300kWp太阳能屋顶并网光伏电站的建造和分析

300kWp 太阳能屋顶 并网光伏电站的建造和分析 浙江省电力公司 池勇 上海卡诺节能环境工程有限公司 王小阵 浙江省电力试验研究院 童杭伟 摘 要 文章就浙江省电力公司建造的 300kWp 并网光伏电站的方案设计 、 发电系统的组成和监测 保护 、建设施工 、建设成本 、经济效益和社会效益等方面进行了全面的阐述和分析 。 关键字 太阳能 300kWp；屋顶并网光伏电站 ；施工工艺 ；效益分析 Construction and Analysis of 300kWp Solar Roofs On-grid PV Power Station Chi yong , Wang xiao zhen , Tong hang wei Abstract the article introduces and analyses conceptual design, generation system composition, surveillance protection system, project construction, construction cost, economic returns and social returns of 300kWp solar roofs on-grid PV power station built by power company in zhejiang province. Keywords solar power, 300kWp, roofs on-grid PV power station, construction technology process, economic analysis 0 引言 随着煤炭和石油等化石能源的大量消耗，不可 再生能源正面临资源枯竭和环境恶化的双重压力， 全世界能源结构将在本世纪发生根本改变，而以太 阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖 以生存的地球生态环境的清洁能源，利用太阳能发 电将成为未来分布式发电的重要组成部分 。浙江省 属于日照量四类地区，全年日照时数为 1400h 2200h，年太阳辐射能为 1280kWh／m 2 。因此，在浙 江推广应用太阳能光伏并网发电具有极大的发展 前景 。 大 、中型太阳能屋顶并网光伏发电系统建设在 城市高层建筑的原有框架式高层建筑上，国内目前 尚无先例，国家电网浙江省电力公司峰值功率为 300kW屋顶太阳能并网光伏电站正是在这样的背 景下建造的，为今后屋顶太阳能光伏发电的推广应 用提供了建设 、运行经验以及技术管理规范 。 1 工程简介 电站安装于浙江省电力生产调度大楼楼顶 。该 大楼是已启用建筑，为框架式高层建筑，位于杭州 市西溪路黄龙路交叉点的东南侧 。主楼南北长 138m，东西宽 50m，呈长方形，楼顶主屋面（幕墙建 筑除外）标高 65.1m，南墙法线方向为南偏东 4。周 围没有任何可能造成阴影的高大建筑，安装屋顶太 阳能光伏发电系统的条件比较合适，大楼屋顶光伏 38 上海节能 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 2009 年第 9 期 S hanghai Energy Conservation 上 海 节 能 节 能 工 程 电 站外观见图 1。 本光伏发电系统采用集中式逆变结构，光伏组 件发出的直流电经逆变器转换成交流后再经升压 变并入 10kV高压电网运行 。系统由光伏组件方阵 、 直流汇流箱 、直流组合柜 、逆变器 、交流组合柜 、光 伏发电系统专用配电柜 、400V/10kV升压变装置 、 数据采集监测系统 、远程显示装置等部分组成 。系 统设计年发电量为 20 年 平 均 每 年 不 少 于 290400kWh（杭州），同时对系统运行期间太阳能 电池方阵日射量 、电压 、电流，逆变器电压 、电流 、发 电量 、运行状态 、异常报警等各项参数显示 、计量 、 统计，通过 RS-485接口在远程监控装置上显示 、分 析 、处理和存储 。 2 太阳能光伏系统 2.1 系统原理图 本系统安装完成后，无需专人值守 、故障率低 、 维护简便 。图 2为本系统连接原理图 。 2.2 系统设计 本系统采用了两家 厂家生产的不同类型的 光伏组件，组件的各项性 能参数见表 1。 1）钢结构平台设计 在不损害原建筑物 主体的原则下，光伏系统 钢结构设计以原大楼立 柱为承重受力点，在大楼屋顶顶部空间构建钢结构 平台，平台上搭建三角钢支架，支架上固定有铝合 金导轨，太阳能电池板铺装在铝合金导轨上，建成 后的太阳能电站其强度和刚度具有能够抗 12级台 风的能力 。 2 防雷及接地系统设计 由于光伏发电系统安装在高楼屋顶上，易受雷 电击，屋顶上钢结构以及太阳能光伏组件 、汇流柜 等均直接与原来屋顶上 28个避雷点连接 。为了最 大限度安全考虑，并设计了独立光伏发电接地系 统，为尽量减小接地电阻，选用 50mm5mm铜排， 并用瓷绝缘子固定 。汇流箱内检测盒的接地 、逆变 器 、组合柜以及屋顶配电室 、低压柜等的接地均接 在光伏发电接地系统上 。接地电缆分别由三处从大 楼顶层引入地下接地点，屋顶配电室处有 2根 120mm 2 接地线引至地下配电室的接地网上，其它 二处各用 3根 120mm 2 接地线分别引至大楼的专用 接地点上 。 由于部分太阳能方阵位于大楼最高点，因此安 装了 2根 7米高避雷针，设计上充分利用原大楼屋 面防雷装置，把所有屋顶电池组件的钢结构与屋顶 建筑的防雷网相连，以达到防直击雷的目的 。屋顶 并网光伏发电系统在组件与逆变器之间加装防雷 厂家 功率 工作 电流 短路 电流 工作 电压 开路 电压 尺寸 无锡 尚德 270W 7.43A 8.04A 35V 44.3V 195699250 宁波 太阳能 175W 4.96A 5.48A 35.2V 44V 158080846 表 1 所用太阳能组件技术参数 39 上海节能 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 2009 年第 9 期 S hanghai Energy Conservation 上 海 节 能节 能 工 程 接 线箱，不仅对屋顶太阳能电池组件起到防雷保护 作用，还为系统的检测 、维修提供了方便；在并网接 入控制柜内安装避雷元件，防护从低压配电线侵入 的雷电波及浪涌 。 3） 保护配置 低压进线断路器配置短路瞬时 、短路短延时 、 过载长延时 、进线侧欠压保护等功能，低压出线断 路器配置短路瞬时 、短路短延时 、过载长延时 、母线 欠压保护等功能 。 高压侧断路器上配置南瑞继保电气公司的 RCS-9611A系列微机综合保护和 RCS-9658C故 障解列装置，其功能包含相间过流保护 、接地故障 保护 、过负荷保护 、低压解列保护 、低周解列保护 、 功率方向保护等保护功能及相电压 、相电流，线电 压 、序电流 、序电压 、频率 、有功功率 、无功功率 、视 在功率等测量功能并具有数据通讯功能 。 升压系统中的综合保护 、框架断路器和变压器 温控设备均配备有后台监控系统所需的通讯端口， 支持 MOOBUS 、RS485 的通讯规约，如有需要还 能再向上一级传送数据 。 计量方式采用高压计量，表计配置为多功能双 向计量表 。 2.3 系统特点 系统建造完成后为光伏并网系统的试验研究 提供了一个全面 、完善 、可扩展的试验研发平台 。该 平台具有下列综合功能光伏组件的气象环境参数 检测 、光伏组件串直流电压电流参数检测 、逆变器 特性与接入电网参数检测 、室内逆变器恒温工作环 境检测 、并具有可替换接入国内外不同制造商提供 的各类规格和形式的光伏组件 、逆变器接口等的能 力 。此外还固定安装了故障录波仪 、电能质量分析 仪等监测设备，具有主变录波 、直流录波 、非电量录 波等黑匣子录波功能；并且具有电能质量监测 、扰 动分析 、负荷研究 、谐波和闪变分析等功能 。该试验 平台具有强大的独立数据采集功能和软件支持，可 对不同制造商提供的光伏组件和逆变器在不同使 用环境下，测试其不同负载下的输出特性 。整个试 验系统具备实时监测 、波形分析 、故障分析等功能， 并建立了光伏系统实时运行数据库，结果可通过通 讯输出 、打印及全程无线监测 。 2.4 独特施工工艺 1） 吊装 以立柱为承重受力点安装太阳能板支架，具体实 施方法是在大楼屋顶顶部空间构建钢结构平台，在平 台上搭建三角钢支架结构，光伏组件通过固定在三角 钢支架上的铝合金导轨进行铺装 。受屋顶特殊环境制 约，在地面常规的吊装工作必须考虑到屋顶承重能力 的因素，而且设备材料在吊装到架空层屋顶后，对于 重型设备 、材料（如钢梁），涉及到如何进行搬运的问 题 。在本项目中，采用了 150t移动式吊机在屋顶大面 积 、大吨位吊装技术；应用了 “分散承载平移法 ”在高 层建筑框架结构架空层构件的安装技术；使用了高压 铁塔螺栓连接制作法在光伏三角钢支架与主钢梁的 连接技术，减少了大量现场烧焊作业时间，同时又增 加了电站的美观性，这些技术在已启用高层建筑大型 光伏发电系统的安装建设中属于首创 。 2） 屋顶防水处理 由于光伏组件铺设在高层建筑屋顶，因此屋顶 的防水处理成为施工中一项贯穿始终的重要内容 。 通过在屋面铺贴防水卷材 、浇钢筋混凝土 、批腻子； 对有立柱或钢柱的洞口浇抗渗混凝土 、批结构胶 泥 、浇抗渗细混凝土，对有立柱或钢柱的铝板浇抗 渗混凝土 、批结构胶泥 、打耐候结构胶等方法进行 防水施工；并对玻璃幕墙 、女儿墙和梁上排水沟进 行专门防水处理 。 3 工程建造经济分析 3.1 太阳能光伏发电系统的建造成本构成 本系统投资成本构成主要包括三个方面，一是 太阳能电站的建设成本，二是太阳能电站的经常性 运营成本，三是设备的偶生成本 。 建设成本即初期投资成本，具体有发电设备的 购置费用 、基础建设费用 、设计调试费用等 。 经常性运营成本即电站的维护成本，具体有部 40 上海节能 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 2009 年第 9 期 S hanghai Energy Conservation 上 海 节 能 节 能 工 程 件 的更换费用 、电站运行维护费用等 。 偶生成本主要指逆变器的更换成本 。 3.2 光伏系统经济效益分析 本文采用动态平直供电成本作为评价该系统 的经济性指标，分析方法是将发电系统在整个寿命 周期内发生的各项费用全部折现 , 再分摊至系统 运行期间内的每一年 , 然后除以系统的年发电量 , 得到该系统的动态平直供电成本 。本系统使用的组 件寿命为 20年 , 因此采用 20年作为经济分析的周 期 。 动态平直供电成本 总成本折现值 /（年平均发 电量 经济分析周期） 25660000/（ 30000020） 4.27元 /kWh 目前杭州市平均民用电价格为 0.66元 /kWh， 在不考虑环境减排效益的情况下，该光伏电站的发 电成本跟目前的平均民用电价还有一定的距离 。考 虑到目前的投资中有一部分是因满足试验要求而 投资的，如果考虑电站是纯发电运作，则去除试验 系统投资后电站动态平直供电成本约为 3.78元 / kWh。如果按照 2009年财政部等部门联合发布的 补贴政策，（原则上定为 20元 /W，具体标准要根据 光电与建筑结合程度 、光电产品技术先进程度等因 素分类确定），这样的话，动态平直供电成本将会降 到 2.11～2.53元 /kWh。随着光伏产业的发展，光伏 组件和逆变器的价格会下降，如下降一半，那么动 态平直供电成本将会降到 1.47～1.78元 /kWh。 3.3 光伏系统社会效益分析 在有条件地区推广使用屋顶太阳能发电系统 , 可以产生明显的社会效益 。 1 促进能源多样化 目前可再生能源在总的能源中所占的比例很 低，在 1990 ～2000 的 10年内 , 可再生能源已经是 能源中增长最快的部分 见图 3 , 其增长速度远远 大于传统能源的增长 , 而预计将来在可再生能源 中增长最快的就是太阳能 见图 4 。太阳能光伏的 广泛和大规模的应用将是解决人类将来面临的能 源问题的重要方式之一 。 2） 社会效益 近年来，由于屋顶太阳能光伏并网发电具有绿 色环保 、不需占用宝贵的土地资源 、缓解输电网压 力且比太阳能独立光伏发电成本降低 30左右等 独特的优点，因此国际社会对此十分重视，许多国 家相续制定了本国的屋顶光伏计划 。如美国和欧盟 都制定了百万屋顶光伏计划，即到 2010年美国和 欧盟都将有百万屋顶装有光伏组件并网发电 。日本 通产省也宣布到 2010年光伏发电装机容量达到 5GW，主要用于屋顶光伏并网系统 。 浙江电网 300kWp太阳能屋顶并网光伏电站建 成后，成为目前浙江省总容量第一的并网光伏电站， 将填补浙江省在大型屋顶并网光伏电站设计和建设 上的空白 。300kWp并网光伏电站的建造使得浙江省 电力生产调度大楼屋顶除了具有观赏功能外，还将成 为浙江省高科技普及教育的活教材，对杭州市民的环 保意识 、节能意识起到促进作用 。 3 环保效益 浙江电网 300kWp太阳能屋顶并网光伏电站 41 上海节能 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION 2009 年第 9 期 S hanghai Energy Conservation 上 海 节 能节 能 工 程 7 小结 照明是一门涉及电工学 、光学 、环境学 、生理 学 、艺术 、美学等多学科的综合性科学 。光源和灯具 的选择不仅要考虑光效的高低，还要对显色性 、色 温 、配件损耗 、功率因数 、浪涌电流 、谐波含量以及 工作场所照明的具体要求（如眩光）等多种因素进 行综合考虑 。 总之，照明节能，大有可为 。 崇明县部署节能降耗工作抓好四个方面 的年发电能力约为 30万 kWh，相当于每年可节省标 准煤约 115余 t，减排粉尘约 1.44t，减排灰渣约 30.3t，减排二氧化碳约 180余 t，减排二氧化硫约 2.3t，是真正的无污染的绿色能源 。 4 结语 太阳能屋顶并网光伏示范电站的建设是一项 具有开拓性的工作 。对于电力公司各部门加快制定 光伏电站并网技术要求 、申请并网的程序和条件 、 光伏电站管理及保证电网安全可靠运行等方面规 范 。规定的制订将作出重要贡献 。 太阳能高层屋顶并网光伏电站的建造一次性 投入成本较大，其高额成本主要是光电转换系统的 安装建设成本较高 。但随着近年来太阳能电池生产 量急剧上升和价格迅速下降，世界各国可再生能源 政策的推动，相信将极大地促进太阳能光伏并网发 电系统的应用 。 参考文献 [1] 张希良 ,陈荣 .中国农村地区分散型可再生 能源发电系统发展的政策研究 -在中国西部地区 推广 “三小电 “技术的成本比较与外部效益评价 [R] 清华大学 . 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