太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在黃河水院的應(yīng)用

葛蕓萍，劉金浦

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475001）

0 引言

環(huán)境污染加劇，傳統(tǒng)石化能源日益枯竭，可再生能源的需求越來越緊迫。太陽能作為一種清潔能源，具有取材方便、成本低廉的優(yōu)勢，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，隨著能源問題的進一步惡化和人們對環(huán)境問題認識的深入，越來越多的建筑開始使用清潔、節(jié)能的太陽能發(fā)電裝置［1］。

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （以下簡稱黃河水院）校園建筑有教學(xué)樓組團、實驗實訓(xùn)樓組團、學(xué)生宿舍樓組團，建筑類型一般為多層既有建筑。各類樓群的坐向各異，屋頂面積45 000 m2。根據(jù)校園建筑特點，結(jié)合氣象資料、太陽輻射資源分析，開發(fā)建設(shè)了2 MWp太陽能光伏發(fā)電工程。

1 黃河水院2MWp太陽能光伏發(fā)電工程系統(tǒng)設(shè)計

1．1 光伏發(fā)電工程技術(shù)方案選擇

校園太陽能光伏系統(tǒng)就是建設(shè)太陽能光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為并網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)和離網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)兩大類。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要配備大容量的蓄電池來儲能，這不僅增加了系統(tǒng)的投資，還要提供足夠的空間和合適的環(huán)境來放置這些蓄電池［2～3］。綜合考慮學(xué)院的實際情況，最終選擇了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

結(jié)合黃河水院已有建筑的特點及節(jié)能要求，校園太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案為，將光伏方陣直接鋪設(shè)在建筑物屋面上，以充分接收太陽光，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率。將所收集的太陽能電源升壓至10 kV電壓等級后，并入當?shù)仉娏ο到y(tǒng)。

1．2 光伏發(fā)電工程系統(tǒng)原理

2 MWp太陽能光伏發(fā)電工程并網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏陣列，并網(wǎng)逆變設(shè)備，數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，陣列架體，交、直流電力網(wǎng)絡(luò)，交流配電柜組成。此外，為彰顯效果，特設(shè)LED顯示屏一塊，以顯示系統(tǒng)運行狀況及相關(guān)數(shù)據(jù)。2 MWp太陽能光伏發(fā)電工程系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Photovoltaic system

1．3 光伏發(fā)電工程系統(tǒng)設(shè)計

該太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的模式，即根據(jù)屋頂面積及方位的不同，將系統(tǒng)分成若干個小型光伏并網(wǎng)發(fā)電單元。各發(fā)電單元通過并網(wǎng)逆變裝置使輸出電壓達到270 V，再經(jīng)過變壓器升壓，將整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入10 kV的中壓交流電網(wǎng)，進行并網(wǎng)發(fā)電。

經(jīng)統(tǒng)計，黃河水院用電情況為：教學(xué)樓、校園照明用電814.805 kW+140.29 kW＝955.095 kW，食堂、學(xué)生公寓用電145.417 kW+946.6 kW＝1 092 kW；各系部實訓(xùn)樓用電3 675.581 kW。

依據(jù)黃河水院用電情況、校園建筑和現(xiàn)有電力變壓器的位置情況，該太陽能光伏發(fā)電工程將學(xué)生宿舍樓、食堂、行政樓作為一個單元，在食堂的東側(cè)7#變壓器處設(shè)置一組光伏發(fā)電設(shè)備；教學(xué)樓作為一個單元，在一號教學(xué)樓內(nèi)的4#變壓器處設(shè)置一組光伏發(fā)電設(shè)備；各系部實訓(xùn)樓作為一個單元，在4#實訓(xùn)樓南側(cè)3#箱式變壓器處設(shè)置兩組光伏發(fā)電設(shè)備。光伏發(fā)電單元系統(tǒng)原理如圖2所示。

2 校園2MWp太陽能光伏發(fā)電工程系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計

每組光伏發(fā)電設(shè)備包括：1套電池組件、1臺干式變壓器、1臺并網(wǎng)逆變器、1個直流配電柜，1個防逆流控制柜和1個交流開關(guān)柜。

2．1 電池組件的安裝設(shè)計

光伏電池組件安裝在教學(xué)樓、辦公樓、食堂、行政樓等建筑物的屋頂。根據(jù)屋頂面積和屋頂平面實際情況，本項目的電池組件采用235 Wp單晶硅電池組件，峰值功率為235 Wp。

在設(shè)計中，光伏組件方陣的放置形式和放置傾角對光伏系統(tǒng)接收到的太陽輻射有很大的影響，從而影響到光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力。因此，確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的重要環(huán)節(jié)［4］。該項目所在地的地理位置為北緯 34.82°、東經(jīng)114°31′，屋頂光伏系統(tǒng)的組件支架傾角可設(shè)計為30°，以獲取全年最大的太陽輻射量。

光伏方陣陣列間距垂直距離應(yīng)不小于D。

式中：φ為緯度：34°N；H為光伏方陣陣列與可能被遮擋組件底邊高度差，本設(shè)計中H＝0.7。

經(jīng)計算，D＝1.5m。本方案陣列前后間距設(shè)計為1.5m。

2．2 直流匯流箱和直流配電柜

為了方便維護、提高可靠性，并減少光伏組件與逆變器之間連接線的長度，一般需要在光伏組件與逆變器之間增加直流匯流裝置［5］。本系統(tǒng)采用GSL-7A10Q1-900W防雷匯流箱。該匯流箱可同時接入10路太陽能電池串列，每路電流可達7 A；接入最大光伏串列的開路電壓值可達1000 V；保險絲的耐壓值不小于DC1000V；配有光伏專用高壓防雷器，正極負極都具備防雷功能。

直流匯流箱和直流匯流柜接線前，要確認所有開關(guān)均處于“斷開”狀態(tài)，接地端子可靠接地，然后再正確接線。否則，有發(fā)生觸電、火災(zāi)、損害設(shè)備的危險。

2．3 逆變器

圖2 光伏發(fā)電單元系統(tǒng)原理圖Fig.2 Photovoltaic unit system principle

光伏并網(wǎng)逆變電源能將光伏組件發(fā)出的直流電逆變成符合相關(guān)電網(wǎng)入網(wǎng)要求的交流電，是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心控制設(shè)備。它擔負著系統(tǒng)的DC／AC轉(zhuǎn)換任務(wù)，準確控制轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波含量等重要指標，同時還負責光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)各部分與公共電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，并在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，對系統(tǒng)進行保護。本系統(tǒng)采用GSG-500KTT-LV光伏并網(wǎng)逆變電源。

2．3．1 逆變電源結(jié)構(gòu)

逆變電源電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 逆變電源結(jié)構(gòu)圖Fig.3 DC-AC structure

逆變器設(shè)置有高性能濾波電路，使得逆變器的交流輸出電能質(zhì)量很高，不會對電網(wǎng)質(zhì)量造成污染。在輸出功率≥50%額定功率、電網(wǎng)波動＜5%時，所選用的逆變器的交流輸出電流總諧波分量 （THD）＜3%。本系統(tǒng)所選用的逆變器為并網(wǎng)型逆變器，在運行過程中，實時采集交流電網(wǎng)的電壓信號，通過閉環(huán)控制，使逆變器的交流輸出相位與電網(wǎng)保持一致。

2．3．2 接線與運行

該逆變器采用橋接件接線方法，即將導(dǎo)線對接到具有相同線標的橋接端子上。本設(shè)備有兩個通道的直流輸入，每個通道可接8路光伏輸入。其接線步驟為：（1）斷開直流側(cè)斷路器，保證直流側(cè)接線不帶電；（2）用萬用表測量光伏陣列的開路電壓（不超過900 V）；（3）確認正負極接線端后，將光伏陣列的正極連到直流輸入的“+”上，將負極連到直流輸入的“-”上。

在交流電網(wǎng)接線時，應(yīng)斷開交流一側(cè)斷路器，保證交流一側(cè)不帶電接線。光伏并網(wǎng)逆變電源的并網(wǎng)過程都是自動的，無需人為干預(yù)和控制。系統(tǒng)檢測到是否滿足并網(wǎng)發(fā)電條件的同時，也會檢測光伏陣列是否有足夠的能量。當滿足條件后，就會進入并網(wǎng)發(fā)電模式。在并網(wǎng)發(fā)電過程中，逆變電源一直以最大功率點跟蹤（MMPT）方式工作，使光伏陣列輸出的能量最大。若太陽光較弱、發(fā)電量很小，逆變電源就進入待機模式。當光伏陣列電壓大于470V時，逆變電源會自動切換到并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。

3 校園2 MWp太陽能光伏發(fā)電工程經(jīng)濟效益分析

3．1 技術(shù)經(jīng)濟分析

校園2 MWp太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為78%。本系統(tǒng)預(yù)計年發(fā)電量為217.86萬kWh，費效比為1.36元／kWh。系統(tǒng)總投資5 336.47萬元，其中：政府補貼政策為補貼16.9元／W，共補貼3 387.6萬元，其余1 948.87萬元為學(xué)院自籌。

通過財務(wù)指標計算和分析，本項目稅后財務(wù)內(nèi)部收益率為13.84%，投資回收期為7.64年（含建設(shè)期），投資利潤率1.32%。這說明項目有一定的盈利能力，經(jīng)濟上可行。

3．2 節(jié)能效益分析

光伏發(fā)電既不直接消耗資源，又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體，破壞大氣環(huán)境，因此，有利于保護周圍環(huán)境。

目前，我國發(fā)電耗煤為平均390 g標煤／kWh。本光伏電站預(yù)計年發(fā)電量217.86萬kWh，年可節(jié)約標煤849.65 t。若該電站使用壽命按25年計，總計可節(jié)約標煤2 1241.35t。若火電站發(fā)電1 kWh排放CO21.4 kg，該光伏電站每年減排二氧化碳3 050.04 t；25年減排二氧化碳 7 6251 t。

4 結(jié)語

黃河水院2 MWp太陽能光伏發(fā)電工程屬示范性建設(shè)項目，與相同發(fā)電量的火電廠相比，該項目每年可為電網(wǎng)節(jié)約標煤849.65 t。在其經(jīng)濟使用壽命25年使用期內(nèi)，將光電轉(zhuǎn)換效率衰減因素計算在內(nèi)，該類光伏發(fā)電項目總共節(jié)省標煤21 241.35 t，共減排溫室氣體CO2約76 251 t。通過該示范工程建設(shè)，可以提高人們對太陽能發(fā)電的認識，為高校校園開發(fā)利用建筑物的空間積累經(jīng)驗，為高新技術(shù)開發(fā)、推廣起到示范引領(lǐng)作用。

［1］胡阿芹，孟棋．我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究［J］．湖北社會科學(xué)，2011（4）:92-95．

［2］柴玉梅，王峰．某15MW太陽能屋頂光伏發(fā)電工程的應(yīng)用分析［J］．節(jié)能，2010（9）:24-26．

［3］鄭文英，周威．太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用［J］．變頻器世界， 2011（5）:34-37．

［4］趙書安．太陽能光伏發(fā)電及應(yīng)用技術(shù)［M］．南京:東南大學(xué)出版社，2011:106．

［5］趙春江．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展［J］．創(chuàng)新與技術(shù)，2011:56-63．