20 kW分布式光伏電站設(shè)計研究

李家坤

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212)

20 kW并網(wǎng)光伏發(fā)電項目位于武漢某高校教學(xué)樓階梯教室5層屋頂，頂層為現(xiàn)澆混凝土平屋頂，屋頂建筑面積600 m2，可安裝面積400 m2左右，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”并網(wǎng)接入模式，電站光伏陣列采用MBM255多晶硅光伏組件80塊，總裝機容量約為20.4 kW，年均發(fā)電量約20 400余度。

項目地點緯度30°39’，經(jīng)度114°16’，平均海拔高度24 m，屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，日照充足，年均氣溫15.8～17.5℃。日照總時數(shù)近2 000 h，年總輻射4 354～4 731 MJ/m2，屬于本省太陽能可利用地區(qū)，可以加以開發(fā)、利用，能帶來一定的經(jīng)濟及社會效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

并網(wǎng)型分布式光伏電站一般是指將太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合公共電網(wǎng)要求的交流電后,直接接入公共電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)型分布式光伏電站主要由太陽能電池組件、并網(wǎng)逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)三大部分組成。

1.1 光伏組件選型

目前國內(nèi)外使用最普遍的是單晶硅、多晶硅太陽能電池，而且國內(nèi)的光伏組件生產(chǎn)主要是以單晶硅、多晶硅太陽能電池為主，商業(yè)化的多晶硅電池片效率一般在12%～16%左右，單晶硅電池片電池效率在13%～18%左右。而非晶硅薄膜太陽能電池成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于其轉(zhuǎn)換效率在5%～9%左右，穩(wěn)定性不高使用壽命短(10～15年)，直接影響了它的實際應(yīng)用?？紤]到多晶硅組件太陽能電池價格比單晶硅組件低，因此本項目選用多晶硅太陽能電池[1]。

本項目選用武漢市某公司生產(chǎn)的晶體硅光伏組件是由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、白色TPT背板以及鋁合金邊框組成。具有使用壽命長，機械抗壓外力強等特點；能適應(yīng)惡劣、高載荷的工作環(huán)境，能承受強風(fēng)壓，雪壓和極端溫差變化；通過TUV、CE及金太陽等國際和國內(nèi)認(rèn)證，使用壽命不低于25年。

1.2 逆變器選型

光伏發(fā)電作為可再生能源發(fā)電的重要組成部分，具有波動性和間歇性等特點，接入電網(wǎng)易產(chǎn)生電網(wǎng)頻率變化、電壓波動和閃變，光伏電站的電能質(zhì)量問題一般包括諧波、直流分量、電壓波動和閃變以及三相不平衡等。實踐證明，小型光伏電站采用優(yōu)質(zhì)的并網(wǎng)逆變器可以有效解決上述電能質(zhì)量問題。

逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，本項目采用國內(nèi)知名品牌并網(wǎng)逆變器，相關(guān)性能如下：

1)性能可靠，效率高，具有最大功率點(MPPT)跟蹤功能；

2)直流輸入電壓具有較寬的適應(yīng)范圍；

3)具有過壓、過流、防孤島等多種保護(hù)功能；

4)波形畸變小，功率因數(shù)高；

5)具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能接口；

6)滿足國家電網(wǎng)的接入規(guī)定。

1.3 安裝角選擇

為了保證系統(tǒng)有足夠高的效率，電池板必須按一定的傾角安裝?？梢愿鶕?jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797-2012)附錄B，并結(jié)合安裝地緯度粗略確定固定太陽能電池方陣的傾角。并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角為30°39’-6°=24°39’，本次取20°。

1.4 光伏組件布置及支架安裝

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797-2012)第10.3.3條之規(guī)定：光伏組件安裝在建筑屋面、陽臺、墻面或建筑其他部位時，不應(yīng)影響該部位的建筑功能，并應(yīng)與建筑協(xié)調(diào)一致，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀。本系統(tǒng)采用MBM255多晶硅光伏組件，光伏支架采用標(biāo)準(zhǔn)平屋頂自重式光伏支架安裝方式，80塊多晶硅光伏組件分4行布置，每行由2×10塊組成。光伏組件具體參數(shù)見表1。

本項目光伏支架采用自重式光伏支架一體化的安裝工藝，不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)及防水層，不影響整體外觀，而且能保證光伏組件的發(fā)電穩(wěn)定性能。本項目采用的安裝方式如圖1所示。

表1 光伏組件具體參數(shù)

圖1 光伏組件安裝圖(單位：mm)

1.5 電纜選型

本項目采用航天電纜產(chǎn)品，所有產(chǎn)品通過國家相關(guān)強制認(rèn)證，根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)程》GB50217-2007有關(guān)規(guī)定，本工程電纜選型如下[2]：

1)光伏組件直流串并聯(lián)電纜采用太陽能光伏專用電纜；

2)低壓動力電纜采用國標(biāo)電力電纜；

3)配線線槽整體布置美觀，與整個建筑協(xié)調(diào)一致，布線盡量隱蔽，從底部不能明顯的看到線纜；各方陣的線纜通過專用連接器連接，并有足夠的強度，線纜連接附件有防水、抗老化；

4)系統(tǒng)配線符合電力配線安裝標(biāo)準(zhǔn)，所有線纜連接都有方便的入口，便于日常維護(hù)與更換。

1.6 防雷與接地

太陽能電池陣列經(jīng)逆變器逆變后，接入光伏陣列交流匯流箱，匯流箱內(nèi)含高壓防雷保護(hù)裝置，匯流后在接入交流防雷配電柜，經(jīng)過防雷裝置可以有效地避免雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞。為保證人身安全，所有電氣設(shè)備、光伏支架都裝設(shè)接地裝置，并將電氣設(shè)備外殼、光伏支架接地，可有效地避免雷擊。

1.7 并網(wǎng)接入方案

光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)的電壓等級與電網(wǎng)的裝機容量、周邊電網(wǎng)接入條件等因素有關(guān)，需要在接入系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。光伏電站向當(dāng)?shù)亟涣髫?fù)載提供電能和電網(wǎng)發(fā)送的電能質(zhì)量應(yīng)符合公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求[3]。

光伏組件安裝位置相對集中，采用就近逆變，再集中并網(wǎng)接入的方案，即在樓頂儲藏室安裝組串式逆變器1臺，然后通過交流配電箱集中在該樓一樓動力箱并網(wǎng)接入；本項目監(jiān)控方案根據(jù)客戶需求考慮。

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、交流匯流箱、計量表等組成。光伏組件通過光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電，經(jīng)過交流匯流箱、電表等設(shè)備，并入市電網(wǎng)絡(luò)，整個轉(zhuǎn)化過程安全、可靠。

結(jié)合本項目光伏發(fā)電實際情況及使用特點，決定選用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)接入模式，即光伏發(fā)電優(yōu)先供給內(nèi)部用電系統(tǒng)使用，多余電能輸送給國家電網(wǎng)，可以享受太陽能發(fā)電補貼。項目主要產(chǎn)品參數(shù)見表2。

表2 項目主要產(chǎn)品參數(shù)一覽表

2 效益分析

2.1 年平均發(fā)電量

光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量按式(1)計算[4]：

(1)

式中：HA為水平面太陽能總輻照量，kW·h/m2，峰值小時數(shù)；PAZ為組件安裝容量，kW·h；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1)，kW·h/m2；K為綜合效率系數(shù)。

根據(jù)本項目有關(guān)參數(shù)，由式(1)可以推算出，此項目年發(fā)電量約為20 400 kW·h。

2.2 經(jīng)濟效益分析

2.2.1 國家光伏補貼政策簡介

近幾年來，國家及地方大力支持及引導(dǎo)太陽能分布式光伏發(fā)電項目，力推分布式光伏發(fā)電在眾多領(lǐng)域的多種方式利用，呈現(xiàn)出良好發(fā)展態(tài)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)國家允許分布式光伏發(fā)電項目裝機容量申請人自選確定，量身定制分布式光伏系統(tǒng)。

2)按照國家發(fā)改委發(fā)改價格(2013)1638號文《國家發(fā)改委關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，國家針對太陽能分布式發(fā)電項目特點，完成裝機后，按發(fā)電量給予電價補貼，補貼標(biāo)準(zhǔn)0.42元/kW·h。

3)國家允許分布式光伏發(fā)電申請人自發(fā)電自用，節(jié)約相應(yīng)電費。

2.2.2 經(jīng)濟效益估算

本項目裝機容量約為20.4 kW，總投資25萬元，年均發(fā)電量約20 400 kW·h，為提高光伏發(fā)電收益，采用光伏發(fā)電“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式；該區(qū)市電價為0.573元/kW·h(按階梯電價最低檔估算)，光伏發(fā)電國家補貼為0.42元/kW·h(20年)，湖北省補貼為0.25元/kW·h(5年)，綜合計算年均可獲收入約19 000元，25年可獲收入約48.9萬元，扣除總投資，凈收益23.9萬元。如果后期地方出臺光伏補貼政策或市電價上漲，收益將更大，本項目收益預(yù)估見表3。

表3 本項目收益預(yù)估分析

該光伏電站建成近1.5年，運行正常，已累計發(fā)電3.35萬kW·h，略高于年均預(yù)估值。

2.3 節(jié)能減排效益分析

此項目采用太陽能發(fā)電后，不僅能為學(xué)生提供良好的實習(xí)實訓(xùn)場所，而且還能帶來可觀的經(jīng)濟及社會效益，其節(jié)能減排效益分析見表4所示。

表4 節(jié)能減排效益分析

注：電價暫按市電價0.573元/kW·h估算。

3 結(jié) 語

太陽能光伏發(fā)電是目前最具可持續(xù)發(fā)展的可再生能源利用技術(shù)，也是未來綠色能源發(fā)展的主要方向。本文對武漢地區(qū)某高校20 kW分布式光伏電站的設(shè)計以及經(jīng)濟效益、社會效益進(jìn)行了分析和研究，實踐表明，本項目不但為學(xué)校發(fā)電、電氣、新能源等專業(yè)提供良好的實習(xí)實訓(xùn)環(huán)境，還能帶來一定的經(jīng)濟、社會效益。