小型分布式光伏項目勘查和設(shè)計要素分析

宋 宏 佺

(中國能源建設(shè)集團 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 510663)

0 引 言

2017年10月31日國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》(發(fā)改能源[2017]1901號)[1]:為加快推進分布式能源發(fā)展,遵循《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)[2015]9號)和電力體制改革配套文件,決定組織分布式發(fā)電市場化交易試點,并對分布式發(fā)電給出新的表述,是指接入配電網(wǎng)運行、發(fā)電量就近消納的中小型發(fā)電設(shè)施。

自2015年3月15日《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見(中發(fā)[2015]9號)文》發(fā)布以來,國家相關(guān)部委陸續(xù)發(fā)布各類加快推進分布式能源發(fā)展的政策文件,在政策利好頻出的支撐下,分布式發(fā)電迎來新一輪發(fā)展契機,分布式光伏作為分布式發(fā)電的中流砥柱得到快速發(fā)展。

本文對小型分布式光伏項目勘查和設(shè)計的基本方法進行分析,包括現(xiàn)場勘查的主要內(nèi)容和注意事項、太陽能資源查詢和應(yīng)用、光伏發(fā)電的總體設(shè)計三大部分。

1 分布式光伏項目勘查

目前,應(yīng)用最廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是建在建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目,其勘查要素主要包括項目基礎(chǔ)信息、建筑結(jié)構(gòu)信息、電氣信息3大部分。

1.1 基礎(chǔ)信息

現(xiàn)場勘查人員首先要了解和收集擬建設(shè)的分布式光伏項目的基礎(chǔ)信息,并詳細記錄,作為項目可行性研究和工程設(shè)計的輸入條件是不可缺少的,基礎(chǔ)信息的收集主要包括如下內(nèi)容:建設(shè)方的基本信息,擬選建筑物的所有權(quán)信息,計劃建設(shè)時間及并網(wǎng)時間,坐標暨經(jīng)緯度信息,所在地環(huán)境信息,擬選建筑物的結(jié)構(gòu)、建筑等圖紙資料,項目并網(wǎng)后的產(chǎn)權(quán)歸屬等。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)信息

對于建在建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目,擬選建筑物的結(jié)構(gòu)信息是判斷分布式光伏項目是否具備建設(shè)條件的必須信息,現(xiàn)場勘查收資人員應(yīng)獲取準確的資料。建筑結(jié)構(gòu)信息的收集主要包括如下內(nèi)容:

(1) 擬選建筑物的建筑類型、高度、屋面類型、抗震等級等。

(2) 現(xiàn)場應(yīng)對建筑物屋面的承載力做出初步判斷,參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中可上人屋面均布活荷載標準值2.0 kN/m2為初始判斷值,后續(xù)設(shè)計再進行嚴格的計算。

(3) 記錄項目建設(shè)地周邊道路情況以及二次搬運路徑。

(4)不同角度拍攝擬安裝光伏組件以及相關(guān)設(shè)備的部位/屋面的照片。

(5) 核實建筑物結(jié)構(gòu)、屋面整體情況是否與所收集到的圖紙相符(如尺寸、障礙物、通道、朝向、受力等),如無圖紙,則需現(xiàn)場勘查并詳細記錄上述信息。

(6) 對于混凝土屋面,核實擬選屋面是否允許上人、屋面平整度(凹陷、凸起、障礙物等情況)、屋面混凝土的厚度、防水層的厚度等信息。

(7) 對于斜瓦屋面,核實屋頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸信息、屋面平整度、結(jié)構(gòu)梁柱規(guī)格形狀等詳細信息,并應(yīng)從不同角度方位拍攝和記錄屋頂面及屋內(nèi)面情況。

(8) 對于彩鋼瓦屋面,應(yīng)記錄彩鋼瓦類型及外形尺寸,查看屋面平整度,核實屋頂結(jié)構(gòu)梁柱的材質(zhì)、截面、間距等信息,并應(yīng)從不同角度方位拍攝和記錄屋頂面及屋內(nèi)面情況。

1.3 電氣信息

在現(xiàn)場勘查收資階段,為了判斷是否具備接入電網(wǎng)條件,需要對項目所在地的并網(wǎng)條件情況進行詳細的了解和搜集信息,以確保分布式光伏項目建成后的順利并網(wǎng),電氣信息的收集主要包括如下內(nèi)容:

(1) 現(xiàn)場勘查人員應(yīng)根據(jù)屋面可利用的有效面積結(jié)合擬選光伏組件信息、安裝傾角、安裝方位角初步判斷屋面可安裝的光伏組件總?cè)萘俊?/p>

(2) 根據(jù)初步判斷的可安裝容量結(jié)合所在地區(qū)電網(wǎng)公司對分布式光伏不同裝機容量對應(yīng)的并網(wǎng)電壓等級初步選擇或者明確分布式光伏項目的并網(wǎng)電壓等級。

(3) 核實擬選并網(wǎng)點的基本信息,包括并網(wǎng)點位置、電壓等級、上一級變壓器容量等。

(4) 核實屋面是否已有接地防雷措施,是否有可靠接地點。

(5) 根據(jù)現(xiàn)場情況,初步選擇逆變器、配電箱(柜)的安裝位置,并繪制草圖進行記錄。

(6) 根據(jù)現(xiàn)場情況,初步選擇線纜的走線路徑,繪制出交、直流電纜的走線路徑草圖,并拍攝照片記錄對應(yīng)路徑沿線情況。

(7) 對于擬建成為自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式的分布式光伏項目,還應(yīng)收集用電用戶近一年以上的用電量清單。

在實際項目的現(xiàn)場勘查過程中,所勘查和搜集的信息應(yīng)至少包括以上內(nèi)容,并可根據(jù)實際情況收集到更多相關(guān)和有用的信息。同時,除了收集相應(yīng)的必要的圖紙、紙質(zhì)或電子資料之外,建議盡可能拍攝多維度照片或者錄制視頻,以便于后續(xù)設(shè)計、審核人員以及項目相關(guān)各方更全面地了解現(xiàn)場情況[6]。

2 太陽能資源查詢和應(yīng)用

光伏發(fā)電是利用光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù),太陽能資源的豐富與否對分布式光伏發(fā)電項目的發(fā)電量和收益有直接的影響,因此太陽能資源的查詢和應(yīng)用在光伏發(fā)電項目前期顯得極為重要。太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關(guān)。資源豐度一般以全年總輻射量(單位為MJ/m2或kWh/m2)和年平均輻照度表示。

我國太陽能總輻射資源豐富,總體呈“高原大于平原、西部大于東部”的分布特點,西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大[2-3],尤其是青藏高原地區(qū)最大,該地區(qū)平均海拔高度在4 000 m以上,大氣層薄而清潔,透明度好,緯度低,日照時間長,年總輻射量超過1 800 kWh/m2,部分地區(qū)甚至超過2 000 kWh/m2。四川和貴州太陽年輻射總量最小,其中四川盆地晴天較少,存在低于1 000 kWh/m2的區(qū)域[2]。

全國太陽輻射總量等級和區(qū)域分布如表1所示。

表1 全國太陽輻射總量等級和區(qū)域分布

2.1 項目地經(jīng)緯度查詢

查詢某地的太陽能資源數(shù)據(jù),首先要獲取該地點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù);然后在太陽能資源數(shù)據(jù)查詢過程中進入NASA官網(wǎng)或者Mteonorm軟件,輸入項目所在地的經(jīng)緯度,即可查詢到相應(yīng)的太陽能輻射數(shù)據(jù),以及項目所需的其他氣象數(shù)據(jù),如風(fēng)速、溫度等[2-8]。

項目地經(jīng)緯度的查詢直接通過google地圖等各類地圖即可得到。一種經(jīng)緯度查詢方法供參考:打開網(wǎng)址鏈接(http:∥www.gpsspg.com/maps.htm);輸入要查詢的地點(如廣州),便可以得到相應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。廣州市經(jīng)緯度數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.2 太陽能輻射量查詢

太陽能資源輻射數(shù)據(jù)的查詢渠道一般有如下方法[2-3]:美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng);瑞士Mteonorm研究所的Mteonorm軟件;項目所在地已有地面氣象觀測站數(shù)據(jù)。

相比較于通過地面氣象觀測站獲取數(shù)據(jù),通過Mteonorm數(shù)據(jù)庫和NASA數(shù)據(jù)庫進行查詢更便捷,成本也更低,因此國內(nèi)大部分光伏發(fā)電項目在項目實際執(zhí)行過程中,一般通過Mteonorm數(shù)據(jù)庫和NASA數(shù)據(jù)庫進行查詢獲取太陽能資源輻射數(shù)據(jù),作為光伏發(fā)電項目理論發(fā)電量測算的參照輸入數(shù)據(jù)。

圖1 廣州市經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

NASA數(shù)據(jù)庫和Mteonorm數(shù)據(jù)庫的太陽能資源的數(shù)據(jù)來源和獲取手段不相同,因此通過這兩個數(shù)據(jù)庫查詢得到的同一經(jīng)緯度地點的太陽能資源數(shù)據(jù)并不完全一致。NASA數(shù)據(jù)庫獲取手段主要是通過氣象衛(wèi)星得到大氣層頂?shù)妮椛鋽?shù)據(jù)后,再通過一些列的復(fù)雜建模和運算得到地面輻射數(shù)據(jù);Mteonorm數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要來自于全球各地的地面氣象觀測站的輻射數(shù)據(jù)。通過實際查詢比對,對于大部分情況下同一地點的輻射量數(shù)據(jù),NASA數(shù)據(jù)均比Mteonorm數(shù)據(jù)要高一些。Mteonorm數(shù)據(jù)庫來源主要來自于地面氣象觀測站,更接近于實際情況一些。

2.3 NASA數(shù)據(jù)查詢

NASA數(shù)據(jù)查詢屬于免費查詢,直接通過NASA官方網(wǎng)站即可進行查詢。打開網(wǎng)站網(wǎng)址鏈接(https:∥eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/retscreen.cgi),NASA查詢界面如圖2所示。在查詢框中輸入所需查詢地點的經(jīng)緯度。廣州市太陽能資源數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 NASA查詢界面

圖3 廣州市太陽能資源數(shù)據(jù)

2.4 Mteonorm數(shù)據(jù)查詢

Mteonorm數(shù)據(jù)查詢需要通過其商業(yè)Mteonorm軟件進行查詢,屬于收費性質(zhì)查詢,查詢方法在安裝軟件后同樣通過輸入項目所在地的經(jīng)緯度進行查詢。

3 光伏發(fā)電的總體設(shè)計

分布式光伏發(fā)電項目的設(shè)計工作主要包括總體布置設(shè)計、電氣配置設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計3大部分。其中總體布置設(shè)計是整個項目設(shè)計工作的關(guān)鍵,主要包括光伏組件的安裝傾角和方位角設(shè)計、光伏陣列前后間距設(shè)計、光伏組件串并聯(lián)設(shè)計等內(nèi)容[6-7]。

對于斜屋面的光伏組件安裝和排布方式,目前大部分分布式光伏項目一般都是采用平鋪安裝和排布方式,光伏組件的安裝傾角和方位角是斜屋面本身的傾角和方位角,光伏組件之間的間距以滿足檢修需要進行設(shè)計配置即可。

本文主要以平屋面為例介紹分布式光伏項目的總體布置設(shè)計。

3.1 組件安裝方位角和傾角設(shè)計

屋面分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件的安裝,一般采用固定式光伏組件安裝方式,為使光伏組件最有效地接受太陽能輻射能量,確定光伏組件安裝的方位角和傾角非常重要。

方位角一般是指東西南北方向的角度。對于太陽能光伏系統(tǒng)來說,方位角以正南為0°,由南向東向北為負角度,由南向西向北為正角度。方位角決定陽光的入射方向,一般情況下,光伏陣列朝向正南即方位角為0°時,太陽能電池發(fā)電量最大,故確定光伏組件的方位角為0°。我國地處北半球,因此大部分的建筑朝向一般為南向或接近南向[7]。

安裝傾角一般指光伏組件受光面和地面水平線之間的夾角。確定光伏組件傾斜角的目的是使組件受光面上全年接收的太陽輻照量理論上達到最大,同時考慮光伏組件降雨自清潔和積雪自清除效果,以及與建筑結(jié)合情況等。在與建筑良好結(jié)合和考慮組件自清潔情況下,光伏組件傾斜角的選擇則依據(jù)不同傾斜角下組件的受光面上受到的全年總輻射量中的最大值進行選擇配置設(shè)計。

對于正南(方位角為0°)朝向光伏組件,其傾斜角從水平(傾斜角為0°)開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時,其受到的日射量不斷增加到最大值,然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。當光伏組件受光面與太陽光線成垂直角度即90°時,其受光面可接收到的太陽輻射量最大。以太陽直射點在赤道(0°)即太陽直射赤道其太陽光入射角度為90°作為參照,運用角度互補理論,在固定式安裝方式的前提下可以得出“組件最佳傾角”等于“所在地的緯度角”。因此,建議安裝傾角優(yōu)先選項目所在地的緯度角。

在假定向南傾斜緯度角安裝的發(fā)電量為100%前提條件下,不同朝向與發(fā)電量關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同朝向與發(fā)電量關(guān)系

3.2 組件串并聯(lián)設(shè)計

在進行光伏陣列串并聯(lián)數(shù)計算前,需要根據(jù)項目實際情況選定所采用的光伏組件和逆變器,再根據(jù)所選的光伏組件參數(shù)和逆變器參數(shù)進行計算,方可確定光伏陣列的串并聯(lián)數(shù)[9-10]。

因此,光伏組件的串聯(lián)數(shù)N由以下公式計[4]算得到:

光伏組件的串聯(lián)數(shù)N最終取值須同時滿足上列兩個公式計算出來的數(shù)值范圍。一般情況下,串聯(lián)數(shù)N的取值可以按照逆變器的額定工作電壓值除以光伏組件工作電壓值后的所得結(jié)果并取整數(shù)值,且滿足上述兩個公式計算的N取值范圍。

單個逆變器MPPT回路允許接入光伏組件組串的并聯(lián)數(shù)計算,需用到光伏組件參數(shù)的開路電流值和工作電流值,以及逆變器MPPT回路允許的最大直流輸入電流值,具體計算見文獻[6]。

如在光伏組件陣列中有不同朝向方位角的組件陣列,則串并聯(lián)接入同一逆變器MPPT回路的組件,宜均為同一方位角朝向。

3.3 陣列前后間距設(shè)計

光伏陣列排布布置前后間距應(yīng)能保證每天9∶00～15∶00(當?shù)卣嫣枙r)時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。即冬至日當天9∶00～15∶00時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。固定式布置的安裝方式前提下,光伏組件在冬至日當天太陽時段9∶00～15∶00不被遮擋的陣列間距示意如圖5所示[4]。

圖5 不被遮擋的陣列間距示意

圖5中,陣列間距D值可以由以下公式計算[4]:

(3)

式中:L——陣列傾斜面長度;

D——兩排陣列之間距離;

β——陣列傾角;

φ——當?shù)鼐暥取?/p>

在光伏陣列的周邊,主要是東、西、南三個方向如有障礙物,則離障礙物最近的陣列組件的距離也應(yīng)滿足在冬至日當天太陽時9∶00～15∶00不被遮擋。

3.4 總體布置設(shè)計案例

運用上述3大部分設(shè)計方案進行實際項目的配置設(shè)計。廣州某建筑物屋面建設(shè)分布式光伏發(fā)電項目,建筑物為正南朝向,長為32.8 m,寬為72.4 m,女兒墻高度為1.5 m。樓梯間在屋面的東南角,寬為8.2 m,長為12.7 m,高為3 m。在樓面的西南角有一個蓄水池,長為3.8 m,寬為3.5 m,高為2.3 m。建筑物屋面建筑平面圖如圖6所示。

圖6 建筑物屋面建筑平面圖

擬選用光伏組件的技術(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。擬選用逆變器的技術(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。

(1) 安裝方位角和傾斜角選擇配置。該建筑物為正南朝向,故光伏組件的安裝方位選擇為正南朝向,方位角為0°。經(jīng)NASA查詢,項目所在地廣州市的經(jīng)緯度。依據(jù)“組件最佳傾角”宜等于“所在地的緯度角”的論述,光伏組件安裝傾斜角宜選為23°。

(2) 組件串并聯(lián)數(shù)設(shè)計配置。在實際項目配置設(shè)計過程中,光伏組件的串聯(lián)數(shù)一般按照式(2),結(jié)合光伏組件和逆變器的技術(shù)數(shù)據(jù),以及年均平均溫度值計算出來逆變器MPPT電壓范圍內(nèi)的串聯(lián)數(shù)值。然后取電壓值接近逆變器額定直流輸入電壓值所對應(yīng)的串聯(lián)數(shù)。再結(jié)合式(1)以及工作環(huán)境極限低溫值進行驗算,不超出逆變器允許輸入最大電壓值[11-16]。

經(jīng)查詢,項目所在地廣州市1981—2017年的年均極限低溫為3.4 ℃,年均極限高溫為37.1 ℃,年均溫度為22.3 ℃,通過式(2)計算得出在逆變器MPPT電壓范圍內(nèi),串聯(lián)數(shù)N范圍:15≤N≤25。且在年平均溫度下,當N取值22時,組串輸出電壓值714.3 V與逆變器的額定工作電壓值720 V最為接近。再通過式(1)核驗,當N取值22時,工作環(huán)境極限低溫值3.4 ℃下,組串輸出開路電壓值為926 V,低于逆變器最大允許輸出電壓值1 100 V。因此,配置光伏組件組串數(shù)N取值22。

表2 擬選用光伏組件的技術(shù)數(shù)據(jù)

表3 擬選用逆變器的技術(shù)數(shù)據(jù)

再按照文獻[6],并結(jié)合光伏組件和逆變器的技術(shù)數(shù)據(jù),計算光伏組串并聯(lián)數(shù)。經(jīng)計算,得到并聯(lián)數(shù)<3.52,取整,為3、2、1。

因此,可根據(jù)項目實際可取值,每個逆變器MPPT回路并聯(lián)接入3串光伏組串。

(3) 陣列前后間距設(shè)計配置。在項目實際配置設(shè)計過程中,光伏組件的排布方式有多種。一般,在場地面積滿足敷設(shè)排布的情況下,宜將同一組串光伏組件組成最小陣列單元,采用單排或雙排模式。

該項目中組串數(shù)N取值22,可采用1×22或者2×11兩種最小陣列單元排布方式。本文采用2×11最小陣列單元進行陣列前后間距配置計算。按照式(3),結(jié)合陣列傾斜面長度3 300 mm(1 650×2 mm)、安裝傾角23°、項目地緯度23°,計算得到兩排陣列之間距離D=4 856 mm。前后陣列間距排布示意圖如圖7所示。

圖7 前后陣列間距排布示意圖

該項目中建筑物的女兒墻高度為1.5 m,東南角的樓梯間高度為3 m,西南角的蓄水池高度為2.3 m。還需計算這3個障礙物的陰影長度,以確定光伏組件的排布離障礙物的最小距離。圖6中,障礙物的高度值即是H值,同樣方法運用式(3)可計算得到障礙物的陰影長度,即光伏組件距離障礙物的最小距離。通過計算得到,女兒墻、樓梯間、蓄水池在9∶00時陰影南北長度分別為1.68 m、2.80 m、3.78 m,陰影東西長度分別為1.76 m、2.94 m、3.97 m。因此,在光伏組件排布時南面距上述障礙物最近的光伏組件前端與障礙物之間的距離應(yīng)不小于1.68 m、2.80 m、3.78 m,東西面距上述障礙物最近的光伏組件前端與障礙物之間的距離應(yīng)不小于1.76 m、2.94 m、3.97 m。對于光伏組件北面距離障礙物的距離,由于北面在光伏組件的后方,而光伏組件朝南,故該距離滿足項目建成后組件運維空間需求距離即可,一般在0.6～1.5 m之間取值。

(4) 光伏組件排布設(shè)計。通過上列方位角和安裝傾角、陣列間距、障礙物陰影距離、光伏組件串并聯(lián)數(shù)的計算和配置設(shè)計,最終對光伏組件進行總平面排布設(shè)計。光伏組件排布如圖8所示。

圖8 光伏組件排布

4 結(jié) 語

本文對小型分布式光伏項目勘查和設(shè)計的基本方法進行分析,包括現(xiàn)場勘查的主要內(nèi)容和注意事項、太陽能資源查詢和應(yīng)用、光伏發(fā)電的總體設(shè)計。列出現(xiàn)場勘查收資的內(nèi)容項目以及所需注意事項,給出太陽能資源數(shù)據(jù)查詢方法,對分布式光伏發(fā)電項目的安裝方位角、傾斜角的選擇配置提出建議,給出光伏組件的串并聯(lián)數(shù)和陣列間距計算公式。結(jié)合具體案例,介紹光伏發(fā)電的總體設(shè)計配置和計算過程。所述內(nèi)容和方法僅是對于分布式光伏項目的現(xiàn)場勘查和設(shè)計的基本方法的探討,從事開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)相關(guān)人員宜根據(jù)不同項目的實際情況進行項目的勘查、設(shè)計和建設(shè)。