1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)實(shí)踐

謝明達(dá)， 廖華， 李景天， 馬遜， 楊康，許海園， 馬銘， 趙冬陽

(1.云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092；2.云南電網(wǎng)公司 大理供電局，云南 大理 671000)

在現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的大背景下，化石能源逐漸減少，環(huán)境問題日益嚴(yán)重.可再生能源因其能夠增加能源持續(xù)供給能力、改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全而備受人們關(guān)注，而太陽能有取之不盡、用之不竭、廉價(jià)、無污染等優(yōu)勢，是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2].

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能的主要方式之一.迄今為止，太陽能光伏發(fā)電經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，分別是：從天空到地面(1973年以后，太陽電池從主要作為空間電源向地面應(yīng)用發(fā)展)；從獨(dú)立系統(tǒng)到并網(wǎng)發(fā)電(與離網(wǎng)的獨(dú)立光伏系統(tǒng)相比，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)更加科學(xué)與環(huán)境友好)；從屋頂系統(tǒng)到光伏建筑一體化(將光伏組件安裝在建筑屋頂上或把太陽電池組件作為建筑材料的一部分)[3-6].

1 簡 介

本文介紹的1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目，該系統(tǒng)于2009年9月獲財(cái)政部和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部立項(xiàng)建設(shè)，2012年6月28日完工，并且通過了由云南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳及云南省財(cái)政廳組織的專家驗(yàn)收.該系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)際總裝機(jī)容量為1 002 kWp，項(xiàng)目中的組件全部采用與建筑結(jié)合的固定式安裝方式，安裝于相關(guān)的建筑物屋頂表面，每個(gè)并網(wǎng)電站就近并入中、低壓電網(wǎng).該系統(tǒng)建成后，接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)后除有效地降低學(xué)校的用電量外，還將推動(dòng)光電建筑在云南地區(qū)的建設(shè)，促進(jìn)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)建在云南師范大學(xué)呈貢新區(qū)，分別安裝在游泳館、訓(xùn)練館和圖書館三個(gè)建筑的屋頂上，主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變、低壓輸配電、監(jiān)控等幾部分構(gòu)成，如圖1所示.游泳館裝機(jī)容量為89.21 kW、訓(xùn)練館裝機(jī)容量為656.38 kW、圖書館裝機(jī)容量為256.5 kW，總裝機(jī)容量為1 002 kW.

圖1 1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)簡圖

(1)光伏陣列：主要由太陽電池組件、光伏防雷匯流箱、光伏防雷配電柜以及直流電纜等構(gòu)成；

(2)并網(wǎng)逆變：主要由并網(wǎng)逆變器構(gòu)成；

(3)低壓輸配電：主要由低壓交流配電柜、低壓交流電纜等構(gòu)成；

(4)監(jiān)控與顯示：主要由光伏系統(tǒng)監(jiān)控及顯示系統(tǒng)構(gòu)成.

光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，通過匯流箱(直流配電箱)傳送到與之相連的逆變器的直流輸入端；逆變器具有最大功率跟蹤(MPPT)功能使光伏陣列保持最佳輸出狀態(tài)，同時(shí)將直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)頻率和相位相同的交流電，達(dá)到電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電的要求[7-8]；圖書館、游泳館兩個(gè)子系統(tǒng)中的逆變器送出的交流電能經(jīng)過低壓配電就近接入低壓400 V電網(wǎng)，補(bǔ)充相關(guān)建筑物內(nèi)的用電；訓(xùn)練館子系統(tǒng)中的逆變器送出的交流電經(jīng)過升壓變壓器，將電壓升至10 kV，然后接入10 kV電網(wǎng)，補(bǔ)充全校園的用電.

2.1 組件選型與安裝

1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中光伏電池組件安裝面積為13 184.98 m2，選用185 Wp、190 Wp兩種規(guī)格的單晶硅組件，組件系統(tǒng)組串采用18塊串聯(lián)方式，再由4、6、8、9、16個(gè)組串并聯(lián)形成并聯(lián)組，與逆變器相連.

1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中組件的安裝根據(jù)屋頂?shù)牟煌譃槲蓓斊矫嬷Ъ馨惭b和鋁合金夾具安裝兩種方式.對(duì)于圖書館的平面屋頂，采用自配重工藝完成基礎(chǔ)施工，該工藝不破壞建筑屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，有效保證了屋頂表面的防水結(jié)構(gòu)；而對(duì)于由鋁合金扣板構(gòu)成的訓(xùn)練館及游泳館曲面屋頂，采用鋁合金夾具、鋁合金橫梁等制作好太陽電池組件支架后進(jìn)行安裝.鋁合金夾具安裝工藝能夠與金屬屋面達(dá)到完美結(jié)合，巧妙利用金屬環(huán)屋面的結(jié)構(gòu)，較為可靠的進(jìn)行組件的安裝[9-10].自配重安裝工藝和鋁合金夾具安裝工藝分別如圖2、圖3所示.

圖2 自配重安裝工藝

圖3 鋁合金夾具安裝工藝

組件的安裝方位角除圖書館以5度傾角面向南方外，訓(xùn)練館和游泳館由于受建筑屋面及建筑物方位角的制約，不是全部面向南方，安裝傾斜角也不是固定值，大約在5～10度之間.對(duì)接頭全部采用成品插拔式對(duì)接頭，提高了接線的安全性和美感，同時(shí)考慮到布線的方便和美觀，在型材上預(yù)留了走線的通道，使得線路走向更合理.屋面陣列鋪設(shè)考慮了與建筑的結(jié)合狀況，整體效果不影響原建筑外觀，并給原建筑增加了科技內(nèi)涵，屋面陣列鋪設(shè)具有很好的視覺美感，最大限度的利用太陽輻射資源，增加系統(tǒng)的發(fā)電量.安裝完成后的總體效果如圖4、圖5所示.

圖4 云南師范大學(xué)圖書館光伏屋頂

圖5 云南師范大學(xué)訓(xùn)練館光伏屋頂

2.2 直流匯流箱選型

匯流箱的作用是將若干組串回路并聯(lián)連接到匯流箱內(nèi)，形成較大的直流電流，再連接到逆變器，轉(zhuǎn)換成交流電.1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的一級(jí)匯流箱全部采用帶監(jiān)測功能的防雷匯流箱，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測每一個(gè)組串的輸出電流.監(jiān)控組串的工作狀況對(duì)于大面積的光伏陣列極為重要，它可以讓管理人員在第一時(shí)間掌握組串工作狀況，出現(xiàn)問題及時(shí)處理.實(shí)際安裝的匯流箱如圖6所示.

圖6 匯流箱

2.3 并網(wǎng)逆變器選型

并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并通過其MPPT功能使光伏陣列保持在最佳功率輸出狀態(tài).1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)由于安裝方式多樣，為使處在不同安裝位置的光伏陣列發(fā)揮最大效益，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了多種規(guī)格的集中式逆變器，共10臺(tái)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 逆變器配置信息表

2.4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)以安全可靠、先進(jìn)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理為基本原則，采用集中控制、放射性分布的方式.各發(fā)電單元設(shè)置一臺(tái)通訊柜，逆變器、環(huán)境監(jiān)測、儀表等信號(hào)均以485線傳送到通訊柜上，然后經(jīng)交換機(jī)通過光纖連接至監(jiān)控電腦，系統(tǒng)監(jiān)控圖如圖7所示.監(jiān)控系統(tǒng)可以檢測和顯示系統(tǒng)每個(gè)單元工作電壓及電流(直流側(cè)的電壓、電流，交流側(cè)電壓、電流)、系統(tǒng)工作狀態(tài)、功率、功率因數(shù)、頻率、故障報(bào)警信息以及環(huán)境參數(shù)(如輻照度、環(huán)境溫度等)，統(tǒng)計(jì)且顯示日發(fā)電量及總發(fā)電量等信息，并形成可打印報(bào)表.具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢功能，通訊傳輸能記錄和存儲(chǔ)至少10年的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù).所有單元的測量監(jiān)測信息在圖書館匯總后經(jīng)RGPS上傳到相關(guān)管理部門，并經(jīng)校園網(wǎng)傳輸?shù)教柲苎芯克?

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在游泳館屋頂配置了一套環(huán)境監(jiān)測儀，該裝置由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成，可實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向及輻射強(qiáng)度等參量，其通信接口可接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，且由數(shù)據(jù)通信模塊、控制裝置組成，具有遠(yuǎn)程控制功能.能夠提供RS232、RS485、無線三種通信接口.

2.5 系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

雷電主要有感應(yīng)雷和直擊雷兩種.感應(yīng)雷主要由電磁感應(yīng)或靜電現(xiàn)象產(chǎn)生；而直擊雷是指直接落到光伏陣列、電氣設(shè)備等上面或附近的雷擊.因?yàn)橛斡攫^、訓(xùn)練館屋面屬于金屬屋面，圖書館屋面屬于混凝土屋面，根據(jù)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-94，本系統(tǒng)建筑屬于第二類防雷建筑.1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)利用建筑原防雷接地裝置防直擊雷.把系統(tǒng)的所有金屬物，包括組件外框、設(shè)備、機(jī)箱機(jī)柜外殼、變壓器金屬外殼與建筑原防雷接地裝置等電位連接防感應(yīng)雷.具體為：1)在鋼筋混凝土屋面上，沿光伏方陣敷設(shè)40×40 mm熱鍍鋅扁鋼作為連接線，并用40×40 mm熱鍍鋅扁鋼與建筑原避雷帶可靠連接，連接處作噴漆處理；2)利用建筑原引下線泄流；3)在金屬屋面上，光伏組件與鋁合金橫梁用4 mm2黃綠電纜連接，連接處為M8連接螺栓，沿光伏方陣敷設(shè)40×4 mm熱鍍鋅扁鋼作為連接線，與角鋼焊接；4)利用原建筑引下線泄流，接地電阻≤4 Ω；5)在直流匯流箱、逆變器內(nèi)裝設(shè)防雷模塊；6)10 kV防雷過電壓保護(hù)等[11-12].并且對(duì)屋面的8個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行檢測，其接地電阻值均在1.6～1.8 Ω之間，已達(dá)設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)要求≤2 Ω).

3 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

太陽電池組件的實(shí)際裝機(jī)容量為1 002 kWp，發(fā)電量數(shù)據(jù)通過PVSYST軟件建模和分析計(jì)算，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行理論電量計(jì)算.經(jīng)計(jì)算，1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)第1年預(yù)計(jì)發(fā)電量為112.9萬kW·h.25年中年平均發(fā)電量預(yù)計(jì)為100.25萬kW·h.按照光伏組件25年衰減不超過20%，可以預(yù)測電站25年運(yùn)營周期總發(fā)電量約為2 506.21萬kW·h.

截止到2014年6月5日，游泳館發(fā)電量為102 893 kW·h，運(yùn)行400天；訓(xùn)練館發(fā)電量為585 130 kW·h，運(yùn)行300天；圖書館發(fā)電量為209 774 kW·h，運(yùn)行300天；系統(tǒng)總發(fā)電量為897 797 kW·h.

4 效益分析

4.1 社會(huì)效益

云南具有較為豐富的太陽輻射資源，并計(jì)劃在節(jié)能減排環(huán)保建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域走在西南地區(qū)各省的前列.目前，云南省已先后建成各種規(guī)模的光伏并網(wǎng)或獨(dú)立電站數(shù)十座，對(duì)于改善地區(qū)空氣質(zhì)量及降低二氧化碳排放量等方面具有極其重要的意義.以1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)為基礎(chǔ)，吸引其他沒有光伏電站的區(qū)域加入，屆時(shí)將掀起以點(diǎn)帶面，全面發(fā)展的新格局，對(duì)促進(jìn)光伏電站在云南的廣泛建設(shè)具有重大意義.同時(shí)，云南師范大學(xué)太陽能研究所作為國內(nèi)最早從事光伏研究的學(xué)術(shù)團(tuán)體，1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的建成，可以為研究所增加新的學(xué)術(shù)研究平臺(tái).

4.2 環(huán)境效益

目前我國火力發(fā)電每生產(chǎn)一度電平均消耗390克標(biāo)煤，據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃燒一噸標(biāo)煤會(huì)產(chǎn)生約2.6噸二氧化碳，約24公斤二氧化硫，約7公斤氮氧化物，污染十分嚴(yán)重[13-14].1 MW屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)首年發(fā)電量為112.9萬kW·h，設(shè)系統(tǒng)壽命為25年，按壽命終期的光伏組件轉(zhuǎn)化效率為首年的80%及在壽命期內(nèi)電站年發(fā)電量為線性衰減計(jì)算，25年壽命周期內(nèi)累計(jì)產(chǎn)生電能為2 506.21萬kW·h，年均發(fā)電量為100.25萬kW·h.與火力發(fā)電相比，此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在25年壽命期內(nèi)相當(dāng)于累計(jì)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約8 395.93噸，減排二氧化碳約20 927.18噸、二氧化硫約626.56噸和氮氧化物約150噸，此外，還減少了大量粉塵和煙塵的排放.

5 結(jié) 論

云南師范大學(xué)所在地具有較為豐富的太陽輻射資源，高校建筑屋頂閑置面積大，建筑物屋面為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，較為平坦，施工方便，適宜建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目.光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)，不僅可以進(jìn)一步減少燃煤發(fā)電場的環(huán)境污染、改善當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)，而且可以促進(jìn)光伏電站在云南的廣泛建設(shè).同時(shí)也是云南師范大學(xué)太陽能研究所新的學(xué)術(shù)技術(shù)研究平臺(tái)，具有較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等綜合效益.

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