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 50mm×5mm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 1956×992×50 宁波 太阳能 175W 4.96A 5.48A 35.2V 44V 1580×808×46 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/（ 300000×20） =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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