分布式太阳能光伏发电的设计与住宅项目的应用现状

分布式太阳能光伏发电的设计与住宅项目的应用现状

王正浩 (上海三湘(集团)有限公司，上海 200434)

摘要结合上海市崇明陈家镇滨江休闲某地块住宅项目的用户型分布式光伏发电系统设计实例，具体分析了分布式光伏发电的系统架构、自发电系统及并网设计及经济收益分析报告三个方面，探讨现阶段住宅项目采用分布式光伏发电的可行性，以期未来太阳能真正替代传统能源，实现节能减排的目标。

关键词能源危机 分布式太阳能光伏发电 可再生绿色能源 建筑一体化应用 光伏组件 逆变器

AbstractCombined with the design example of distributed photovoltaic power generation system for leisure plots of residential projects nearby river in Chong Ming，Shanghai city, the three aspects of distributed photovoltaic power generation is analyzed in detail, which are system architecture, power generation system grid connection design and economic income analysis report. The feasibility of using distributed photovoltaic power generation in residential projects in the present stage is discussed to realize that solar energy replaces traditional energy, and the goals of energy conservation and emissions reeluction are achieved.

Keywordsenergy crisis，distributed photovoltaic power generation, regenerated energy resources, building integrated application, photovoltaic module, inverter

作者简介

0引言

现阶段中国的能源开采利用和环境问题十分突出。经过专家的研究论证，太阳能和风能是解决能源危机和环境污染最行之有效的能源类型。太阳能光伏发电应用更是因为其诸多优点受到关注和发展，而且伴随着科技进步，光伏设备的模块化、标准化、智能化程度进一步提高，具有广泛的适应性。但光伏发电也不可避免地带有缺点：受自然气象条件和时间周期的限制，必须在白天和太阳光较好的条件下才可以发电；普遍存在光能转化效率低下，单位面积下建设投资成本较高等诸多问题。

1太阳能光伏发电的概念和系统设计

太阳能是安全、清洁、稳定的可再生能源，可分为光热发电和光伏发电，通常意义上的太阳能发电指的是光伏发电，是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。光伏发电技术的基础是半导体PN结光电效应，当阳光或其他光照射PN结时，PN结两端出现电压，短路PN结产生电流。通过串联后进行封装保护的太阳能电池可形成大面积的光伏阵列。光伏阵列与直流配电柜、太阳能控制器等设备形成了光伏发电装置。

图1所示为用户型分布式光伏发电系统，是光伏发电在BIPV上的应用。BIPV即Building Integrated Photovoltaic光伏建筑一体化，使光伏发电装置成为建筑的一部分或是建筑材料。与集中式光伏电站相比，光伏建筑一体化更加有效地利用现有建筑的外立面和屋顶，无需额外规划建设用地。实现电能本地利用，降低电能在传输过程中的损耗和成本，具有更高的综合效益和投资价值。

图1　典型的用户型分布式光伏 发电结构布局示意图

220/380V用户分布式光伏发电系统组件及系统：

1)太阳能光伏组件。电池分为晶硅电池和薄膜电池两种。单晶硅或多晶硅在商用领域中实际转化效率可达到15%，而薄膜电池主要是由稀有贵金属和非晶硅等制成，转化率一般仅为5%～8%。通过支架和汇流装置将若干个光伏组件连接形成阵列。

2)直流配电系统。包含直流配电断路器、熔断器及接地保护开关和过流保护。

3)蓄电池组。用以存贮光伏所发电能，电池的特性影响系统工作效率和特性。用户型分布式光伏发电所用蓄电池多为镍氢电池组或锂电池组。

4)太阳能控制器。用于控制蓄电池组的工作状态，对蓄电池组过度充放电状态起到保护控制作用，附加光敏开关、时钟控制开关等控制器，更加精确地对蓄电池组进行保护和延迟工作寿命。

5)逆变器。太阳能输出一般为12～192V的直流电压，为满足家庭用户220/380V交流电压的要求，可通过方波逆变器将直流电能转化为交流电能。

6)监控系统和计量系统。监控系统工作状态和参数，记录系统工作发电量及各个设备的工作进度，可以故障报警。计量系统精确测量输入及输出电能，显示系统电压及电流工作状态。

图2所示为典型的分布式光伏发电系统并网示意图。光伏发电采用交流380V或者交流220V电压等级并网。首先满足自发自用，通过用户配电箱将所发电直接用在末端负载上。当有余电时，通过产权分界点(电业提供计量表)实现余电上网。

由于分布式光伏发电系统自身随光照时间存在波动性和间歇性，光伏发电所发直流电能通过逆变器转化为交流电能供常规负荷使用，并且有大量的电力电子设备接入配电网络，不可避免对当地的电网电能质量带来一定影响，包括电压不平衡、谐波、电压波动、电压偏差和直流分量等。针对以上参数，国家电网《电能质量》各分项中都有明确的要求和技术指标。

图2　典型的分布式光伏发电系统并网示意图

2崇明陈家镇某地块分布式光伏发电项目

该项目总用地面积199 810.8m2，总建筑面积197 662.92m2，其中地上建筑面积101 578.74m2，地下建筑面积96 084.18m2。本项目由145幢3层商品住宅、2幢4层经济适用房住宅、1幢地下1层地上1层商业中心、地下车库以及配套用房组成。

崇明地区经纬度为：东经121°04′30″、北纬31°62′00″，年日照百分率为47%，全年平均日照时数为2 104.0 h，全年太阳总辐射量为1 519 kW·h/m3。查阅相关规范《光伏发电站设计规范》(GB 50797-2012)附录B光伏阵列最佳倾角参考值一表，确定上海地区太阳能光伏板最佳倾角为34°、方位角(正南方)0°。结合建筑自身平屋顶的特点，选取倾角10°作为最终的安装倾角，既保证建筑外立面的美观性，又能在一定倾角下有较好的发电量。图3和图4分别表示光伏板组件在屋面铺设的平面和剖面。

图3　屋顶层光伏板平面布置图

图4　屋顶层光伏板剖面布置图

该系统采用单片255Wp太阳能光伏电池矩阵,每户共计12片，每户3.06kWp的设备安装容量。

光伏发电公式：

(1)

式中，EP为发电量，kW·h；HA为水平面太阳能总辐照量，kW·h/m3,峰值小时数，取1 519kW·h/m3；PAZ为组件安装容量，kWp，取3.06kWp；ES为标准条件下的辐照度(常数=1kW·h/m3)；K为综合效率系数，取0.80，包括光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统的可用率；光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。

经过计算后得出发电量为3 718.5kW·h。

太阳能光伏系统采用的是直流发电，通过逆变器产生220V交流电供电与并网，光伏太阳能单独设置计量表，计量太阳能板发电参数、电压等级等。根据光伏自发电量可以得到国家及地方相关绿色节能补贴。住户通过供电局申请开通双通道电业计量表，实现余电上网功能。根据当地供电部门要求，光伏所发电能通过光伏计量表之后，同市政供电经过电业表之后，共同汇集到用户配电箱内。具体并网模式参见图2。由于本项目所有单体建筑均为380V供电，而光伏发电为220V，整个项目的光伏发电三相平衡尤为重要。结合供电部门要求和设计计算，根据设计总图的建筑排布划分了每个单体的相序。确保项目自身供电的三相平衡问题得以解决。

设计采用目前技术最为成熟、转换效率较高的晶硅光伏电池组件，方案采用峰值功率为255Wp，转换效率为15.58%以上的多晶硅电池组件，其具有转换效率高，质量稳定,性价比高的特点，符合《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》(GB/T 9535-1998)标准要求；晶体硅组件衰减率1年内≤2%、10年内≤10%、25年内≤20%；太阳能电池组件的设计使用寿命不少于25年，电能满足IEC 61215的要求。

逆变器采用组串式并网逆变器，所选逆变器产品效率高，性能稳定，应用方式灵活多变。技术特点有：(1)宽直流输入电压范围；(2)具有很高转换效率，逆变效率>95%；总电流波形畸变率<3%；(3)最大功率点(MPPT)效率97.4%；(4)先进的IGBT器件，平均无故障时间5年以上，使用寿命25年以上；(5)具有过载、短路、电网断电、电网欠压、电网过/欠频、防孤岛保护、极性反接保护、直流过压、过流保护等完善的保护功能；(6)精确输出电能计量，交流额定工作电压230V；(7)液晶LCD显示并配有RS485通信接口；(8)通过TUV认证、CE认证和金太阳等相关认证。图5和图6分别表示光伏系统连线及组件参数。

图5　用户型分布式光伏发电的系统连线图和光伏板组件图

图6　用户型分布式光伏发电的光伏组件说明及系统参数

现阶段分布式发电拥有客观的经济收益，经过实际测试后分布式光伏的度电成本为0.6元/(kW·h)，以上海地区用户为例，根据由上海市发展和改革委员会和上海市能源局发布的《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》和中华人民共和国发展和改革委员会《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》的要求，个人用户分布式光伏发电享受优惠电价补贴为：上海市地方政府补贴0.40元/(kW·h)，国家补贴0.42元/(kW·h)，合计为0.82元/(kW·h)。自发电并网至国家电网，国家电网将以上海脱硫煤电价0.477元/(kW·h)价格收购。假设个人光伏发电100%并入国家电网，可获得包含国家和上海地区两

表1　陈家镇某地块个人光伏发电基本条件

表2　陈家镇某地块个人光伏发电每年收益分析

表3　陈家镇某地块个人光伏发电长期收益分析

级财政补贴及国家电网收购发电量共计1.30元/(kW·h)时收益。假设个人光伏发电100%自用，可获得除两级补贴之外，自发自用节省的居民电价共计1.43～1.74元/(kW·h)的收益。针对该项目用户安装光伏发电后的收益进行了具体的分析和整理，得出了表1～3数据。

根据表1～3得出的数据，系统寿命为25年，以上海地区及国家政策补贴年限20年计算，用户型分布式光伏发电收回投资成本的周期为5年。5年之后用户将直接得到用分布式光伏发电的实际收益。

设计阶段，屋面架设光伏发电板也遇到了一些问题和不利因素。首先本项目建筑布局采用的是平屋面形式，如何美观有效地结合屋面铺设光伏组件，实现两者协调统一，并满足消防、安全等验收是首要考虑的。其次平屋面设计减少了光伏板实际可铺设的面积，影响光伏板安装的方位角、高度角。解决方案是通过采用自身所带支架，通过高度调节，达到最佳安装倾角。本项目除了光伏发电之外，还设计了太阳能热水器及太阳能地暖等一系列相关的绿色能源系统。如何更加有效地利用有限的屋面实际面积，使各个系统达到最有利的平衡运行，也是一大难题。经过多方论证以及和建筑公司、太阳能热水器设备商、光伏设备商的反复设计测算后得到了每户安装12片光伏太阳能板，发电量为3kWp的设计方案。既满足了用户太阳能热水器的使用，也最大程度地保证了光伏发电量。

3结束语

作为绿色能源的倡导者和推动者，本项目采用的分布式光伏发电从节能和投资成本两个角度而言，都是一个较为理想、科学的尝试。为业界绿色地产、科技地产赋予了更高的定义，为未来更进一步打造更加环保、绿色、科技的新型房地产打下了坚实的一步。

分布式光伏发电系统在实际工程案例中的应用是一项系统的工程。贯穿了从方案到施工图设计再到施工、验收的全过程。本项目预计在2017年完工，完工后将成为上海市首个真正意义上的落地实施分布式太阳能绿色新能源发电的住宅项目，本着社会责任感和对新兴技术的探索和研究，本项目不仅能够提升上海地区房地产行业在住宅太阳能新技术应用上的水平，更是给其他行业以及上下游产业链带来了良好的示范促进作用，并且真正把太阳能绿色能源的理念和实际效果传递给住户，给住户带来切身的利益。光伏发电未来必将有突飞猛进的发展。

王正浩

2004年毕业于西安邮电学院，本科。现工作于上海三湘(集团)有限公司，建筑电气设计中级职称。

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