基于校園屋頂?shù)姆植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

吳奕奇,薛劍飛,王佳妮

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 常州 213164;2.常州科教城現(xiàn)代工業(yè)中心,江蘇 常州 213100)

0 引 言

分布式光伏發(fā)電主要利用建筑物屋頂和農(nóng)業(yè)設(shè)施屋頂以及家庭住宅屋頂?shù)葓龅?倡導就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則,不僅能夠有效解決電力在升壓及長途運輸中的損耗問題[1],還能夠削減城市昂貴的高峰供電負荷。在目前城市可利用資源中,校園建筑作為教學活動場所,多采用集中式的布局,屋頂存在著大量的空置區(qū)域,如果將學校屋頂空置場地建成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),不僅能夠節(jié)能創(chuàng)收,減輕電網(wǎng)的供電壓力,還能進一步推動綠色、智慧和面向未來的新校園建設(shè)。

1 項目概況

某高校位于常州市,位處北緯31.68°、東經(jīng)119.94°,校園于2003年開始建設(shè),2006年建設(shè)完成并投入使用,占地1 119.86畝,建筑面積36.05萬m2,現(xiàn)有全日制在校生11 000余人,其中可利用屋頂主要以6層以下低層建筑為主,包括教學樓、實訓樓、活動中心、圖書館等建筑物。各建筑物屋頂均為混凝土平面屋頂,已經(jīng)做好防水層,屋面除了電梯機房和女兒墻外,個別屋面還有實驗室排風機,由于處于職教園區(qū),建筑物附近無高層建筑遮擋物。

實訓樓屋面如圖1所示。

圖1 實訓樓屋面

2 系統(tǒng)類型和并網(wǎng)接入方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)類型的設(shè)計

該項目可供選擇的光伏發(fā)電系統(tǒng)類型有兩種,一種為集中式并網(wǎng)發(fā)電方案,是將幾棟樓分為若干個并網(wǎng)發(fā)電單元,通過匯流箱和直流柜進行匯流,電能輸送到就近設(shè)置的集中式逆變器轉(zhuǎn)換成380 V交流電,經(jīng)升壓系統(tǒng)變成10 kV的交流高壓電,再并入學校10 kV母線中;第二種是分布式并網(wǎng)方案,各樓棟單元采用組串式逆變器,分散就近并網(wǎng),以380 V電壓等級接入學校電網(wǎng)系統(tǒng)?？紤]到各樓棟可利用面積、組件容量不同,而且集中并網(wǎng)需要進行配電系統(tǒng)改造,成本較高,而分布式發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的單機容量小,安裝方便,不需要專門的配電室,也不需要匯流箱和直流配電柜,MPPT數(shù)量多,配置靈活,故選擇分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)方案。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣主接線如圖2所示。

圖2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣主接線

2.2 并網(wǎng)接入方案設(shè)計

供電方式是由總配電間利用10 kV環(huán)網(wǎng)柜分配給各樓棟電能,然后利用降壓變壓器降為380 V分配至各樓層使用,本著就近分散接入,就地平衡消納的原則,參照國家電網(wǎng)《分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)典型設(shè)計》中內(nèi)容,組串式逆變器可以采用方案標號為XGF380-T-2中380 V單點接入配電室低壓母線接入方式和方案標號為XGF380-Z-Z1中380 V多點接入配電室低壓母線接入方式兩種。考慮到單點接入管理方便,安裝施工簡單,可以進行集中計量等優(yōu)點,系統(tǒng)各樓棟發(fā)電單元集中采用單點接入配電室低壓母線接入方式進行并網(wǎng)接入。并網(wǎng)接入示意圖如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)接入示意圖

3 系統(tǒng)容量設(shè)計

3.1 光伏組件排布影響因素分析

系統(tǒng)設(shè)計的容量在設(shè)計時需要考慮組件的傾角、排列方式、組件間距、陰影遮擋等因素。

(1)傾斜角選擇。組件按照最佳傾斜角安裝,可以使全年接收到的輻射量最大,但是由于場地限制,最佳傾角安裝會減少組件數(shù)量,減少系統(tǒng)容量,增加電站建設(shè)和施工成本。該項目中最佳傾斜角為22°～26°,為了避免傾角固定對屋面的破壞,同時經(jīng)過測算,最終選擇“最經(jīng)濟傾角”的設(shè)計方案,光伏組件采用平鋪方式。

(2)排列方式選擇。組件的排列方式為橫向排列和縱向排列,橫向排列可以減少近距離陰影遮擋對發(fā)電量的影響。該項目采用平鋪方式,可以不用考慮該問題,所以采用縱向排列每列放置兩塊組件的方式,同時為了維護方便,在兩排方陣之間預留80 cm的維修通道。

(3)陰影遮擋分析。組件方陣的陰影主要來自兩個方面,一個是方陣前后陰影遮擋,該項目為平鋪方式,方陣陰影遮擋忽略;另一種陰影遮擋為障礙物的遮擋,項目中障礙物主要為女兒墻、電梯房、排風機等障礙物,因此對障礙物在水平面各方向上所產(chǎn)生的陰影長度進行計算分析,從而保證光伏方陣在9∶00～16∶00不被遮擋。障礙物陰影遮擋示意圖如圖4所示,其中α為太陽高度角,β為太陽方位角,H為障礙物高度。

圖4 障礙物陰影遮擋示意圖

3.2 光伏組件型號選擇

目前,國內(nèi)光伏市場上以晶硅光伏組件為主流,晶硅組件又分為單晶硅組件和多晶硅組件,兩種組件在性能和價格上比較接近。多晶硅組件在價格上要比單晶組件稍低[2],因此從控制工程造價方面考慮,該項目選用260 Wp的多晶硅光伏組件。光伏組件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 光伏組件技術(shù)參數(shù)

3.3 光伏組件排布設(shè)計及容量確定

光伏組件擬選用260 Wp組件,結(jié)合各影響因素分析,確定該項目布置5 120塊光伏組件,光伏方陣裝機容量為1.33 MWp。實訓樓光伏組件平面布置圖如圖5所示,其中陰影部分為各遮擋物陰影覆蓋范圍,為了降低對方陣整體發(fā)電量影響,該區(qū)域內(nèi)未布置光伏組件。

圖5 實訓樓光伏組件平面布置圖

4 光伏組件串并聯(lián)設(shè)計

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,電池組件的串并聯(lián)匹配主要依據(jù)所配逆變器的最大直流輸入電壓和逆變器正常工作電壓輸入范圍,即MPPT電壓輸入范圍來確定[3]。要求組件串的最大開路電壓不能超過逆變器的最大直流輸入電壓,組件串的最大工作電壓范圍不能超出逆變器的MPPT電壓的范圍,因此,如果要設(shè)計光伏組件串并聯(lián)數(shù)量,必須先選擇逆變器型號,然后進行串并聯(lián)計算。

4.1 光伏逆變器型號選擇

該項目中光伏組件安裝于教學樓屋面,屋面較為分散,且采用分區(qū)并網(wǎng),組串式逆變器能發(fā)揮其優(yōu)勢,故選用組串式逆變器。逆變器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器技術(shù)參數(shù)

4.2 光伏組件串并聯(lián)計算

光伏組件串的串聯(lián)數(shù)量N主要是根據(jù)國家標準GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中式6.4.2-1和式6.4.2-2進行計算:

(1)

(2)

式中:Kv——光伏組件的開路電壓溫度系數(shù);

t——光伏組件晝間環(huán)境極限低溫;

t′——工作狀態(tài)下光伏組件電池極限高溫;

Udcmax——逆變器和光伏組件允許的最大系統(tǒng)電壓,取兩者小值(直流);UMPPTmax——逆變器MPPT電壓最大值;

UMPPTmin——逆變器MPPT電壓最小值;

Uoc——光伏組件的開路電壓;

Upm——光伏組件最佳工作電壓。

工程選用260 W型多晶硅組件,其組件開路電壓為37.9 V,工作電壓為30.8 V,電壓溫度系數(shù)-0.35%/K,該地區(qū)極限最低溫度為-12 ℃,極限最高溫度為40 ℃(根據(jù)全國各個城市極端最高溫與極端最低溫匯總數(shù)據(jù))。將數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)得出N≤1 000/37.9/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.36(塊),N≥450/30.8/[1+(40-25)×(-0.35%)]=15.42(塊),N≤820/30.8/[1+(-12-25)×(-0.35%)]=23.57(塊)。

綜合考慮該地區(qū)低溫以及從節(jié)約光伏支架、光伏接線要求出發(fā),確定該工程組串為20塊一串。經(jīng)驗算,光伏組串在-12 ℃的開路電壓為941.78 V、工作電壓為765.35 V,光伏組串在60 ℃的工作電壓為594.59 V,滿足逆變器輸入電壓的要求。每20個光伏組件1串,組成一個小的發(fā)電單元,單個逆變器功率為30 kW,1串功率為5.2 kW,故最終確定單臺逆變器并聯(lián)數(shù)量為6路,按照6進1方式接入組串式逆變器,交流逆變后接入并網(wǎng)配電柜,最終分區(qū)就近以380 V接入電網(wǎng)系統(tǒng),逆變器共需要配置46臺。

5 輔助設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計

5.1 光伏陣列安裝設(shè)計

光伏支架采用安裝簡單、成本低的固定傾角支架,材質(zhì)為制造工藝成熟、承載力強的熱鍍鋅鋼材。由于屋面類型為混凝土屋面,屋面已經(jīng)做好防水,所以選擇混凝土塊配重基礎(chǔ)固定方式,有效地避免或者破壞屋頂防水層等結(jié)構(gòu)。

5.2 并網(wǎng)柜的選擇

并網(wǎng)柜主要用于分布式發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的并網(wǎng)連接和控制,在接入380 V電壓等級電網(wǎng)時,并網(wǎng)點和公共連接點的斷路器應(yīng)該具備短路速斷、延時保護功能和分勵脫扣、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能。該項目采用380 V電壓等級并網(wǎng),且逆變器46臺,所以采用12臺380 V光伏并網(wǎng)柜,每臺電柜4進1出,單臺輸入電流等級為100 A。

5.3 防雷、接地保護設(shè)計

為了保證該工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠,防止因雷擊、電涌等外在因素導致系統(tǒng)器件損壞等發(fā)生,系統(tǒng)防雷接地裝置必不可少[4]。

(1)防雷。屋頂防雷主要依靠在屋頂上設(shè)置避雷裝置,直流和交流側(cè)分別采用組串式逆變器自帶的防雷保護裝置,可有效地避免雷擊和電網(wǎng)電涌導致設(shè)備的損壞,同時發(fā)電單元外輪廓的鋁合金外框做為防止直擊雷過電壓保護接閃器,其各構(gòu)件間應(yīng)可靠連接后,與地下的主接地網(wǎng)相連,組成一個立體的防雷體系。

(2)接地。保護接地、工作接地、過電壓保護接地使用同一個接地網(wǎng)。接地電阻按不大于4 Ω考慮。為保證人身安全,所有電氣設(shè)備都裝設(shè)接地裝置,并將電氣設(shè)備外殼接地。

5.4 電氣二次系統(tǒng)設(shè)計

(1)電站監(jiān)控系統(tǒng)。為了實時監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和工作參數(shù),以及現(xiàn)場的環(huán)境情況,光伏系統(tǒng)就地配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測儀,就地將數(shù)據(jù)采集后通過光纜通道送至綜合自動化計算機監(jiān)控系統(tǒng),并利用監(jiān)控系統(tǒng),通過光纜通信上傳光伏電站各種信息量及接收調(diào)度命令。

(2)繼電保護及安全自動裝置。本站保護配置采用兩種方式,一種并網(wǎng)逆變器保護,并網(wǎng)逆變器為制造廠成套供貨設(shè)備,設(shè)備中包含有欠電壓保護、過電壓保護、低頻保護、孤島保護、短路保護等功能。第二種是并網(wǎng)點斷路器保護,并網(wǎng)點斷路器采用有欠壓保護功能的斷路器,確保電網(wǎng)電壓過低、失電或缺相時能斷開光伏區(qū)。

(3)計量系統(tǒng)。光伏電站發(fā)電量計量點配置于光伏電站并網(wǎng)柜內(nèi),按照《電測量及電能計量裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定,電能計量裝置采用380 V三相四線雙向電能計量表,準確級要求:有功-0.2S級,無功-2級。

6 光伏電站發(fā)電上網(wǎng)電量計算與分析

(1)計算公式選擇。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定,光伏電站年發(fā)電量Ep為

(3)

式中:HA——水平面太陽能總輻照量;

Es——標準條件下的輻照度;

PAZ——組件安裝容量;

K——綜合效率系。

(2)系統(tǒng)效率修正系數(shù)的確定。影響電站總效率的關(guān)鍵因素主要是系統(tǒng)效率。系統(tǒng)效率主要考慮的因素有逆變器的效率損失,變壓器的效率損失,灰塵及雨雪遮擋損失、光伏組件串并聯(lián)不匹配損失、交直流部分線路損失、其他雜項損失。依據(jù)太陽能資源及水文氣象條件,電站總效率的修正系數(shù)如表3所示,系統(tǒng)效率80.03%。

表3 電站總效率的修正系數(shù)

(3)水平面太陽能總輻照量確定。根據(jù)光伏仿真設(shè)計軟件PVSYST和根據(jù)Meteonorm 6.1氣象軟件進行數(shù)據(jù)仿真,計算得到常州地區(qū)水平面年平均日照輻射量1 295.4 kWh/m2,由于組件為屋面平鋪安裝,0°傾斜面年輻射量為1 295.4 kWh/m2,光伏電站區(qū)域各月太陽總輻射量如圖6所示。

圖6 光伏電站區(qū)域各月太陽總輻射量

(4)發(fā)電量計算分析。該項目1.33 MWp初始年發(fā)電量約137.88萬kWh,光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率逐年衰減,整個光伏發(fā)電系統(tǒng)25年壽命期內(nèi)平均年有效利用小時數(shù)也隨之逐年降低,該項目所采用晶體硅光伏組件首年衰減不超過2.5%,其后每年衰減不超過0.8%,25年內(nèi)總衰減不超過20%。因此,第N年發(fā)電量=初始年發(fā)電量×(1-N×組件衰減率)。

該項目20年平均發(fā)電量126.25 萬kWh,總發(fā)電量2 533.15 萬kWh。每年平均發(fā)電量如表4所示。

表4 每年平均發(fā)電量

7 結(jié) 語

作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要載體,校園屋頂特別是綜合性大學校園屋頂具有很大的開發(fā)空間。對校園屋頂進行分布式電站設(shè)計時,要以教學使用和學生安全為前提,要詳細分析校園的供電方式、用電特點、建筑物特點、學生安全等情況,在系統(tǒng)類型、并網(wǎng)方式、組件排布固定、設(shè)備安裝擺放、安全文明施工等方面進行合理規(guī)劃設(shè)計。