电源并网电压等级的主要确定依据。小于等于8 kW 的系统可接入220 V 电压,380 V 电压适合8 ~400 kW 系统,10 kV 电压适合400 kW ~6 MW 系统。单个并网点单相接入适用于装机容量在8 kW 及以下场合,三相接入则适用于装机容量不大于400 kW[13]。
依据“就近分散接入、就地平衡消纳”准则,参考电网及分布式电源规划,进行光伏电站接入系统方案设计[14]。采用XGF380-Z-1 方案三相接入的方式将分布式光伏系统接入线路,与380 V 用户配电箱连接[15]。如图2所示为一次系统接线图。
图2:一次系统接线图
按照“就近并网、本地消耗”原则,进行10kW 小型户用分布式并网光伏发电系统设计。通过详细对比分析备选方案,综合考虑后确定采用固定方式安装26 块380Wp 光伏组件(26 块组件串联,方阵最佳倾角37°,方位角0°)、1 台10kW 组串逆变器、1 台交流配电箱、1 台并离网控制器、1 套磷酸锂铁储能系统组成户用分布式并网光伏系统。光伏阵列接入逆变器,逆变器与储能系统和并离网控制器连接,控制器接入交流配电箱后接入电网。光伏阵列直流输出经逆变器转换成交流电,再经交流配电箱接入三相低压交流电网。系统通过并离网控制器确保逆变器及时准确地完成并网离网状态转换。当电网停电时,切换到离网状态,通过备电模式给离网负载供电;当电网恢复时,逆变器切回到并网工作。磷酸锂铁储能电池适用于户用家庭屋顶电站并网或离网状态,可以根据业务场景需求进行电能的存储和释放。通过XGF380-Z-1 方案,采用三相接入的方式将系统接入线路。有效实现所发电量自发自用,余电上网。