屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李寧峰，于國(guó)才

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)能技術(shù)，在今后幾年將取得快速發(fā)展。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)有離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)2種形式[1]。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)常用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電、微波中繼站電源、太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)等獨(dú)立電源場(chǎng)合，配有蓄電池，可以保證供電的連續(xù)性。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指可并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括帶蓄電池和不帶蓄電池2種方式。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，常安裝在民用建筑上；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性，常用于大型發(fā)電系統(tǒng)?；趯?duì)后續(xù)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供技術(shù)支持和實(shí)驗(yàn)條件支撐，文中的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了離網(wǎng)與并網(wǎng)相結(jié)合的形式，可視工作需要進(jìn)行切換。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏組件、組件支架、防雷系統(tǒng)、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜、并網(wǎng)變壓器等組成，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)中將光伏組件及支架按屋頂自然條件進(jìn)行合理布置，形成屋頂光伏陣列，用于太陽(yáng)能的獲取及光電轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)屋頂光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)將光伏組件進(jìn)行合理串并聯(lián)后，接入防雷匯流箱，根據(jù)光伏逆變器的容量配置分路接入直流配電柜，就完成了光伏直流電源的匯集過程。直流配電柜的出口按額定功率匹配接入并網(wǎng)逆變器，經(jīng)過逆變器將直流電流轉(zhuǎn)換為并入電網(wǎng)的交流電流，如逆變器的輸出電壓和并網(wǎng)電壓不相等，就需要經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換為同步的交流電壓后再并入電網(wǎng)。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件的選型

光伏組件按光電池材料不同可分為晶硅組件、薄膜組件及聚光組件。

晶硅組件又細(xì)分為單晶組件、多晶組件、高效多晶組件，其光電能量轉(zhuǎn)換效率在15%～20%之間，整體性價(jià)比較高，是目前應(yīng)用最為廣泛的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換材料。

薄膜組件具有生產(chǎn)成本低、便于大面積連續(xù)生產(chǎn)、可制成柔性卷曲形狀等特點(diǎn)。目前已能產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜太陽(yáng)能電池主要有硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池（CIGS）和碲化鎘薄膜電池（CdTe）。薄膜電池轉(zhuǎn)換率在6%～8%之間，轉(zhuǎn)化率不高是制約薄膜電池組件發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

聚光組件的優(yōu)勢(shì)在于其采用廉價(jià)的光學(xué)材料來(lái)代替昂貴的硅電池材料，且轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到40%，遠(yuǎn)高于普通太陽(yáng)能電池。不足之處是該電池組件需要冷卻裝置，聚光鏡體積較大，整體價(jià)格較高。

綜上所述，按經(jīng)濟(jì)、可靠、易擴(kuò)展的原則，設(shè)計(jì)擬采用晶硅組件。采用相同功率、不同材料的晶硅組件在同一環(huán)境下進(jìn)行比較試驗(yàn)。3個(gè)月的試驗(yàn)顯示，單晶組件的發(fā)電量最高，多晶組件稍低，高效多晶組件接近單晶組件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同材料光伏組件發(fā)電性能比較

目前單晶組件的價(jià)格最高，其次為高效多晶組件和多晶組件?？紤]性價(jià)比及設(shè)計(jì)目的，該設(shè)計(jì)采用多晶組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件。選用的組件外形尺寸為1665mm×991mm×50mm，單組功率為220 W，具體組件參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)選用的多晶組件技術(shù)參數(shù)

2.2 光伏陣列的布局設(shè)計(jì)

2.2.1 確定光伏陣列的最佳傾角

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角，通過調(diào)整組件的放置支架得到。光伏組件支架有可變傾角和固定傾角2種形式?？勺儍A角適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)；固定傾角支架相對(duì)較為簡(jiǎn)單，一般按能獲得全年最大輻射量的組件放置角度來(lái)制作。該設(shè)計(jì)規(guī)模較小，主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與驗(yàn)證，故文中采用固定傾角方式的支架。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，南京地區(qū)正南向坡面的分月總輻射最佳傾角隨季節(jié)變化而各不相同。全年各月最佳輻射傾角的平均值為26.4°，將該角度設(shè)定為放置光伏組件支架的水平傾角。

2.2.2 確定光伏組件陣列間距

光伏陣列間距的確定原則是冬至日當(dāng)天9:00至15:00，光伏陣列不會(huì)相互遮擋，一般按以下方式確定最小間距。

首先按式（1）和式（2）計(jì)算出南京地區(qū)太陽(yáng)高度角α和方位角β[3]。

式中：φ為緯度，南京為北緯32.4°；δ為太陽(yáng)赤緯，冬至日為-23.5°；ω為時(shí)角，9:00時(shí)角為45°。通過計(jì)算可得：sinα=0.3338 ，可知南京地區(qū)太陽(yáng)高度角α為19.5°；sinβ=0.6334 ，可知南京地區(qū)太陽(yáng)方位角β為39.3°。然后由式（3）確定陣列間距：

式中：D為陣列間距；H為陣列高度。因采用固定傾角的支架，由表2已知組件長(zhǎng)度為1.665 m，南京地區(qū)光伏最佳傾角為26.4°，陣列高度為：H=1.665×sin26.4=0.74 m，可算得陣列間距D為1.6 m。

因此，光伏陣列支架應(yīng)按1.6 m的間距來(lái)布置，以達(dá)到在取得最佳光伏傾角的同時(shí)，最大限度地利用有限屋頂面積資源的目的。

2.2.3 光伏組件陣列的布置

設(shè)計(jì)中可供布置光伏發(fā)電系統(tǒng)的樓頂有效面積為7500m2，長(zhǎng)約60 m，寬約15 m，綜合考慮光伏組件外形及間距，可以由南向北擺放5行組件，每行50片，共可放置250片功率為225 W的多晶光伏組件，總功率約56kW。組件布置設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮屋面承重、防水，組件抗風(fēng)、防雷等問題[4]。該設(shè)計(jì)采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個(gè)整體，固定在屋面承重梁上，架體分段與屋面防雷帶相連，解決了承重、防水、抗風(fēng)、防雷等問題。

2.3 光伏逆變器的選型及分組匹配

設(shè)計(jì)中采用SG 20KTL并網(wǎng)光伏逆變器，其部分電氣參數(shù)如表3所示。

表3 并網(wǎng)逆變器SG 20KTL電氣參數(shù)

因每片光伏組件輸出電壓只有29.6V，遠(yuǎn)低于逆變器需要的直流輸入電壓，所以必須適當(dāng)串聯(lián)才能滿足逆變器對(duì)輸入電壓的要求。串聯(lián)的原則是最高溫度時(shí)最佳工作電壓不低于光伏逆變器的MPPT最小電壓，否則會(huì)出現(xiàn)功率失真；最低溫時(shí)開路電壓不能高于光伏逆變器的最大輸入電壓，否則可能會(huì)損壞逆變器。結(jié)合所選光伏組件的相關(guān)參數(shù)，可以確定光伏組件最大和最小串聯(lián)數(shù)。

組件最小串聯(lián)數(shù)=逆變器最小輸入電壓/組件高溫最優(yōu)輸出電壓=380/29.6=13；組件最大串聯(lián)數(shù)=逆變器最大輸入電壓/組件低溫開路電壓=800/36.7=21。

逆變器選定后，可確定組件的串聯(lián)片數(shù)應(yīng)在13～21片之間，串聯(lián)后組件滿足了逆變器對(duì)輸入直流電壓的要求，還必須將多路串聯(lián)組件再進(jìn)行合理的并聯(lián)，使組件總功率達(dá)到逆變器的設(shè)計(jì)功率，減少逆變器的資源浪費(fèi)。

該設(shè)計(jì)中，組件總功率約56kW，逆變器額定輸出功率為20kW，需將組件平均分為3組接入3臺(tái)逆變器，結(jié)合組件的屋頂布置情況，及逆變器的功率匹配設(shè)計(jì)，對(duì)原來(lái)按面積布置確定的組件數(shù)量進(jìn)行了微調(diào)，最終確定該光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際組件總數(shù)為240片，總功率54kW。每臺(tái)逆變器接入80片組件，分為5個(gè)串聯(lián)組，每組16片組件串聯(lián)，工作電壓為473.6V，輸入功率為18kW。

2.4 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

屋頂光伏組件的輸出電流經(jīng)匯流箱、并網(wǎng)柜、逆變器后，可直接作為電源驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。亦可切換到外部三相電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，還需要綜合設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等配套設(shè)施，如圖2所示。

2.4.1 防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷電主要有直擊雷和感應(yīng)雷2種。直擊雷是指直接落到太陽(yáng)能電池陣列、電氣設(shè)備等上面或附近的雷擊，防直擊雷主要依靠避雷針。該系統(tǒng)處于屋頂四周女兒墻的下方，設(shè)計(jì)采用將光伏系統(tǒng)的所有鋼結(jié)構(gòu)與屋頂?shù)姆览拙W(wǎng)相連，以達(dá)到防直擊雷的目的。感應(yīng)雷主要由電磁感應(yīng)或靜電現(xiàn)象產(chǎn)生，感應(yīng)雷產(chǎn)生的電磁浪涌會(huì)損壞電氣設(shè)備，甚至引起火災(zāi)，根據(jù)SJ/T1127的相關(guān)規(guī)定，該系統(tǒng)通過在直流接口設(shè)備、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜的各輸入端口設(shè)置浪涌保護(hù)器來(lái)防護(hù)侵入系統(tǒng)的感應(yīng)雷電。

2.4.2 保護(hù)及測(cè)控系統(tǒng)配置

該設(shè)計(jì)采用的逆變器具有RS232/RS485和以太網(wǎng)通信功能，系統(tǒng)的電流、電壓、發(fā)電量等參數(shù)可以由通信方式實(shí)時(shí)獲得，該逆變器還具有對(duì)系統(tǒng)直流、交流兩側(cè)開關(guān)的手動(dòng)/遙控分?jǐn)嗪捅Ｗo(hù)功能，以及先進(jìn)的孤島效應(yīng)檢測(cè)和防護(hù)功能。逆變器保護(hù)范圍以外，如匯流箱的輸入開關(guān)、并網(wǎng)變壓器開關(guān)等設(shè)備，設(shè)計(jì)中也配置了斷路保護(hù)器、狀態(tài)監(jiān)視器等設(shè)施，從而保證了全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

按方案建設(shè)的屋頂太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)已正式運(yùn)行，月均發(fā)電量約6000kW·h，系統(tǒng)負(fù)荷切換正常，系統(tǒng)相關(guān)防雷、保護(hù)、電氣測(cè)量等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為建筑內(nèi)蓄電池組和照明用電提供了環(huán)保的清潔能源。該屋頂發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施，為今后大型太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)；也為太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)相關(guān)的計(jì)量、控制、保護(hù)裝置掛網(wǎng)運(yùn)行提供了便利條件；還在防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、支架設(shè)計(jì)等相關(guān)方面獲取了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

[1] 王長(zhǎng)貴，崔榮強(qiáng).新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

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