102kW典型商业分布式屋顶光伏系统案例_杨晓光

40特 别 关 注The Special Focus光 伏 建 筑 跨 界 融 合0、引言光伏已不是新名词。在政策支持加强、国内市场不断启动的情况下，我国光伏行业逐步走出低谷， 2015 年加速回暖，光伏新增装机量将达到 16.5GW ，继续位居全球首位，太阳能光伏累计发电 383 亿千瓦时，同比增长 64.4% ，光伏发电累计装机容量 4318 万千瓦，同比增长 67.3% ，约占全球的 1/5 ，超越德国成为全球光伏累计装机量最大的国家，为我国光伏制造业提供了有效的市场支撑。国内大型地面电站多采用集中并网发电，电站主要集中在新疆，甘肃，内蒙等地广人稀地区，光伏有一大特点就是白天发电，晚上不发电，对于电网来说频繁的入网离网切换对于电网及用电负荷的冲击很大，所以国家电网和各地方电网实际上是并不接纳光伏发的电。现阶段有两种解决方案可以解决这种102kW典型商业分布式屋顶光伏系统案例□ 山东力诺瑞特新能源有限公司 杨晓光摘要关键词本文介绍了山东省龙廷镇某烧鸡场 102kW项目关于太阳能发电项目的解决方案，本方案从经济性、安全性、可靠性等角度对用户分布式屋顶光伏系统进行了组串逆变器方案优化设计，设备选型及项目实施，并模拟测算出未来的收益。光伏；分布式；自发自用；统购统销；组串逆变器；并网点；补贴；度电收益问题，一是采用风、光、火、水多系统互补方式来达到昼夜不停发电，另外就是采用大型蓄能单元将白天发的电存起来一部分，晚上靠电池组向电网供电。现在多地都采用第一种解决方式，但是效果却不如人意，技术也不成熟，第二种方式造价成本太高，且出现如果蓄电池技术能有所突破的话（比如飞轮储能技术普及），将会大大刺激光伏市场的繁荣。在目前国家补贴政策下，最合适的是分布式屋顶项目，这将是未来 5-10 年增长最快的光伏发展方向，并有望在 2018 年全面超越地面光伏电站，成为主流。1、项目背景本文所提到的光伏项目安装地点为新泰市龙庭镇某烧鸡厂，该烧鸡厂每天用电约 1200 度，用电价格较高，达 1.2 元 /度，无自DOI： 10.16116/j.cnki.jskj.2016.14.00841应 用 篇有变压器，并且用电负荷多集中在白天，到了夏季会出现白天用电高峰时电压偏低，部分设备噪音大、磨损快，机械生产工艺系数不稳定导致损失，业主期望新上自有变压器容量 400kVA, 期望通过光伏尽可能的满足白天的用电需求，项目安装的具体位置在厂房屋顶，大概面积 700 平方米，在厂区院落也可以考虑安装，投资回收期不高于 7年。根据业主的要求和实际用电情况，以及对现场的勘察的情况和屋顶图纸以及厂区用电网络和周围用电负荷的情况，得出以下制约条件：1.1 、安装面积。屋顶面积 700 平方米，其中彩钢瓦屋顶占地约 300 平方米，水泥混凝土屋面屋顶占地面积为 400 平方米，因受排气孔、女儿墙，防雷和广告牌影响实际可安装面积比业主提供面积减少 100 平米，实际可用面积 600 平方米。厂房空地面积 425平方米，因业主烧鸡产品需要大型运输车辆外运，对场地支撑结构产生明显的土地限制，经评估并与业主沟通后不做光伏项目使用。经初步计算按照最佳倾角 35 度安装，大概可以安装的容量为45kw ，每天发电量约在 180 度，远小于实际用电，规模效益不明显，业主直摇头。1.2 、电网情况。原厂用电借助工厂近处的村级变压器，用电价格偏高，平均 1.2 元 /度，且生产受到村中用电情况和旧变压器运行不稳定的影响，导致用电成本高，风险大。业主计划新上变压器容量 400kVA ，杆上安装，需要跨县级公路，距离不超过 25米。原厂内拟，并网用低压配电柜总开关容量 630A 。目前已使用超过 7 年，污秽较多，且未预留可用并网开关。1.3 、结构情况。混凝土屋顶为上人屋顶，承重 150kg/m 2,满足光伏承重要求。彩钢板屋顶为单层板，设计为遮阳挡雨使用，壁厚 0.5mm ，且有一定使用年限，目测锈蚀已经比较明显。承重考虑年限在 12kg/m 2，且随年限增加而减少。考虑到光伏电站 25年的使用寿命，彩钢板确定要进行更换或拆除，否则电站安全难以得到保证。经与业主详细说明，业主同意拆除而将电池板固定在彩钢板覆盖的水泥混凝土屋顶上。混凝土屋顶承重满足电站建设要求。1.4 、用电情况，主要是不间断用电，用电峰值相对稳定，光伏发电时间平均电价 1.2 元 /度。1.5 、防雷情况。原屋顶在设计过程中，办公楼东西向屋顶上有避雷带，新上光伏项目可借助，南北向屋顶上无防雷措施，需要新加。1.6 、监控要求。可远传到办公电脑进行远程监控。1.7 、业主收益要求。静态回收期限不超过 7年。电池板质保10 年，功率保证 10 年损耗不超过 10% ， 25年不高于 20% 。2、系统设计2.1 项目设计方案确定根据现场踏勘情况和业主要求，本工程适合充分利用安装面积，在保证安全发用电基础上，尽可能提高安装容量，特给出以下解决方案：拆除南北走向屋顶彩钢瓦，减小排气孔安装高度，采用 12度倾角满铺电池板，减少最佳倾角所产生的阴影遮挡的情况，不会产生前后排因防止产生阴影遮挡造成的间距面积的浪费。经图纸布局，考虑遮挡因素的影响，满足电业局等归口管理部门光伏安装容量不超过最大负荷的 30% 的要求，最大可以做到 100kWp的安装量，每天发电量平均在 400 度电左右。并网点在新上变压器的低压侧母线配电柜上。遮阳安装容量扩大 1 倍多，虽增加了承重支架材料，因费最佳倾角造成部分发电损失（主要体现在冬季），但收益是最大的。相对于统购统销方式，我们选择自发自用，余电上网，即光伏发电发的电优先自己使用，多余的部分已脱硫煤标杆电网电价进行卖电交易。系统的电池组件选用目前最成熟的高效 260Wp 多晶硅太阳能电池组件，工作电压为 31.03V ，开路电压为 38.66V 。整个102kWp 的光伏系统需配置 400 块 260Wp 电池组件。光伏发电系统的电气原理图如下图所示 :图 1 102kWp 光伏系统电气原理图2.2 系统选型设计2.2.1 组件布局图考虑到安全性和安装维护的便捷性，同时保持光伏系统整体的美观性，本项目光伏组件布局图如下图所示：图 2 102kWp 斜屋顶组件布局图42特 别 关 注The Special Focus光 伏 建 筑 跨 界 融 合2.2.2 支架及组件安装根据该项目屋顶情况，平屋顶采用植根支架安装方式，用镀锌膨胀螺栓固定支架，光伏组件以 12 °倾角斜铺在支架上。支架示意图如下所示 :图 3 平屋顶光伏支架安装图2.2.3 组串并联设计光伏组件方阵是通过组件的串并联得到的，组件的串并联必须满足并网逆变器输入电压和输入功率的要求，本项目拟采用阻串式并网逆变器，多晶 260Wp 的组件，组件的开路电压为38.66V ，最大工作电压为 31.03V, 根据组串式并网逆变器和组件的相关参数，经过计算可知：接入逆变器每条支路的串联组件数应为 18-22 串，逆变器的 MPPT 电压范围为 260V-850V ，组件串联之后的工作电压在其 MPPT 电 压调节范围之内。2.2.4 混凝土屋顶荷载荷载计算荷载条件：根据光伏发电系统结构形式，本项目光伏系统采用水泥基础固定 C 型钢支架形式安装在用户混凝土平屋顶上，单个组件重 18.5kg ，光伏组件按照 12°倾角安装。单块电池板面积 1.64m × 0.992m=1.62688m 2，以 35°倾角投影至屋顶平面上的面积为 1.6m 2，对应安装支架、线缆、桥架、水泥基础、防雷及其他辅料重量如下：编号 名称 单位重量 (kg)1 电池板 18.52 热镀锌钢支架 153 水泥基础 304 桥架 2.55 线缆 26 穿线镀锌钢管 1.07 防雷扁钢 0.58 其他 1.0共计（ kg） 70．5折合在每平方米中，承重 =70.5/1.6=44kg/ ,小于混凝土屋顶承重设计要求 2kN/m 2( 折合 200kg/m 2 )，满足该项目分布式光伏电站的建设条件。2.3 设备选型2.3.1 光伏组件太阳电池板无论是在基础研究还是生产技术上近几年都取得了很大的进步。现在商用的太阳能电池板主要有：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、铜铟硒和碲化镉薄膜电池等。日益成熟的多晶硅在性价比上已经超过了单晶硅，同时薄膜产品效率不稳定所造成的被动局面。设计采用了性价比最高得多晶硅组件设计。太阳能电池组件是太阳能光伏发电系统的核心部件，其各项参数指标的优劣直接影响着整个光伏发电系统的发电性能。表征太阳能电池组件性能的各项参数为：标准测试条件下组件峰值功率、最佳工作电流、最佳工作电压、短路电流、开路电压、最大系统电压、组件效率、短路电流温度系数、开路电压温度系数、峰值功率温度系数、输出功率公差等。综合太阳能电池技术现状和性价比分析，本项目选用单板容量为 260Wp 的多晶硅光伏组件。多晶硅电池的参数为2.3.1.1 、正常工作条件环境温度：－ 40 ℃ -＋ 85℃；相对湿度： ≤ 95％（ 25℃）；2.3.1.2 、太阳能电池组件性能（ 1）组件的每片电池与互连条排列整齐，组件的框架整洁无腐蚀斑点。（ 2 ）在标准条件下（即：大气质量 AM=1.5 ，标准光强E=1000W/m 2，温度为 25± 1℃，在测试周期内光照面上的辐照不均匀性 ≤ ± 5%），太阳电池组件的实际输出功率均大于标称功率。（ 3）光伏电池组件具有较高的功率 /面积比，功率与面积比=149W/m 2。功率与质量比 =11.6W/Kg ，填充因子 FF ≥ 0.7 。（ 4）组件 2年内功率的衰减 <2% ，使用 10 年输出功率下降不超过使用前的 10% ；组件使用 25 年输出功率下降不超过使用前的20% 。（ 5）组件使用寿命不低于 25年。（ 6）太阳能电池组件强度通过《 IEC61215 光伏电池的测试标准》中第 10.17 节钢球坠落实验的测试要求。并满足以下要求：撞击后无如下严重外观缺陷。2.3.2 逆变器选型逆变器作为光伏发电系统中将直流电转换为交流电的关键设备之一，其选型对于发电系统的转换效率和可靠性具有重要作用，本项目结合《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》的及其它相关规范的要求，在本工程中逆变器的选型主要考虑以下技术指标：（ 1）单台逆变器容量本工程项目拟选用 25KW 组串式逆变器 4台总共 4台。（ 2）转换效率逆变器转换效率越高，光伏发电系统的转换效率越高，系统总发电量损失越小，系统经济性也越高。（ 3）电压异常时响应特性43应 用 篇逆变器在电网电压异常时的响应要求满足下表：并网点电压 最大分闸时间*U＜ 50％U N* 0.1s50％U N ≤ U＜ 85％U N 2.0s85％U N ≤ U≤ 100％U N 连续运行100％U N＜ U＜ 135％U N 2.0s135％U N≤U 0.05s注： 1 U N为光伏电站并网点的电网标称电压。2 最大分闸时间是指异常状态发生到逆变器停止向电网送电的时间。（ 4）系统频率异常响应光伏电站并网后频率允许偏差符合 GB/T 15945 的规定，即偏差值允许± 0.5%Hz, 当电网接口处频率超出此范围时，过 /欠频保护应在 0.2 秒内动作，将光伏系统与电网断开。（ 5）可靠性及可恢复性逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力，如：过电压情况下，光伏发电系统应正常运行；过负荷情况下，逆变器需自动向光伏电池特性曲线中的开路电压方向调整运行点，限定输入功率在给定范围内；故障情况下，逆变器必须自动从主网解列。系统发生扰动后，在电网电压和频率恢复正常范围之前逆变器不允许并网，且在系统电压频率恢复正常后，逆变器需要经过一个可调的延时时间。2.3.3 线缆选型2.3.1.1 、电缆选型依据所选电缆横截面积和连接器容量必须满足最大系统短路电流（用于单个组件的电缆线材质和横截面积为铜芯，耐压 1000V ，连接器的额定电流大于 10A ）。方阵内部各方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的 1.5 倍。逆变器的连接、选用的交流电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的 1.36 倍。2.3.1.2 、直流电缆选型根据以上原则，在工程中使用符合技术文件要求的电缆：直流侧采用耐压等级高、耐光热老化、绝缘性能好、机械强度大、抗紫外线的光伏专用电缆，其规格型号如下：名称：光伏专用直流电缆；型号： PV1-F ；线芯材质：镀锡铜丝；护套材质：交联聚烯烃；尺寸截面： 1× 4 mm 2；敷设：穿管加以保护，利用组件支架作为电缆敷设的通道和固定， 降低环境因素的影响。技术性能描述： 1）工频额定电压 U0/U 为 0.6kV/1kV ； 2）电缆导体允许长期最高工作温度 135 ℃； 3）短路时（最长时间不超过 5S ）电缆导体的最高温度不超过 280 ℃； 4）电缆弯曲半径不小44特 别 关 注The Special Focus光 伏 建 筑 跨 界 融 合于电缆外径 6 倍； 5）具有良好的耐热性能；2.3.1.3 、交流电缆选型对于交流线缆部分，选用 ZR-YJV （交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆）。交联聚乙烯绝缘电力电缆具有卓越的热 - 机械性能，优异的电气性能和耐化学腐蚀性能，还具有结构简单，重量轻，敷设不受落差限制等优点，是目前广泛应用于城市电网的新颖电缆。电缆的绝缘 -交联聚乙烯是利用化学方法和物理方法使线型分子结构的聚乙烯转化为立体网状结构的交联聚乙烯，从而大幅度的提高了聚乙烯的热机械性，从而保持了优异的电气性能。交流 YJV 线缆相关特性如下： 1）工频额定 UO/U 为 0.6/1KV 。2）电缆导体允许长期最高工作温度为 90 ℃。 3）短路时（最长持续时间不超过 5s）电缆导体的最高温度不超过 250 ℃。 .4 ）电缆敷设时环境温度应不低于 0℃。 5）电缆弯曲半径：不小于电缆外径的 15倍。2.3.4 交流并网配电柜选型交流配电柜用于并网逆变器同交流电网的连接、控制保护以及防雷的功能。配电柜内含有断路器、防雷浪涌保护器，具备可靠的防雷、短路过载保护。计量柜用于电能的计量、采集和上传，安装有自动重合闸保护器、刀闸开关、多功能电表和采集器，自动重合闸具备自投自复功能，通过刀闸开关与电网之间形成明显断开点，确保人身和设备安全。多功能电表可测量电压、电流、功率、频率和计量有功、无功电能并通过采集器进行远程传送。2.3.5 监控系统光伏并网发电系统的监控系统要具备远程监控和现场监控功能，能满足对各村、各户建设的电站的监控、显示及故障提示功能，相关监控数据能同时满足在手机或移动 PC 设备显示的功能。其监控功能如下：（ 1 ） 控制中心能够通过监控装置采集光伏电站逆变器和电池方阵运行时相关的实时数据，并对系统运行状态进行详细记录。监控装置具有自诊断功能，能够接收控制中心的指令，并对逆变器和配电柜发送相应数据执行操作。（ 2）监控装置能够采集的量和执行的操作：①数据采集量包括：光伏电站输出的电压、电流、频率、总功率值和三相电压的不平衡度。逆变器的各种故障信息、工作状态；电池方阵的输出电压、电流。②执行的控制操作：按指定地址切断逆变器的输出；电池方阵的电压输出。③信息数据的存储：能够将装置的采集数据和逆变器的故障信息进行存储；同时可进行人工查阅，并以数据报表的形式打印。监控系统方案如下： Ezlogger 数据采集器 GPRS 版：通过RS485 总线与逆变器相连，通过内置 GPRS 向光伏系统监控网站发送数据。3、项目收益3.1 经济效益固定资产的价值分析、新增效益分析、运行费用及来源分析。表 3.1 项目投资收益分析表序号 项 目 数据1 安装容量 102kWp2 运营期 25年3 新泰市地区峰值日照时数 4.35h4 平均年发电量 11.62万 kWh5 平均年收益 12.57万元6 25年总发电量 290.47万 kWh7 25年总收益 314.17万元8 系统总投资 80万元9 回收年限 5.6 年10 年收益率 17.8%3.2 环境效益102kW 光伏发电项目的建设，将在节省燃煤、减少 CO 2、SO 2 、 NOx 、烟尘、灰渣等污染物排放效果上，起到积极的示范作用。项目 25年寿命期内年均发电量为 11.62 万度，无污染排放，有力支持了本地可持续发展。年节约标准煤 38.6 吨，年减排温室效应气体 CO2 约 100 吨，每年减排大气污染气体 SO 2约 1吨、 NOx约 0.27 吨。同时该项目可节约用水，不存在废水和温排水等对水环境的污染，有明显的环境效益。3.3 社会效益（ 1）光伏发电有利于节省不可再生资源，平衡能源的单一供给情况。随着石油和煤炭的大量开发，不可再生能源储量越来越少，面临很大的能源枯竭压力，因而新能源的开发已经提高到了战略高度。（ 2）光伏发电可以减少温室气体排放，减少温室效应，（ 3） 102KWp 光伏发电项目选择闲置的屋顶上，大大的提高了屋顶的利用率和价值。（ 4） 102KWp 光伏发电项目的建设可以带动当地的经济增长和就业。光伏电站项目的开发和建设，可促进地区相关产业，如建材、交通运输业的大力发展，对扩大就业和发展第三产业将起到显著作用，光伏发电将成为地区又一大产业，为地方经济开辟新的增长点，拉动地方经济的发展。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁可再生能源，具有独特的优势和巨大的发展潜力。充分利用太阳能对节能减排、保护环境和地方经济有着重大的意义，同时为全球能源的可持续发展做出贡献。光伏作为新兴战略产业，必然对未来能源结构，能源消费方式带来变革性的影响。 C