住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究

龔 賀

GONG He

(慈溪市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 慈溪315300)

1 工程概況

慈溪天和家園小區(qū)屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是國(guó)家住宅工程中心2007年度國(guó)家太陽(yáng)能建筑示范工程，該工程在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了居民住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件布置與住宅建筑較好的結(jié)合，發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行全過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、自動(dòng)化運(yùn)行等一系列設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定運(yùn)行至今。電站從2007年1月1日開始運(yùn)行，截止2013年12月31日，已累計(jì)運(yùn)行7年共63292 h，累計(jì)發(fā)電259464 kWh，節(jié)省約95742 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，累計(jì)減排約226252 kg 二氧化碳、約6824 kg 二氧化硫、約3399 kg 氮?dú)浠?、約61752 kg 碳粉塵，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

慈溪位于我國(guó)東南沿海，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，在全國(guó)的縣級(jí)市里名列前茅。我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)尤其是人口稠密的江浙滬地區(qū)，擁有相似的地理位置和氣候條件，土地資源稀缺，能源需求較強(qiáng)。因此在建筑屋頂推廣太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)自發(fā)自用補(bǔ)償建筑公共用電，通過(guò)短距離輸電能緩解用電緊張狀況，既不占用額外土地，又有顯著的減排生態(tài)效益，更具現(xiàn)實(shí)意義。

2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

天和家園住宅小區(qū)占地面積64788 m2，建筑面積13.4 萬(wàn)m2。小區(qū)住宅整體布置方式為南北走向，周邊均無(wú)高大建筑，日照充分無(wú)遮擋。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)安裝于小區(qū)20 號(hào)樓屋頂，總功率43575 Wp。其中西側(cè)平臺(tái)面積87 m2，采用鋸齒型方陣，共安裝組件36 塊，方陣傾角為30°，功率6300 Wp。斜屋面總面積113.9 m2，與斜屋面平行安裝組件87 塊，方陣傾角為斜屋面坡度31°，功率15225 Wp;露臺(tái)總面積233.44 m2，共安裝有249 塊光伏組件，因?yàn)榉疥嚫哂谖蓓?，考慮方陣安全性和屋面立面的美觀性，方陣安裝傾角采用了較小角度，傾角為7°，功率22050 Wp。見圖1～4。

圖1 平臺(tái)方陣和斜屋面方陣

圖2 露臺(tái)方陣和斜屋面方陣

圖3 20 號(hào)樓遠(yuǎn)觀實(shí)景

圖4 鳥瞰圖

光伏組件選用TSM-175D 單晶硅組，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15%，最大功率(175 ±5)%Wp。

換能設(shè)備采用德國(guó)某公司(SMA)生產(chǎn)的兩種型號(hào)的并網(wǎng)逆變器:SMC6000TL 和SB5000TL，這兩款逆變器的換能效率分別達(dá)到98%和96%。

慈溪市天和家園住宅小區(qū)43 kWp 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)電氣部分構(gòu)成主要分三部分:直流部分、交流部分、管控部分;系統(tǒng)的基本原理方塊圖見圖5［1］。

3 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的工作原理是利用光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成直流電能，通過(guò)并網(wǎng)逆變器將直流電逆變成50 Hz、230/400 V 的三相或230 V 的單相交流電。逆變器的輸出端通過(guò)配電柜與變電所內(nèi)的變壓器低壓端(230/400 V)并聯(lián)，對(duì)負(fù)載供電，并將多余的電能通過(guò)變壓器送入電網(wǎng)。

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求(GB/T 19939—2005)》［2］確定的電站建設(shè)及供電方案的設(shè)計(jì)原則如下:

(1)并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)環(huán)境條件、系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定使用合理的光伏子系統(tǒng)功率和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量，同時(shí)還考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)有冗余量，具有保護(hù)功能以滿足系統(tǒng)可靠工作的要求，以提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮建站地點(diǎn)的地理?xiàng)l件，如高海拔、海洋環(huán)境或潮濕環(huán)境等。用于海拔較高地區(qū)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮建站地點(diǎn)特殊的地理?xiàng)l件，如:海洋環(huán)境或潮濕環(huán)境等應(yīng)考慮特別的系統(tǒng)耐候性設(shè)計(jì)。在地震多發(fā)地區(qū)的系統(tǒng)工程考慮相應(yīng)的防震設(shè)計(jì)。

(4)設(shè)計(jì)使用的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)主要有:現(xiàn)場(chǎng)地理位置(包括:地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔等)、氣象資料(包括:逐月太陽(yáng)總輻射，直接輻射或散射輻射，年平均氣溫，最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速、冰雹、降雪、雷電等情況)。在無(wú)完整氣象資料時(shí)，參考條件相似地點(diǎn)的氣象資料或采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法進(jìn)行估算。

圖5 系統(tǒng)基本原理圖

3.2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化

光伏并網(wǎng)逆變器的效率是決定光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體效率的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)組件和逆變器的連接進(jìn)行優(yōu)化配置，根據(jù)每種型號(hào)的逆變器所要求的每路直流輸入的功率、電壓、電流的不同，對(duì)每路直流輸入進(jìn)行了詳細(xì)的匹配計(jì)算，包括組件串聯(lián)數(shù)，功率，各種溫度下的電壓、電流等，這種匹配使逆變器在環(huán)境變化的情況下能正常且最高效率地運(yùn)行。

由于項(xiàng)目中的光伏組件分別安裝在平屋面、斜屋面、露臺(tái)上，在這三個(gè)地方安裝的組件的安裝傾角和所受光照情況都不一樣，對(duì)這些不同點(diǎn)安裝的組件進(jìn)行分組串接，通過(guò)搭配不同技術(shù)特點(diǎn)的逆變器，以保證組件處于最佳工作狀態(tài)。

部分組件因受建筑形態(tài)的影響，在部分時(shí)間段會(huì)出現(xiàn)局部被遮擋，影響組件的效率。通過(guò)使用多組串技術(shù)后，將不同時(shí)間段受光照不同的組件進(jìn)行分組串接，再與多組串逆變器連接，逆變器通過(guò)本身帶有的三路完全獨(dú)立的MPPT 功率跟蹤器，對(duì)這三路直流輸入進(jìn)行分別的最大功率跟蹤，將來(lái)自三組不同光伏組件的能量合并到一起進(jìn)行逆變轉(zhuǎn)換。這種配置方式能夠處理不同朝向和不同型號(hào)的光電組件，也可以彌補(bǔ)不同連接串中的光伏組件數(shù)量和部分陰影的影響，從而將遮光引起的能量損失減少到最小。這種技術(shù)因?yàn)閷⑷稭PPT 集成到1 臺(tái)逆變器內(nèi)，相比一般的處理這種組件分組串接需要使用3 臺(tái)三分之一總功率的小型逆變器的方法，具有更高的效率和更高的性價(jià)比。

系統(tǒng)采用的并網(wǎng)技術(shù)可以方便的進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)容。擴(kuò)容只需增加相應(yīng)數(shù)量的組件和逆變器，對(duì)系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量不會(huì)有任何的影響。這種多組串技術(shù)也方便組件的擴(kuò)容安裝。擴(kuò)容后的系統(tǒng)無(wú)需對(duì)原有配置和軟件做任何大的改動(dòng)，監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)增加部分做同樣的監(jiān)控，這也降低了擴(kuò)容投資，為今后的擴(kuò)容留有充足的余地。

4 太陽(yáng)輻射量對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的影響研究

影響并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量的主要因素可歸納為裝機(jī)容量、綜合效率、太陽(yáng)輻射三方面［3］。對(duì)特定的光伏電站而言，在裝機(jī)容量、電池組件的轉(zhuǎn)換效率一定的情況下，影響并網(wǎng)光伏發(fā)電效率主要因素取決于太陽(yáng)輻射量。而太陽(yáng)輻射量又取決于諸多因素，如大氣條件、太陽(yáng)高度角、日照時(shí)間和海拔高度等。因此，對(duì)于一個(gè)特定不變的地區(qū)，光伏發(fā)電的效率與太陽(yáng)輻射量、日照時(shí)間緊密相關(guān)。

慈溪屬季風(fēng)型氣候。四季分明，冬夏稍長(zhǎng)，春秋略短。年平均氣溫16.0℃，7月最高，平均28.2℃，1月最低，平均3.8℃。根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估中心有關(guān)慈溪地區(qū)的氣象資料顯示，本地區(qū)平均年日照時(shí)數(shù)2038 h，太陽(yáng)年輻射量4000～4800 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.2～3.8 kWh/m2，年日照百分率47%，屬太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)。

4.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度直接影響了光伏組件的功率和轉(zhuǎn)換效率［4］，不同輻射強(qiáng)度下光伏組件的效率不同，光伏發(fā)電效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有著直接的線性關(guān)系。根據(jù)表1，慈溪地區(qū)氣象中的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)慈溪地區(qū)4、5、7、8、9月為太陽(yáng)輻射較強(qiáng)月份，從表2 歷年發(fā)電數(shù)據(jù)分析，如2009年4月10 號(hào)、4月15日分別發(fā)電197、195 kWh，2007年5月19日單日發(fā)電200 kWh，2007年8月7日單日發(fā)電201 kWh，均為該年較高者。而1、2、3、10、11、12月因太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低，影響了發(fā)電效率。

表1 慈溪地區(qū)氣象

表2 2007—2011年天和光伏電站月發(fā)電量(kWh)

4.2 太陽(yáng)高度角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的影響

太陽(yáng)高度角即太陽(yáng)能光伏方陣的傾角。慈溪市位于北緯30°02'—30°24'和東經(jīng)121°02'—121°42'之間，最佳傾角為30°。本工程實(shí)踐中根據(jù)建筑條件分別使用了7°、30°、31°三種不同的傾角設(shè)置，從歷年數(shù)據(jù)中，可以發(fā)現(xiàn)安裝傾角為30°的不受遮擋影響的平臺(tái)方陣綜合發(fā)電效率最高;傾角為31°的斜屋面方陣受立面陰影的緣故導(dǎo)致發(fā)電效率受了影響;傾角為7°的露臺(tái)方陣綜合發(fā)電效率最低。

4.3 日照時(shí)數(shù)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的影響

日照時(shí)數(shù)是影響光伏發(fā)電效率的重要因素之一［4］。一般日照時(shí)間長(zhǎng)，地面所獲得的太陽(yáng)能輻射量就多。從圖6、圖7 慈溪地區(qū)五年日照時(shí)數(shù)(數(shù)據(jù)來(lái)自慈溪市氣象局)和相對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率可以看出，光伏系統(tǒng)發(fā)電效率與日照時(shí)數(shù)顯示了較好的線性關(guān)系，即日照時(shí)間越長(zhǎng)，光伏系統(tǒng)發(fā)電效率越高。

圖6 2007—2011年日照時(shí)間

圖7 2007—2011年月發(fā)電量

慈溪地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，通常每年6月中旬到七月上中旬經(jīng)常出現(xiàn)一段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的陰沉多雨天氣，又叫梅雨季節(jié)，雨期較長(zhǎng)，雨量比較集中。雖然慈溪地區(qū)6月的太陽(yáng)輻射量較大，但因?yàn)槲迥暝缕骄照諘r(shí)數(shù)僅130.9 h，因此從表3 可以發(fā)現(xiàn)歷年來(lái)6月的發(fā)電量呈明顯偏低。

表3 慈溪地區(qū)2007—2011年月日照時(shí)數(shù)/h

5 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的環(huán)保和減排壓力下，一直以來(lái)約束著我國(guó)光伏技術(shù)應(yīng)用和推廣的最大難題是高昂的成本。以天和家園光伏并網(wǎng)電站而言，2006年時(shí)項(xiàng)目總投資達(dá)到 300 萬(wàn)元，折合造價(jià)為70 元/Wp，發(fā)電成本達(dá)到3～4 元/kWh，是普通居民電價(jià)的8 倍左右。但隨著光伏組件價(jià)格的進(jìn)一步探底，2013年我國(guó)光伏系統(tǒng)的平均造價(jià)已經(jīng)降低到10 元/Wp，更多保障光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策的推行，通過(guò)強(qiáng)制并網(wǎng)、分類電價(jià)、價(jià)格分?jǐn)偟仁侄伟颜苿?dòng)與市場(chǎng)機(jī)制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，建筑產(chǎn)業(yè)與光伏發(fā)電技術(shù)的完美結(jié)合將有著十分廣闊的市場(chǎng)前景和燦爛的明天。

［1]王春明，王金全，徐曄，等.城市住宅小區(qū)屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(8):381 -386.

［2]龍文志.太陽(yáng)能光伏建筑一體化［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2008(7):36 -44.

［3]劉玉一，孫銀川，桑建人，等.影響太陽(yáng)能光伏發(fā)電功率的環(huán)境氣象因子診斷分析［J］.水電能源科學(xué)，2011(12):200 -202.

［4]畢二朋，胡明輔，袁江，等.光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響的分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2012(1):

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