太陽能一體化預(yù)裝式變電站

賈文卓

摘 要：在智能電網(wǎng)中，配電自動(dòng)化設(shè)備多種多樣，需要的電源也不盡相同。因此，文章將太陽能裝置與變電站結(jié)合，制造出一種可為變電站內(nèi)部配網(wǎng)設(shè)備提供多種電源的一體化預(yù)裝式變電站，實(shí)現(xiàn)了自給自足。

關(guān)鍵詞：太陽能；一體化預(yù)裝式變電站；光伏瓦

引言

目前發(fā)展綠色能源已成為世界的主流。我國(guó)政府也在大力推廣和扶植太陽能的開發(fā)利用。國(guó)家電網(wǎng)公司已推出了接納清潔能源發(fā)電上網(wǎng)的政策。近幾年太陽能發(fā)電站的數(shù)量和產(chǎn)能在逐年增加。隨著智能配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)的大力發(fā)展，配電自動(dòng)化設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)有市場(chǎng)上自動(dòng)化設(shè)備種類繁多，有的需要交流供電，有的需要直流供電，直流供電又分為不同電壓等級(jí)。普通電源系統(tǒng)難以全部滿足，并且現(xiàn)有預(yù)裝式變電站中設(shè)備所需的直流電源只能外接電源，變電站本身不能提供。

本文涉及到的預(yù)裝式變電站地理位置位于天津（經(jīng)度：東經(jīng)117°34′；緯度：北緯39°59′；海拔：13米）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的太陽輻射總量達(dá)到1693.60kWh/m2，峰值日照時(shí)數(shù)4.64h，適合應(yīng)用太陽能發(fā)電。

1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有電網(wǎng)中大多是在電站，住宅等建筑基礎(chǔ)上另行安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在屋頂架設(shè)的太陽能板都是以鋁合金等材料為邊框，以鋼材為安裝支架，工藝復(fù)雜，材料消耗量大，不僅占用很大空間，而且由于采用焊接工藝施工還會(huì)產(chǎn)生防水等相關(guān)問題。因此我們采用光伏陶瓷瓦作為建筑材料，將其與預(yù)裝式變電站屋頂結(jié)合在一起，形成一體化結(jié)構(gòu)，既施工簡(jiǎn)便，又能使建筑外觀保持原有的風(fēng)格。預(yù)裝式變電站屋頂尺寸：3350*5350mm（寬*長(zhǎng)）。

1.1 所需材料

1.1.1 主要材料

（1）單晶硅光伏陶瓷瓦（以下簡(jiǎn)稱光伏瓦）：尺寸：440×330×45mm；重量：2.75kg；標(biāo)稱功率：8W；最佳工作電壓：1.042V；最佳工作電流：7.78A；工作環(huán)境溫度：-40℃～+80℃。（2）配套瓦：尺寸與光伏瓦相同的普通陶瓷瓦片。（3）屋脊瓦：安裝在屋脊處的拱形瓦片。

1.1.2 輔助材料

（1）順?biāo)畻l：防潮防腐木條，18根30*20*1650mm（寬*高*長(zhǎng)）。（2）掛瓦條：防潮防腐木條，8根30*20*5350mm，2根30*40*5350mm。（3）水泥鋼釘若干：規(guī)格3.5*60mm、4*60mm。（4）屋脊瓦固定木條：防潮防腐木條，2根20*20*5350mm。

1.2 屋頂主體結(jié)構(gòu)及安裝

1.2.1 屋頂主體結(jié)構(gòu)。在人字形屋頂?shù)膬蓚€(gè)斜面上間隔固定多根順?biāo)畻l和掛瓦條，順?biāo)畻l與屋脊垂直，掛瓦條與屋脊平行，將光伏瓦按照屋頂瓦片的安裝工藝分別固定在掛瓦條上，相鄰光伏瓦之間形成右壓左，上壓下的搭接方式，并施以串并聯(lián)連接。提高了受光面積，減小朝向?qū)μ柲芪盏挠绊?，使得太陽能轉(zhuǎn)化量最大化。見圖1所示。

圖1 光伏瓦屋頂外形

1.2.2 安裝方法。光伏瓦屋頂?shù)陌惭b：屋面放線→安裝順?biāo)畻l→安裝掛瓦條→安裝光伏瓦（并接線）、配套瓦→安裝屋脊瓦→石膏收口→檢查驗(yàn)收

1.2.3 施工步驟。（1）屋面放線：確保屋頂表面平整。垂直于屋面檐口，每隔間距500mm劃出順?biāo)畻l位置線。從屋檐往上量出30mm，劃出一條平行于檐口邊的平行線，確定第一排掛瓦條的位置。最后一排掛瓦條距屋脊線20mm。其余掛瓦條位置間距為375mm。（2）順?biāo)畻l安裝：采用3.5×60mm水泥鋼釘，按墨線位置將順?biāo)畻l固定在屋面上，所有固定順?biāo)畻l的釘子間距為500mm。（3）掛瓦條安裝：掛瓦條采用3.5*60mm水泥鋼釘固定在順?biāo)畻l上。掛瓦條與每根順?biāo)畻l相交處都應(yīng)用釘子固定。鋼釘進(jìn)入水泥層不小于20mm。從屋檐開始依次向上安裝掛瓦條。釘掛瓦條時(shí)，要隨時(shí)校核掛瓦條間距尺寸的一致。掛瓦條應(yīng)釘平整、牢固，上棱應(yīng)成一直線。檐口第一排掛瓦條為30*40mm，其余掛瓦條尺寸為30*20mm。（4）光伏瓦安裝：安裝順序：自下而上，從左至右；鋪瓦過程中，以屋面的橫向長(zhǎng)度來分?jǐn)傊魍叩挠行挾?。終端需調(diào)節(jié)成半片瓦的寬度，以便安裝配套瓦；每片瓦必須緊扣掛瓦條，并用一枚4×60mm鋼釘固定。坡面上方的瓦覆蓋在坡面下方瓦上，上下排瓦的搭扣長(zhǎng)度為35-60mm（即上一排瓦片的檔雨檐將下一排瓦的釘孔蓋?。?；每片光伏瓦背面都有一對(duì)正負(fù)極防水插頭，進(jìn)行串聯(lián)連接時(shí)，前一個(gè)組件的“+”極插頭要連接下一個(gè)組件的“-”極插頭。（5）配套瓦安裝：依據(jù)已鋪設(shè)好的光伏瓦安裝樣式，鋪設(shè)配套瓦，必要時(shí)可將配套瓦切開，使屋頂兩邊瓦片對(duì)稱。其安裝方法與光伏瓦相同。（6）屋脊瓦安裝：在屋脊相鄰兩側(cè)光伏瓦的上面陶瓷部分各安裝一根脊瓦固定木條，安裝方法同掛瓦條。依次將脊瓦架在兩根木條上，用3.5*60mm水泥鋼釘固定。由脊瓦封頭開始按脊瓦自身的搭接，相互咬合搭接，并鋪至末端的脊瓦封頭，脊瓦搭接長(zhǎng)度≥35mm。（7）石膏勾縫：所有屋脊與光伏瓦搭接的部位，凡是有縫隙的地方，用石膏摻入適量磚紅色顏料和專用膠水，混兌成色漿，涂刷在表面。（8）清理屋面：瓦片安裝完畢后，要進(jìn)行一次全面的檢查清理工作，將安裝過程中遺留在屋面的碎屑、廢渣清除干凈；同時(shí)修補(bǔ)校正瓦片；特別是有石膏的部位，必要時(shí)要用清水仔細(xì)清洗被污染的瓦面；再用干凈紗布將水跡輕輕擦干，不能用硬物或腐蝕性溶劑沖洗、擦拭。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在原有的預(yù)裝式變電站基礎(chǔ)上增加一個(gè)隔室，內(nèi)部放置太陽能發(fā)電系統(tǒng)。因此變電站包括四個(gè)室：低壓室、高壓室、變壓器室和太陽能控制室。變電站中的用電設(shè)備均可采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)供電，并且可為多種負(fù)載提供電源。見圖2所示。

太陽能控制室包括：DC-AC逆變器、蓄電池、DC-DC直流輸出控制器及微型斷路器等。逆變器和直流輸出控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，具有過電壓、欠電壓、短路保護(hù)等功能。通過變電站屋頂光伏瓦收集的太陽能一部分輸入到逆變器中，經(jīng)過逆變輸出交流220V，50Hz的電壓。另外一部分太陽能通過逆變器控制儲(chǔ)存在蓄電池中，再經(jīng)過DC-DC直流輸出控制器分別輸出直流12V、24V和48V電壓。

2.1 逆變器

逆變器直流電壓輸入范圍：DC40V-DC62V；輸出電壓AC220V±10%；充電電池電壓：DC48V。尺寸：490mm*235mm*420mm。

將逆變器平放于控制室內(nèi)的地面上，附近50cm內(nèi)不得有障礙物。

2.2 蓄電池

本系統(tǒng)采用4塊12V250AH的免維護(hù)鉛酸蓄電池，建議埋在地下。四塊電池串聯(lián)連接。電池之間的連線必須用螺栓壓在電池的接線柱上并用墊片以增強(qiáng)導(dǎo)電性。

2.3 直流輸出控制器

直流輸出控制器具有短路、過載、防反接保護(hù)、過放自動(dòng)關(guān)斷、恢復(fù)等全功能保護(hù)措施，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)。

直流輸出控制器和微型斷路器可共同安裝在開關(guān)箱內(nèi)，開關(guān)箱在控制室內(nèi)部墻體上選擇合適的位置做緊固連接。開關(guān)箱進(jìn)線采用上進(jìn)線方式，光伏瓦的進(jìn)線通過頂部預(yù)留孔進(jìn)入控制室開關(guān)箱內(nèi)，接于微型斷路器上。

全部接線經(jīng)檢查無誤后，先閉合太陽能輸入開關(guān)，開始向蓄電池充電，檢測(cè)并確認(rèn)各參數(shù)的正確性；閉合交流負(fù)載控制開關(guān)，由系統(tǒng)向負(fù)載供電，再閉合蓄電池開關(guān)、直流負(fù)載開關(guān)，檢測(cè)直流輸出情況是否達(dá)到設(shè)計(jì)工作要求，帶載試運(yùn)行1小時(shí)后，檢測(cè)系統(tǒng)各部位有無異常現(xiàn)象。

3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

3.1 技術(shù)參數(shù)

3.1.1 直流輸出部分

（1）輸出電壓標(biāo)稱值：DC48V，容差為-20%-+15%。（2）額定輸出電流：1.7A，額定功率：80W。（3）最大輸出電流：8.3A，最大功率：400W；最大沖擊電流：20A，尖峰功率：960W（<0.2s）。（4）滿足高壓開關(guān)分合閘電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括防卡電路。（5）在無任何能源輸入的條件下，保證直流負(fù)載連續(xù)工作72小時(shí)，并且滿足環(huán)網(wǎng)柜高壓開關(guān)分合閘操作不小于12次。單次電動(dòng)操作持續(xù)時(shí)間滿足10s。

3.1.2 交流輸出部分

（1）輸出電壓：AC220V±10%。（2）輸出頻率：50Hz±0.5Hz。（3）額定功率：2000W。

3.2 接線說明

光伏瓦的正負(fù)極輸出端子與逆變器的輸入端相連；蓄電池的正負(fù)極端子分別與逆變器的正負(fù)極輸出端和直流穩(wěn)壓電源的輸入端連接；交流負(fù)載與逆變器的輸出端相連；不同電壓等級(jí)的直流負(fù)載與直流穩(wěn)壓電源的輸出端連接。見圖3所示。

3.3 工作流程

當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到光伏瓦可輸出電壓值時(shí)，逆變器控制太陽能首先向蓄電池充電。當(dāng)太陽能足夠且蓄電池電壓較高時(shí)，太陽能直接轉(zhuǎn)換對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)蓄電池充電；當(dāng)太陽能不足時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為太陽能協(xié)同蓄電池對(duì)負(fù)載供電。同時(shí)本系統(tǒng)對(duì)蓄電池設(shè)定低壓保護(hù)限值，當(dāng)蓄電池電壓降低到保護(hù)值時(shí)，交流電對(duì)其充電，防止其欠壓。當(dāng)蓄電池完全充滿后，逆變器充滿指示燈亮（同理，當(dāng)蓄電池放電截止后，過放關(guān)斷指示燈亮）。

4 結(jié)束語

本太陽能一體化預(yù)裝式變電站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，既節(jié)省占地面積又節(jié)能環(huán)保，可大量應(yīng)用在智能電網(wǎng)建設(shè)中。

參考文獻(xiàn)

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