民用建筑光伏供電系統(tǒng)電氣仿真設(shè)計(jì)

魏立明, 徐 鵬(吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130118)

民用建筑光伏供電系統(tǒng)電氣仿真設(shè)計(jì)

*魏立明, 徐 鵬
(吉林建筑大學(xué) 電氣與電子信息工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130118)

以北方某住宅小區(qū)為例,利用PVSyst軟件對(duì)小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行了電氣仿真設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,光伏系統(tǒng)光伏方陣總裝機(jī)容量為21.6 kWp,并網(wǎng)逆變器每日輸出電能為76.667 kWh,可滿足1 867 m2地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。

民用建筑; 光伏系統(tǒng); 電氣設(shè)計(jì); PVSyst軟件

0 引 言

民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)作為建筑電氣設(shè)計(jì)的一部分,應(yīng)與建筑電氣設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。光伏系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)滿足建筑電氣設(shè)計(jì)要求,不能降低建筑電氣系統(tǒng)的整體標(biāo)準(zhǔn)。

本文以北方某住宅小區(qū)為例,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件PVSyst對(duì)小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明光伏供電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真。

1 設(shè)計(jì)方案

小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明一般為三級(jí)用電負(fù)荷,允許光伏系統(tǒng)作為電源提供24 h電能。小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明光伏供電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案如圖1所示。光伏方陣設(shè)置在建筑屋頂,系統(tǒng)采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的不可調(diào)度式系統(tǒng),在峰值日照時(shí)段,光伏方陣產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)中,有剩余時(shí)輸送到公共電網(wǎng);當(dāng)電能不足時(shí),由公共電網(wǎng)補(bǔ)充。仿真設(shè)計(jì)選擇YGE60Cell系列YL225P-29b高效率多晶硅光伏組件,組件的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)13.78%,10 a的峰值輸出功率不低于91.2%,25 a的峰值輸出功率不低于80.7%。

圖1 小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明光伏供電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案

仿真設(shè)計(jì)建筑為坐北朝南的正房,其上光伏方陣的方位角為正南方向0°,建筑屋頂A、B、C三個(gè)區(qū)域?yàn)?0°斜坡屋面。模擬設(shè)計(jì)建筑立面圖如圖2所示。為了增加可行性,A、B、C三個(gè)區(qū)域的光伏方陣平鋪在斜坡屋面上,組件傾角為30°。屋頂D、E、F三個(gè)區(qū)域?yàn)槠矫?為了避免遮擋A、B、C三個(gè)區(qū)域的光伏方陣,并且保證組件表面不會(huì)積雪、積塵,組件傾角設(shè)計(jì)為10°。在不考慮不利條件的情況下,軟件計(jì)算的光伏組件最佳傾角應(yīng)為43°,組件平面的最大輻射量為1 791 kWh/m2。選取A、B、C、D、E、F六個(gè)區(qū)域設(shè)置光伏方陣,根據(jù)它們的寬度和光伏方陣的最小間距,六個(gè)區(qū)域均只能設(shè)置一排光伏方陣。光伏組件寬度為990 mm,根據(jù)計(jì)算并留出便于光伏組件和電氣裝置安裝和維護(hù)的距離,A、C區(qū)域可設(shè)置一排由13個(gè)光伏組件組成的光伏方陣,D、F區(qū)域可設(shè)置一排由17個(gè)光伏組件組成的光伏方陣,B區(qū)域可設(shè)置一排由16個(gè)光伏組件組成的光伏方陣,E區(qū)域可設(shè)置由20個(gè)光伏組件組成的光伏方陣。由于模擬設(shè)計(jì)不受資金的限制,選擇了6臺(tái)Centrosolar并網(wǎng)逆變器。建筑屋頂平面部分的光伏方陣裝機(jī)容量為12.15 kWp,匹配3臺(tái)PS5000op/MV型并網(wǎng)逆變器;建筑屋頂斜面部分的光伏方陣裝機(jī)容量為9.45 kWp,匹配3臺(tái)PS3000op/MV型并網(wǎng)逆變器。

圖2 模擬設(shè)計(jì)建筑立面圖(mm)

2 光伏組串

結(jié)合光伏組件和逆變器的參數(shù),將建筑屋頂平面部分的光伏方陣分成3個(gè)光伏組串,每個(gè)組串有18個(gè)光伏組件,串聯(lián)數(shù)目為9,并聯(lián)數(shù)目為2;將建筑屋頂斜面部分的光伏方陣分成3個(gè)光伏組串,每個(gè)組串有14個(gè)光伏組件,串聯(lián)數(shù)目為7,并聯(lián)數(shù)目為2。建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)框圖

在利用軟件模擬設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,能顯示選擇的光伏組件和逆變器及光伏系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。光伏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示?？芍?平面部分光伏方陣中光伏組串的最大電壓為371 V,滿足小于光伏組件系統(tǒng)電壓1 000 V和逆變器最大直流輸入電壓450 V;逆變器的最大功率點(diǎn)電壓跟蹤控制范圍為125～350 V,光伏組串的最高、最低最大功率點(diǎn)電壓分別為270 V、220 V;光伏組串的最大電流為16.8 A,滿足小于逆變器的最大直流輸入電流30 A。

圖4 光伏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

同理,建筑屋頂斜面部分光伏方陣中光伏組串的最大電壓為288 V,滿足小于光伏組件系統(tǒng)電壓1 000 V和逆變器最大直流輸入電壓450 V;逆變器的最大功率點(diǎn)電壓跟蹤控制范圍是125～350 V,光伏組串的最高、最低最大功率點(diǎn)電壓分別為210 V、171 V;光伏組串的最大電流為16.8 A,滿足小于逆變器的最大直流輸入電流20 A。光伏方陣與逆變器匹配性能曲線如圖5所示。由圖5可以看出,光伏方陣與逆變器匹配良好,光伏方陣與逆變器的容量比為1.01,處在可控范圍內(nèi)。

圖5 光伏方陣與逆變器匹配性能曲線

3 系統(tǒng)發(fā)電量仿真

建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)的發(fā)電量仿真結(jié)果表明,平面部分光伏方陣裝機(jī)容量為12.15 kWp,經(jīng)逆變器交流輸出為12 kW,年發(fā)電量為15 254 kWh,日發(fā)電量為41.796 kWh,峰瓦發(fā)電量為3.44 kWh。建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量數(shù)據(jù)如表1所示。其中EGH為水平面太陽(yáng)能輻射量,T為環(huán)境溫度,EGI為入射到組件平面的太陽(yáng)能輻射量,EGE為組件平面除去損失后接收的有效太陽(yáng)能輻射量,E1為光伏方陣輸送到逆變器的有效電量,E2為光伏系統(tǒng)向負(fù)荷或公共電網(wǎng)輸送的有效電量,r1為單位面積光伏方陣輸送到逆變器的有效電量與水平面太陽(yáng)能輻射量之比,r2為單位面積光伏方陣向負(fù)荷或公共電網(wǎng)輸送的有效電量與水平面太陽(yáng)能輻射量之比。建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量損失:太陽(yáng)光透過(guò)組件時(shí)組件玻璃反射產(chǎn)生的損失占4%,弱光等導(dǎo)致輻射量變化產(chǎn)生的損失占2%,組件溫度變化產(chǎn)生的損失占4.1%,光伏組件質(zhì)量差異產(chǎn)生的損失占1.5%,組件匹配性產(chǎn)生的損失占1%,線纜電阻產(chǎn)生的損失占0.8%,逆變器逆變效率產(chǎn)生的損失占6.6%。

表1 建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量詳細(xì)數(shù)據(jù)

建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量如圖6所示。由圖6可見(jiàn),超過(guò)平均峰瓦發(fā)電量3.44 kWh的月份有2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月、9月共8個(gè)月,說(shuō)明適合利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電。 建筑屋頂斜面部分光伏系統(tǒng)的發(fā)電量仿真結(jié)果表明,斜面部分光伏方陣裝機(jī)容量為9.45 kWp,經(jīng)逆變器交流輸出為8.25 kW,年發(fā)電量為12 712 kWh,日發(fā)電量為34.871 kWh,峰瓦發(fā)電量為3.69 kWh。因此,該建筑屋頂光伏系統(tǒng)光伏方陣總裝機(jī)容量為21.6 kWp,經(jīng)逆變器交流輸出為20.25 kW,年發(fā)電量為27 966 kWh,日發(fā)電量為76.667 kWh。

圖6 光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量

4 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)

儲(chǔ)能環(huán)節(jié)電氣設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)電氣設(shè)計(jì)方案

小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明用電負(fù)荷為1.2 kW,每日工作24 h,日用電能為28.8 kWh,蓄電池自給天數(shù)為1 d,蓄電池平均放電時(shí)間為48 h,環(huán)境溫度為25 ℃,修正系數(shù)為1。選擇A600 6 OPzV淺循環(huán)型鉛酸蓄電池,額定電壓為2 V,在10 h放電率、環(huán)境溫度25 ℃時(shí)的額定容量為326 Ah,允許最大放電深度為0.5。選擇SN220 20KSD1型離網(wǎng)逆變器,輸入額定電壓為DC 220 V,輸出額定電壓為AC 220 V,頻率為50 Hz,逆變效率為94%。根據(jù)容量計(jì)算方法,能夠計(jì)算蓄電池組串、并聯(lián)數(shù)目。蓄電池在48 h放電時(shí)間的設(shè)計(jì)容量為280 Ah,因此蓄電池并聯(lián)數(shù)目為1,串聯(lián)數(shù)目為220 V/2 V=110,所需蓄電池的總數(shù)為1×110=110個(gè)。選擇中聯(lián)電子3S216-270V型整流器,輸入電壓為AC 220 V,頻率為50 Hz,輸出電壓為DC 220 V,效率為93%。

發(fā)電量仿真結(jié)果表明,建筑屋頂光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器每日輸出光伏電能為76.667 kWh,儲(chǔ)能環(huán)節(jié)每日所需電能為32.944 kWh。因此,建筑屋頂光伏系統(tǒng)滿足地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求,剩余電能將輸送到公共電網(wǎng)。如果建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)的發(fā)電量全部用于地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷,則光伏系統(tǒng)可滿足41.796 kWh×0.93×0.94/24=1.5 kW地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。地下車(chē)庫(kù)要求照度為75 lx,設(shè)計(jì)功率密度為1.5 W/m2,因此建筑屋頂平面部分光伏系統(tǒng)的發(fā)電量可滿足1 000 m2地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。同理,如果建筑屋頂斜面部分光伏系統(tǒng)的發(fā)電量全部為地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷所利用,可滿足867 m2地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。因此,該建筑屋頂光伏系統(tǒng)可滿足1 867 m2地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。

5 系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題

(1) 光伏接線箱。為了減少直流線纜,選擇KBT-PVX系列光伏接線箱。將光伏組串并聯(lián)接入接線箱,匯流后通過(guò)直流斷路器輸出,接線箱可同時(shí)接入多路光伏組串,每路電流可達(dá)20 A。接線箱配有直流、高壓防雷器,正、負(fù)極都具備雙重防雷功能;配有耐高壓的直流熔斷器、斷路器,直流耐壓值不低于1 000 V,接線箱防護(hù)等級(jí)達(dá)IP65,滿足室外安裝的要求。

(2) 光伏配電柜。選擇KBT-PVG/JZ系列光伏交/直流配電柜,開(kāi)啟式雙面維護(hù)可裝設(shè)指示儀表,配有斷路器、防反二極管、避雷器等電氣元件,動(dòng)熱穩(wěn)定性好,能達(dá)到不同工作環(huán)境的防護(hù)等級(jí)。

(3) 交/直流線纜。選擇GF系列光伏專(zhuān)用線纜,具有防霧、防潮、強(qiáng)抗紫外線和臭氧侵蝕性能,最高工作溫度為120 ℃,額定電壓為DC 1.8 kV、AC 0.6/1 kV。鎧裝電纜具有良好的屏蔽特性,可有效隔離電磁干擾和雷電干擾。

(4) 配電室。在小區(qū)-1F設(shè)置獨(dú)立光伏配電室,室內(nèi)設(shè)置光伏配電柜和并網(wǎng)逆變器等設(shè)備。配電室設(shè)計(jì)要求符合JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。同時(shí),模擬設(shè)計(jì)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié),需設(shè)置獨(dú)立蓄電池室。

(5) 防雷設(shè)計(jì)。模擬設(shè)計(jì)建筑物為第三類(lèi)防雷建筑,光伏系統(tǒng)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)包括防直擊雷設(shè)計(jì)和防感應(yīng)雷設(shè)計(jì)。

① 防直擊雷設(shè)計(jì):光伏方陣的外露可導(dǎo)電部分及所有防雷器接地端均與建筑物原有的避雷帶和防雷接地引下線可靠連接。

② 防感應(yīng)雷設(shè)計(jì):為防止感應(yīng)雷對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成破壞,在光伏配電柜安裝防雷保護(hù)裝置;為保護(hù)電氣設(shè)備不受直流輸入端感應(yīng)雷破壞,在直流配電柜內(nèi)安裝電涌保護(hù)器;為保護(hù)電氣設(shè)備不受公共電網(wǎng)引入感應(yīng)雷破壞,在交流配電柜內(nèi)安裝電涌保護(hù)器。

(6) 接地設(shè)計(jì)。建筑物接地系統(tǒng)為T(mén)N-C-S系統(tǒng),電源中性點(diǎn)直接接地,電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分與電源中性點(diǎn)直接電氣連接,在進(jìn)戶處重復(fù)接地。光伏系統(tǒng)與建筑物PE母線可靠聯(lián)結(jié),系統(tǒng)直流側(cè)采用局部等電位保護(hù)。將電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分、建筑物金屬構(gòu)件、PE母線聯(lián)結(jié)后與建筑物總等電位聯(lián)結(jié),以求最大限度地降低電擊的危險(xiǎn),保護(hù)光伏系統(tǒng)。

6 結(jié) 語(yǔ)

以長(zhǎng)春市某小區(qū)建筑為例,利用PVSyst軟件進(jìn)行了小區(qū)地下車(chē)庫(kù)照明光伏供電系統(tǒng)的電氣模擬仿真。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用組串逆變器技術(shù),將建筑屋頂平面、斜面部分的光伏方陣均分成3個(gè)光伏組串。仿真結(jié)果表明,光伏系統(tǒng)光伏方陣總裝機(jī)容量為21.6 kWp,經(jīng)逆變器輸出為AC 20.25 kW,年發(fā)電量為27 966 kWh,可滿足1 867 m2的地下車(chē)庫(kù)照明負(fù)荷24 h的供電要求。

[1] DIEHL W,SITTINGER V,SZYSZKA B.Thin film solar cell technology in Germany[J].Surface & Coatings Technology,2005(3):329-334.

[2] ZAHEDI A.Solar photovoltaic(PV) energy:latest developments in the building integrated and hybrid PV systems[J].Renewable Energy,2006(1):711-718.

[3] ROEDERN B.Thin film PV module review-changing contribution of PV module technologies for meeting volume and product needs[J].Refocus,2006(4):34-39.

[4] MARTIN A,REEN G.太陽(yáng)能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].狄大衛(wèi),曹昭陽(yáng),李秀文,等譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,2010.

[5] 楊金煥,于化叢,葛亮.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] GRENA R.An algorithm for the computation of the solar position[J].Solar Energy,2008(5):462-470.

【辦刊宗旨】

以現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能建筑技術(shù)為引導(dǎo)，引領(lǐng)建筑電氣技術(shù)不斷開(kāi)拓自主知識(shí)創(chuàng)新，向著高效、節(jié)能和綠色的目標(biāo)和方向發(fā)展。及時(shí)、全面地報(bào)道國(guó)內(nèi)外建筑電氣最新研究成果和行業(yè)信息，為建筑電氣的研究與開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品制造與應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域打造一流的技術(shù)交流和信息傳遞平臺(tái)。

Simulation of Photovoltaic Power System in Civil Building

WEI Liming, XU Peng

(School of Electrical and Electronic Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

As an example of a residential district in the north area,this paper simulated the electrical design of underground garage of photovoltaic power system.The simulation results show that the photovoltaic arrays total installed capacity of photovoltaic system is 21.6 kWp and and the daily output power of grid-connected inverter is 76.667 kWh,which can meet the 24 h power requirements of lighting load for a 1 867 m2underground garage.

civil building; photovoltaic system; electrical design; PVSyst software

魏立明(1974—),男,教授,研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2014]第224號(hào));長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目(長(zhǎng)科技合(2013304))(12ZX56)

2014-11-10

TM 615+.2

A

1674-8417(2015)04-0019-05

徐 鵬(1989—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ姎馀c智能化。