太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效益分析

廖世凱，李 琛

（國(guó)網(wǎng)孝感供電公司，湖北 孝感432000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)能源的供應(yīng)日趨緊張，而傳統(tǒng)能源的不可再生性更是加重了人類社會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的擔(dān)憂。人類對(duì)新能源的需求與日俱增，渴望用可再生能源來代替資源有限、污染環(huán)境的常規(guī)能源。太陽(yáng)能作為一種定性的清潔能源，以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電是人們對(duì)太陽(yáng)能利用的一種方式，是一種環(huán)保、清潔的可再生能源。它對(duì)于優(yōu)化能源戰(zhàn)略、改善電源結(jié)構(gòu)、提高電源保障、節(jié)能減排、提高環(huán)境質(zhì)量是非常有利的。

本文以湖北孝感地區(qū)農(nóng)業(yè)光伏科技大棚屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為實(shí)際案例，介紹屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳方案設(shè)計(jì)過程，分析太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電工程的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、直流匯流箱、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置、交流配電裝置及遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等部分組成。

目前，光伏組件主要分為晶體硅太陽(yáng)能電池組件和非晶薄膜電池組件。晶體硅太陽(yáng)能電池組件用高透光率低鐵鋼化玻璃、抗老化EVA和優(yōu)良耐火性背板熱壓密封而成，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14%～17%，具有效率高、壽命長(zhǎng)、安裝方便、抗風(fēng)、抗冰雹能力強(qiáng)等特性。非晶薄膜電池組件用只有幾微米厚的半導(dǎo)體材料，厚度不足晶體硅電池的百分之一，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%～6．5%。這些半導(dǎo)體薄層可以附著在如玻璃、活性塑料或不銹鋼薄板等廉價(jià)的基片上。非晶薄膜電池組件具有卓越的弱光發(fā)電性、隔熱保溫性和防孤島效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。在同樣發(fā)電量和相同功率的情況下，非晶硅太陽(yáng)能薄膜電池的成本低于晶體硅太陽(yáng)能電池，被認(rèn)為是當(dāng)前最有可能實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本接近上網(wǎng)電價(jià)的技術(shù)。

1．2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及原理［1，2］

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、組件支架、逆變器、防雷匯流箱、交流保護(hù)開關(guān)、直流開關(guān)和電能計(jì)量等裝置組成，當(dāng)逆變器的輸出電壓和并網(wǎng)電壓不相等時(shí)，還需另外配置升壓變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)橥降慕涣麟姾蟛⑷腚娋W(wǎng)。

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池組件安裝在屋頂，當(dāng)有陽(yáng)光時(shí)，逆變器將光伏組件所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)變成正弦交流電，產(chǎn)生的交流電可以直接作為電源驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，也可切換到外部公用電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)小型光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。在陰雨天或夜晚，太陽(yáng)電池組件沒有產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)由電網(wǎng)供電。為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，需綜合考慮防雷系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)組成原理圖如圖1。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成原理框圖

2 案例設(shè)計(jì)

2．1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該工程項(xiàng)目是湖北孝感地區(qū)農(nóng)業(yè)光伏科技大棚屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立在孝感地區(qū)農(nóng)業(yè)光伏科技大棚屋頂，可利用面積為33．69×104m2，裝機(jī)容量為15 MW。其中晶體硅太陽(yáng)能電池組件裝機(jī)容量為14．7572 MW，非晶薄膜電池組件裝機(jī)容量為0．2428 MW。

2．2 自然條件

湖北孝感地區(qū)日照充分，太陽(yáng)能資源富足，屬太陽(yáng)能資源的三類地區(qū)，是我國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)。根據(jù)孝感地區(qū)多年氣象資料分析，其日照小時(shí)數(shù)年 平 均 為2 350～2 700 h。 年 太 陽(yáng) 能 總 輻 射 為5 582 MJ／m2左右。因此，適合建立太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電工程。

2．3 光伏組件的選擇

光伏組件目前主要有晶硅組件、薄膜組件及聚光組件等，晶硅組件的性價(jià)比高，薄膜組件存在轉(zhuǎn)換率低的缺點(diǎn)，聚光組件價(jià)格較高。

晶硅組件又分為單晶硅組件、多晶硅組件、高效組件。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果［3］，同等條件下單晶硅組件的發(fā)電量最高。所以本設(shè)計(jì)采用晶硅組件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同材料的光伏組件性能比較

2．4 總平面布置

該工程項(xiàng)目涉及了103棟建筑物，根據(jù)屋頂形狀、屋頂載荷限制及發(fā)電量、光伏組件的安裝方式等因素，確定光伏系統(tǒng)組件的傾斜角度，在條件允許的情況下得到最大的發(fā)電量。屋頂組件可以采用傾斜角度0°和15°兩種安裝方式。

2．5 光伏組件方陣布局設(shè)計(jì)

2．5．1 傾角支架方式確定

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件支架分可變傾角和固定傾角兩種，最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角。由于可變傾角支架投入較大，維護(hù)復(fù)雜，適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)；而固定傾角支架相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于屋頂?shù)刃⌒凸夥l(fā)電系統(tǒng)。

2．5．2 傾角計(jì)算［4，5］

太陽(yáng)能電池組件安裝角度會(huì)對(duì)其發(fā)電量產(chǎn)生較大的影響。為了增加光伏電站的年發(fā)電量，電池板應(yīng)朝向正南方向，并與地平面保持一定夾角，相關(guān)計(jì)算如下：

（1）按公式計(jì)算孝感地區(qū)中午時(shí)分太陽(yáng)高度角α和方位角γ

式中，Φ為經(jīng)度，孝感地區(qū)為北緯30．56°；δ為太陽(yáng)赤緯角，冬至日為－23．5°；ω為時(shí)角，9：00時(shí)角為45°。

計(jì)算可知：

故孝感地區(qū)太陽(yáng)高度角α為20．83°。

sinγ＝cos（－23．5）sin45／cos20．83＝0．6938

故孝感地區(qū)太陽(yáng)方位角γ為46．07°。

（2）最佳傾角確定

傾斜面光伏陣列表面的太陽(yáng)輻射量：

計(jì)算日輻射量的公式：

式中，Rβ為 傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量；D為散射輻射量，假定D與斜面傾角無關(guān)；S為水平面上的太陽(yáng)直接輻射量；β為光伏陣列傾角；α為孝感地區(qū)中午時(shí)分的太陽(yáng)高度角。

根據(jù)孝感地區(qū)氣象局提供的太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)，按上述公式計(jì)算不同傾斜面的太陽(yáng)輻射量，得出光伏矩陣傾角為36°時(shí)，傾斜面上所接受的太陽(yáng)輻射量最大，相應(yīng)的發(fā)電量也就最多。本設(shè)計(jì)傾角采用36°夾角設(shè)計(jì)。

2．5．3 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)互相遮擋，一般按以下陣列間距公式確定最小間距：

式中，D為光伏組件陣列間距；H為陣列高度；α＝20．83°；γ＝46．07°。

本項(xiàng)目采用固定傾角方式，組件支架長(zhǎng)度為1．642 m，孝感地區(qū)最佳傾角為36°，可以得出陣列高度H＝1．642×sin36＝0．97 m。

陣列間距D＝cos 46．07×0．97／tan20．83＝1．77。

2．5．4 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、可行性研究和經(jīng)濟(jì)效益論證，提出該項(xiàng)目采用分散發(fā)電、單點(diǎn)并網(wǎng)、就地和集中監(jiān)控的技術(shù)方案。即整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)由若干個(gè)分光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，每套光伏系統(tǒng)配有完善的通訊監(jiān)控系統(tǒng)，包括1套數(shù)據(jù)采集單元及1套計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)采集單元采集環(huán)境參數(shù)與逆變器運(yùn)行參數(shù)，將光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等環(huán)境變量和系統(tǒng)的電壓、電流、相位、功率因數(shù)、頻率、發(fā)電量等系統(tǒng)變量通過RS485傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)控。設(shè)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制中心，各發(fā)電系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程通訊傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)方便區(qū)域的電網(wǎng)調(diào)度管理。

2．5．5 光伏組件陣列的布置和安裝

為了解決屋面的承重能力、防水能力、組件抗風(fēng)、防雷及陰影遮擋等問題，本設(shè)計(jì)采用鋁合金支架將所有組件連接為一個(gè)整體，固定在屋頂?shù)某兄亓荷?，支架與屋面防雷系統(tǒng)相連，有效解決了承重、防水、抗風(fēng)及防雷問題。

3 效益分析［6］

該工程總投資為3．8億元，政府財(cái)政補(bǔ)貼為1．9億元，主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由上述經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可知，該農(nóng)業(yè)光伏科技大棚項(xiàng)目為國(guó)家扶持的光伏發(fā)電示范工程，享受政府投資補(bǔ)貼50%的優(yōu)惠政策，因而經(jīng)濟(jì)效益較好。該項(xiàng)目建成后，每年減少CO2排放量20 901 t，每年減少SO2排放量630 t，每年減少氮化物排放量310 t，對(duì)于湖北省發(fā)展新能源和城鎮(zhèn)化建設(shè)影響深遠(yuǎn)。

4 結(jié) 論

太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電工程對(duì)于優(yōu)化能源戰(zhàn)略、改善電源結(jié)構(gòu)、提高電源保障、節(jié)能減排、提高環(huán)境質(zhì)量是非常有利的。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，闡述了設(shè)計(jì)思路和過程，為今后開展屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。此外通過經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益的分析可以看出，雖然屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的一次投資比較大，但是能享受政府投資補(bǔ)貼50%的優(yōu)惠政策，同時(shí)光伏發(fā)電可以減輕礦物能源燃燒給環(huán)境造成的污染，從而使太陽(yáng)能屋頂光伏發(fā)電工程能夠帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 楊洪興，周 偉．太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)工業(yè)出版社，2009．

［2］ 沈 輝，曾祖勤．太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［3］ 李寧峰．屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．江蘇電機(jī)工程，2011，（03）：43－45．

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［6］ 沈 陽(yáng)，朱先峰．光伏屋頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及效益分析［J］．太陽(yáng)能，2009，（11）：50－51．