20 kW分布式光伏电站设计研究

2019-03-26李家坤

水电与新能源 2019年3期

李家坤

(长江工程职业技术学院，湖北武汉 430212)

20 kW并网光伏发电项目位于武汉某高校教学楼阶梯教室5层屋顶，顶层为现浇混凝土平屋顶，屋顶建筑面积600 m2，可安装面积400 m2左右，采用“自发自用、余电上网”并网接入模式，电站光伏阵列采用MBM255多晶硅光伏组件80块，总装机容量约为20.4 kW，年均发电量约20 400余度。

项目地点纬度30°39’，经度114°16’，平均海拔高度24 m，属北亚热带季风性湿润气候，日照充足，年均气温15.8～17.5℃。日照总时数近2 000 h，年总辐射4 354～4 731 MJ/m2，属于本省太阳能可利用地区，可以加以开发、利用，能带来一定的经济及社会效益。

1 系统总体设计

并网型分布式光伏电站一般是指将太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合公共电网要求的交流电后,直接接入公共电网的光伏发电系统。并网型分布式光伏电站主要由太阳能电池组件、并网逆变器和监控系统三大部分组成。

1.1 光伏组件选型

目前国内外使用最普遍的是单晶硅、多晶硅太阳能电池，而且国内的光伏组件生产主要是以单晶硅、多晶硅太阳能电池为主，商业化的多晶硅电池片效率一般在12%～16%左右，单晶硅电池片电池效率在13%～18%左右。而非晶硅薄膜太阳能电池成本低，便于大规模生产，但由于其转换效率在5%～9%左右，稳定性不高使用寿命短(10～15年)，直接影响了它的实际应用。考虑到多晶硅组件太阳能电池价格比单晶硅组件低，因此本项目选用多晶硅太阳能电池[1]。

本项目选用武汉市某公司生产的晶体硅光伏组件是由高效晶体硅太阳能电池片、超白布纹钢化玻璃、EVA、白色TPT背板以及铝合金边框组成。具有使用寿命长，机械抗压外力强等特点；能适应恶劣、高载荷的工作环境，能承受强风压，雪压和极端温差变化；通过TUV、CE及金太阳等国际和国内认证，使用寿命不低于25年。

1.2 逆变器选型

光伏发电作为可再生能源发电的重要组成部分，具有波动性和间歇性等特点，接入电网易产生电网频率变化、电压波动和闪变，光伏电站的电能质量问题一般包括谐波、直流分量、电压波动和闪变以及三相不平衡等。实践证明，小型光伏电站采用优质的并网逆变器可以有效解决上述电能质量问题。

逆变器是光伏并网系统中的重要设备之一，本项目采用国内知名品牌并网逆变器，相关性能如下：

1)性能可靠，效率高，具有最大功率点(MPPT)跟踪功能；

2)直流输入电压具有较宽的适应范围；

3)具有过压、过流、防孤岛等多种保护功能；

4)波形畸变小，功率因数高；

5)具有监控和数据采集功能接口；

6)满足国家电网的接入规定。

1.3 安装角选择

为了保证系统有足够高的效率，电池板必须按一定的倾角安装。可以根据《光伏发电站设计规范》(GB50797-2012)附录B，并结合安装地纬度粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角。并网系统推荐倾角为30°39’-6°=24°39’，本次取20°。

1.4 光伏组件布置及支架安装

根据《光伏发电站设计规范》(GB50797-2012)第10.3.3条之规定：光伏组件安装在建筑屋面、阳台、墙面或建筑其他部位时，不应影响该部位的建筑功能，并应与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观。本系统采用MBM255多晶硅光伏组件，光伏支架采用标准平屋顶自重式光伏支架安装方式，80块多晶硅光伏组件分4行布置，每行由2×10块组成。光伏组件具体参数见表1。

本项目光伏支架采用自重式光伏支架一体化的安装工艺，不破坏原有建筑结构及防水层，不影响整体外观，而且能保证光伏组件的发电稳定性能。本项目采用的安装方式如图1所示。

表1 光伏组件具体参数

图1 光伏组件安装图(单位：mm)

1.5 电缆选型

本项目采用航天电缆产品，所有产品通过国家相关强制认证，根据《电力工程电缆设计规程》GB50217-2007有关规定，本工程电缆选型如下[2]：

1)光伏组件直流串并联电缆采用太阳能光伏专用电缆；

2)低压动力电缆采用国标电力电缆；

3)配线线槽整体布置美观，与整个建筑协调一致，布线尽量隐蔽，从底部不能明显的看到线缆；各方阵的线缆通过专用连接器连接，并有足够的强度，线缆连接附件有防水、抗老化；

4)系统配线符合电力配线安装标准，所有线缆连接都有方便的入口，便于日常维护与更换。

1.6 防雷与接地

太阳能电池阵列经逆变器逆变后，接入光伏阵列交流汇流箱，汇流箱内含高压防雷保护装置，汇流后在接入交流防雷配电柜，经过防雷装置可以有效地避免雷击导致设备损坏。为保证人身安全，所有电气设备、光伏支架都装设接地装置，并将电气设备外壳、光伏支架接地，可有效地避免雷击。

1.7 并网接入方案

光伏发电站接入电网的电压等级与电网的装机容量、周边电网接入条件等因素有关，需要在接入系统设计中，经技术经济比较后确定。光伏电站向当地交流负载提供电能和电网发送的电能质量应符合公用电网的电能质量要求[3]。

光伏组件安装位置相对集中，采用就近逆变，再集中并网接入的方案，即在楼顶储藏室安装组串式逆变器1台，然后通过交流配电箱集中在该楼一楼动力箱并网接入；本项目监控方案根据客户需求考虑。

太阳能光伏并网发电系统由光伏组件、并网逆变器、交流汇流箱、计量表等组成。光伏组件通过光生伏特效应将太阳能转化为电能，由并网逆变器逆变成交流电，经过交流汇流箱、电表等设备，并入市电网络，整个转化过程安全、可靠。

结合本项目光伏发电实际情况及使用特点，决定选用“自发自用、余电上网”的并网接入模式，即光伏发电优先供给内部用电系统使用，多余电能输送给国家电网，可以享受太阳能发电补贴。项目主要产品参数见表2。

表2 项目主要产品参数一览表

2 效益分析

2.1 年平均发电量

光伏发电站上网电量按式(1)计算[4]：

(1)

式中：HA为水平面太阳能总辐照量，kW·h/m2，峰值小时数；PAZ为组件安装容量，kW·h；ES为标准条件下的辐照度(常数=1)，kW·h/m2；K为综合效率系数。

根据本项目有关参数，由式(1)可以推算出，此项目年发电量约为20 400 kW·h。

2.2 经济效益分析

2.2.1 国家光伏补贴政策简介

近几年来，国家及地方大力支持及引导太阳能分布式光伏发电项目，力推分布式光伏发电在众多领域的多种方式利用，呈现出良好发展态势，主要体现在以下几个方面。

1)国家允许分布式光伏发电项目装机容量申请人自选确定，量身定制分布式光伏系统。

2)按照国家发改委发改价格(2013)1638号文《国家发改委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，国家针对太阳能分布式发电项目特点，完成装机后，按发电量给予电价补贴，补贴标准0.42元/kW·h。

3)国家允许分布式光伏发电申请人自发电自用，节约相应电费。

2.2.2 经济效益估算

本项目装机容量约为20.4 kW，总投资25万元，年均发电量约20 400 kW·h，为提高光伏发电收益，采用光伏发电“自发自用、余电上网”模式；该区市电价为0.573元/kW·h(按阶梯电价最低档估算)，光伏发电国家补贴为0.42元/kW·h(20年)，湖北省补贴为0.25元/kW·h(5年)，综合计算年均可获收入约19 000元，25年可获收入约48.9万元，扣除总投资，净收益23.9万元。如果后期地方出台光伏补贴政策或市电价上涨，收益将更大，本项目收益预估见表3。