拉萨某净水厂光伏发电方案设计

龚 靔 立

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092]

0 引 言

净水厂工程建设作为一个传统行业,与光伏发电工程相结合,具有广阔发展前景。净水厂中设有沉淀池、滤池等大型水处理池,占地面积大,可在池顶上安装太阳能光伏板,能充分利用水厂的空间,对土地进行集约化利用。同时,净水厂需24 h不间断地为城市供水,用电负荷高,采用光伏发电系统可大大降低运行成本。

某净水厂工程位于拉萨,太阳能资源丰富,主要从光伏系统方案、发电量计算以及节能分析等方面对水厂光伏发电系统进行设计。

1 太阳能资源

拉萨市位于西藏自治区东南部,地理坐标为东经91°06′,北纬29°36′。相比于相同纬度东部地区城市,拉萨光照时间更长,光照强度也更强,年平均日照总时数几乎是四川盆地日照总时数的2倍多。拉萨也因此拥有“日光城”的称号。根据资料显示[1],拉萨地区年平均日照总时数3 005.3 h,年太阳总辐射量7 473.3 MJ/m2,属于太阳能资源最丰富地区。

为计算光伏系统的最佳倾角年平均辐射量,一般采用以下公式:

Rβ=S[sin(α+β)/sinα]+D

(1)

式中:Rβ——倾斜方阵面上的太阳总辐射量;

S——水平面上的太阳直接辐射量;

α——午时分的太阳高度角;

β——方阵倾角;

D——散射辐射量,与斜面倾角无关。

根据全球太阳辐射地图,拉萨地区光伏系统方阵最佳倾角为33°,最佳倾角年平均辐射量为8 723 MJ/m2,折合2 423 kWh/m2。

倾斜方阵面上的太阳总辐射量示意图如图1所示。

图1 倾斜方阵面上的太阳总辐射量示意图

2 光伏系统方案设计

2.1 光伏组件选择

现阶段,市场上太阳能电池按照电池的材料主要可以分为晶体硅电池和薄膜电池等几类,其中晶体硅电池又可以分为单晶硅电池与多晶硅电池。从这几种产品的价格方面考虑,薄膜电池价格低于两种晶体硅电池;从现在市场上的成熟度考虑,两种晶体硅电池均比薄膜电池更为成熟;从电池占地面积考虑,薄膜电池占地小,但还是略高于两种晶体硅电池;从太阳能转换效率考虑,多晶硅电池与薄膜电池效率均低于单晶硅电池,其中薄膜电池效率最低[2]。综上,选用多晶硅电池,光伏组件单片规格为300 Wp。

2.2 光伏方阵设计

该工程光伏方阵拟布设于4座沉淀池的池顶,池顶面积约为2 200 m2/座。在每座沉淀池池顶布设约330片光伏组件,装机容量约99 kWp/座。

光伏组件采用组件竖排横向单排,正南布置。光伏方阵阵列间距示意图如图2所示。

图2 光伏方阵阵列间距示意图

图2中,方阵阵列间距D为

(2)

H=LsinZ

(3)

式中:H——方阵高度;

φ——当地纬度(拉萨地区为29°36′);

L——太阳能电池板阵列斜面长度,取2 m;

Z——太阳能电池板阵列倾角,取33°。

经计算,方阵阵列间距D约为1.99 m。因此光伏组件、通道等占地面积约1 650 m2/座。光伏电站共需光伏组件1 320片,总装机容量约为396 kWp,总占地面积约为6 600 m2。

2.3 并网接入系统

该工程光伏发电系统设计采用自发自用模式,光伏组件所发电量接入逆变器后在逆变器的输出端与水厂400 V配电系统并联,在用户侧以多点并网的方式接入水厂配电系统,同时所有发电量均就地直接使用,无需另行设置蓄电池等储能设备[2]。

根据水厂变电所分布的特点,将4座沉淀池池顶光伏组件的容量划分为4个区域,配备4台100 kW的逆变器,4路分别接入辅助生产车间低压系统,实现多点并网。光伏发电系统示意图如图3所示。

图3 光伏发电系统示意图

每个光伏系统的并网输出回路均配置电能质量分析仪进行电能监测,对电压、电流、谐波、有功功率、无功功率和有功电能、无功电能、功率因数等进行数据采集和分析。

并网逆变装置为非线性元件,为减少谐波对系统的影响,在各变压器低压侧母排设置一套有源滤波装置。

2.4 系统保护及安全措施

并网式的光伏系统需要具有必要的检测、并网、报警、自动化控制和测量等一系列功能,并且还需要具有防止孤岛效应的作用,确保并网式光伏系统和电网的安全。光伏系统在并网正常运行过程中因为电网故障或者并网逆变器突然发生异常情况时,检测到故障并迅速关闭,并停止并网逆变器,以保护其电网安全。光伏系统并网的保护设备主要包括低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、对地故障保护、过电流保护及孤岛保护等策略和措施。

当逆变器检测到并网电路失电后,能够立即停止工作;在电网再次恢复供电时,不应立即重新投入运转,而是需要通过持续的检测得到电网的信号已经在一个时期内完全正常后方可再次开始投入运转。

并网断路器具备电源端和负载端反接功能。并网柜内设防逆流检测单元,分布切除光伏系统并网电源。

2.5 电缆敷设

所有电缆均选用标准铜芯电缆,电缆截面大小需能满足系统最大短路电流。根据电缆特性,各单回路电缆穿热镀锌钢管敷设,多回路电缆在汇总之后沿专设桥架敷设。

2.6 防雷和接地

(1)直流侧防雷。连接各组光伏板的电缆一一接入对应的汇流箱后再接入逆变器,在汇流箱内设置专用避雷器进行保护。

(2)交流侧防雷。逆变器以交流形式输出后通过电缆接至辅助生产车间10/0.4 kV变电所内专设的并网柜与水厂电网连接,在变电所内专用并网柜内安装避雷器进行保护。

(3)所有机柜要有良好接地。

(4)光伏组件支架连接成电气通路且多点接地,并采取防直击雷对系统损坏的措施。

(5)根据设计的配电系统形式,采用TN-S接地系统。

2.7 综合监控系统

设置一套综合监控系统,配备光伏专用监控软件,其具有远传功能,采集各种实时数据和信息。监控系统通过厂区以太网接至水厂的电力监控系统。

该工程光伏系统所用逆变器需预留数据采集RS-485接口,通过现场总线形式将处理后的数据传送至光伏系统专用工控机,监测计算机负责将各个现场的数据进行汇总和处理。

3 发电量计算

光伏发电系统发电量为

L=WHK

(4)

式中:W——光伏发电系统装机容量;

H——年峰值日照小时数;

K——光伏发电系统综合效率系数,取79.7%。

峰值小时数H为

H=Ih/Io

(5)

式中:Ih——倾斜面年总太阳能量辐射量;

Io——标准太阳辐射强度,取1 000 W/m2(电池组件标准测试条件)。

已知倾斜面年总太阳能量辐射量为2 423 kWh/m2,得出H=2 423 h。

该工程采用多晶硅太阳能电池,首年衰减比例为2.5%,以后每年衰减0.7%,则首年发电量L=74.56万kWh。

光伏系统25年发电量如表1所示,可知25年总计为1 715.51万kWh,25年平均为68.62万kWh。

表1 光伏系统25年发电量

4 节能降耗分析

光伏电站建成后,净水厂平均每年发电量为68.62万kWh,相当于每年节约煤229.02 t,相应每年可减少多种大气污染物的排放,其中减少二氧化碳约555.98 t/a,二氧化硫排放量约0.13 t/a,氮氧化合物0.26 t/a,汞及其化合物0.077 t/a,烟尘减排量0.077 t/a。

5 结 语

介绍了拉萨某净水厂光伏发电方案设计,利用水厂沉淀池池顶实现太阳能发电,不耗用常规一次能源和土地资源,符合能源利用长期规划,对于缓解一次能源不足、优化能源配置发挥积极示范作用。