太阳能光伏建筑一体化电站设计

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（1. 淄博市规划设计研究院 山东淄博255000
2.安科瑞电气股份有限公司  上海201801）

摘要：光伏发电项目作为新能源的代表，是我国可持续发展能源战略规划，光伏建筑一体化同时对推进太阳能利用及光伏电池组件产业的发展进程具有非常重大的示范意义，可充分促进光伏行业的发展，大规模带动就业，其经济、环保等效益显著。以实际项目工程为例简要介绍了整套光伏电站的系统组成，对光伏电站的发电量和经济效益进行分析，同时对项目风险进行了分析。
关键词：光伏发电；光伏系统；项目发电量；项目收益分析

1.引言
   光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念，简而言之，就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。光伏电池组件与建筑物完美结合，所发电能并入电网，节约资源并能获得经济效益，而且光伏电站投资省、见效快、运行成本低、资金风险小。
   本设计项目是利用江阴某工厂办公楼空闲屋顶建设屋顶太阳能光电建筑项目。依据最先进的光伏建筑一体化的技术，将太阳能发电站与建筑本身完美地结合在一起。
   项目总的装机容量为66.3kWp（即光伏电站电池组件的峰值功率），采用的是高效的多晶硅组件电池板,使用寿命在25年以上；光伏系统所发的电全部并入最近的400V变电站，并网使用（配置双向计量电表）。
   项目实际装机容量为66.3kWp，25年均发电量为6.33万度电，年均节约标准煤24.64吨，年CO2节排8.84吨。
2.项目概述
2.1地理位置
   江阴市位于北纬31°、东经120°附近，属北亚热带季风性湿润气候，年平均气温16.7℃，年降雨量1040.7毫米。全境地势平缓，平均海拔6米左右。太阳年辐射总量115.7千卡/平方厘米。一年中太阳辐射月总量以7月和8月最多，分别为13.5千卡/平方厘米和13.7千卡/平方厘米；12月和1月最少，均为6.3千卡/平方厘米。
2.2 建筑类型和电站规模
   本设计项目的办公楼整体南北走向，楼顶屋面为混凝土水泥上人屋面，东、西、南侧均无明显高大的近距离建筑物遮挡，屋面载重符合要求，完全可以在屋顶架设太阳能光伏组件。
   根据客户提供的相关图纸和实地勘察，其厂房屋顶上建设分布式光伏电站可安装总容量为66.3kWp。
3.技术方案设计
3.1系统构成

图1 并网点光伏电站系统原理构架

3.2组件安装方式
   组件安装倾角不同，每平方米的辐射度也会不同，现场光伏组件以25度左右的倾角安装在水泥屋顶上。
3.3系统主要元器件
   光伏并网发电系统由太阳电池组件、组串式光伏并网逆变器、交流汇流箱、交流并网柜和系统的通讯监控装置组成。
   66.3kWp并网光伏发电站主要组成如下：太阳能电池组件采用260块HR-255Wp晶体硅组件；支架采用阳极氧化的铝合金材料；光伏并网逆变器采用3台逆变器；交流汇流箱采用1台AZX-H汇流箱；交流并网柜采用一台AZG-B并网柜；系统的通讯监控装置设计采用光伏电站综合监控系统。
3.3.1 组件
   根据总装机容量和各区屋面实际情况本期光伏电站为66.3kWp，应该选取260块255WP组件。太阳能电池组件应具有非常好的耐侯性，能在室外严酷的条件下长期稳定可靠运行，应同时具有高的转换效率和廉价。选择优质高效的太阳能电池组件是并网光伏电站可靠运行且提高发电量的关键之一。
   本项目组件采用HR-255Wp系列：此款组件外观匀称，结构轻巧坚固，具有良好的抗风雪功能。边框带流水槽，可防止组件积水，避免边框结冰爆裂。边框氧化膜较厚，能满足恶劣条件下的使用要求，特别是盐雾气候的使用要求。
3.3.2 逆变器
   选用ASI系列光伏并网逆变器。ASI系列采用高效率、小型化低频隔离变压器设计以及高性能低功耗功率器件，更安全可靠。

   ASI系列光伏并网逆变器参数见表1。
3.3.3交流汇流箱
   在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。AZX-H系列智能光伏汇流箱主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。
3.3.4计量装置
   计量装置有供电局提供专用计量，带通讯功能，需要数据上传。计量装置安装于交流配电柜中。交流配电柜中留好安装位置及二次接线和通信线。
3.3.5系统的通讯监控装置
   并网型光伏发电系统监控软件是安科瑞电气股份有限公司面向并网光伏发电的远程监控软件，它以现场总线技术、以太网技术、无线通讯技术、计算机技术为基础，采用先进技术开发的监测、控制和管理系统，具有组态功能、控制功能、报警功能、调试诊断、报表及曲线功能，系统拓展方便。该软件集成光伏发电系统和电能管理系统监控功能，对光伏发电系统进行远程实时监控、统计分析、历史事件记录，同时还可直接将配电监控系统接入，进行集中监控。
   本项目可在办公室安装后台监控系统。通过光伏发电系统监控软件对太阳能发电系统进行监测、控制和管理。
4.安装设计
   光伏组件安装之前，标示好基座预制件的位置，安放好基座预制件。将光伏支架安装固定在基座预制件上。光伏支架按10级台风和50年一遇雪载荷要求设计。结合本地的太阳能辐射情况最大限度的利用好太阳能，本期工程光伏组件安装角度为25度。项目采用20块255W组件接成一串，总计13串光伏组串，其中2台20KW逆变器各接入4串组件。1台25KW逆变器接入5串光伏组件。组串全部接入逆变器后，由逆变器输出端的电缆进行汇入交流汇流箱。
   太阳能电池板金属固定架上连接屋顶原有避雷网作为保护。防止太阳电池板方阵设备遭直接雷击。太阳电池方阵通过电缆接入组串式逆变器，逆变器采用压敏保护装置可有效地避免雷击导致设备的损坏。
   配电房主要实现各种保护和计量、接入变压器，通过低压室中的交流配电柜进行并网。配电室应该保持整齐清洁，及良好的通风散热环境，设备上的灰尘和污物应及时清理。变压器低压柜边增加交流并网柜。交流并网柜母排与变压器低压柜母排拼接，柜内安装一只进线断路器，用于线路保护。
5.项目发电量及社会效益分析
5.1系统效率
   光伏发电系统效率受很多因素的影响，包括：当地温度、污染情况、光伏组件安装倾角、方位角、光伏发电系统年利用率、太阳电池组件转换效率、周围障碍物遮光、逆变损失以及光伏电站线损等。将计算方法简化后，光伏发电并网系统的总效率以下几个部分组成。
   1）光伏电厂占地面积大，直流侧电压高，电流小，导线有一定的损耗，根据规范本工程此处损耗值按2%设计。
   2）大量的太阳能电池组件之间存在一定的特性差异，不一致性损失系数为3%。
   3）考虑太阳能电池组件表面即使清理仍存在一定的积灰，遮挡损失系数为4%。
   4）光伏并网逆变器转换效率：光伏并网逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，效率取96%计算。
   5）早晚不可利用太阳能辐射损失系数为4%。
   6）光伏电池的温度影响系数按1.8%考虑。
   7）并考虑当地气候变化及各种不利因素的影响，根据经验此处不可预见因素损失系数为6.8198%。
   8）系统总效率为：η总＝η1×η2×η3×η4×η5×η6×η7、
＝（1-2%）×（1-3%）×（1-4%）×96%×（1-4%）×（1-1.8%）×（1-6.8198%）
≈77%
5.2 发电量计算
5.2.1太阳能月辐射量
   根据《中国气象辐射资料年册》提供的资料，江苏地区各月太阳能辐射量资料见表2：

5.2.2年发电量计算
   首年的发电量=装机容量X辐照量 X系统效率
   以日射量来估算发电量。
   a、光伏阵列效率η1：
   光伏阵列在1000W/m2太阳能辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。
   光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括：① 组件匹配损失：对于精心设计、精心施工的系统，约有4%的损失；
   ② 太阳辐射损失：包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失，取值5%；
   ③ 偏离最大功率点损失：如温度的影响、最大功率点跟踪（MPPT）精度等。取值2-4%；
   ④ 直流线路损失：按有关规定，应小于1-3%。
   取：η1=96%×95%×98%×98%=87.6%
   b、逆变器的转换效率η2：
   一般并网逆变器效率在94%以上，取94%;逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。
   C、交流并网效率η3：
   若不经过高压电网的传输，效率可取η3=1
   系统总效率η=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%
   系统第一年发电量（EP）=PAS×HA×η×365
   PAS：太阳光伏阵列容量
   HA：当地平均日射量（kwh/㎡/day）
   η: 系统总效率
   本项目光伏电站组件在水泥屋面正南25度安装，按光伏板使用25年计算，考虑到光伏电池板及相关部件的损耗，剩下24年按照每年0.8%递减计算。本工程年平均发电量为6.33万度,25年总发电量约158.28万度。
5.2.3  项目产生经济效益和系统环境效益
   根据上述发电量情况，结合公司的工业用电价格及国家补贴等，本项目在25年的使用周期内，具有可观的经济效益，具体为：项目总投资约8元/W，总投资金额约53万元。按光伏发电的90%自用，10%上网。每年的年总收入为8.61万元。年投资收益率为16.24%。
   经济效益方面：根据发电量和投入的建设成本结合实际用电情况、在不考虑电费上涨、设备维护更换等因数的基础上，预计6.16年左右收回投资成本，25年产生经济效益约为203.83万元。
   环境效益方面：根据目前我国发电煤耗为平均390克标煤/度计算。预计25年总节约标煤：158.25万度×390克/度=616吨标准煤。预计25年减排CO2：1582500kWh×1.4kg CO2/kWh=221吨、减少排放SO2约12.37吨、减少排放NOx约4.29吨，具有较大的环境和社会效益。
5.3社会效益
   江阴地区太阳能资源储量丰富，大力发展太阳能具有显著的社会效益。不仅可改善能源结构的不合理，增加新能源在电网中的份额。同时能缓解当地电力供需的紧张状况，带动当地的劳动就业，对发展当地经济具有深远的意义。
6、项目风险分析
   光伏系统主要设备品质优良，其中太阳板寿命25年以上，控制器、逆变器寿命10年以上。并网逆变器和配电系统，具有完善的各类故障与事故的保护功能确保人身与电网和光伏系统的设备安全。系统的设备可以采用焊接、专用螺栓连接，只有专业工具才能打开，可以起到一定的安全和防盗作用。对于电气安全，因为带电部位密封，线缆暗敷，关键部位带有警示标识，因此只要安装操作手册规范使用，就不会出现其它安全问题。
   本太阳能光伏屋顶系统由专业电力系统专业机构联合优化设计，具有很高的可靠性和性价比。故光伏屋顶系统稳定可靠，不会对人身及房屋构成任何危险，安全可靠。具体有以下几点：
   1）屋顶安装太阳能光伏系统，支撑系构件及基础有效安装在承重墙上，同时光伏系统对屋面的承重能力要求较小，由于光伏组件及支撑系统的载荷≤25kg/m2，该建筑屋面铺设光伏组件完全能满足该屋面原设计承重要求。
   2）考虑到在屋顶安装太阳能光伏系统时，对支撑系构件及基础有效安装在承重墙上，并对屋面的防水层进行必要的处理，确保在屋顶安装上太阳能光伏系统，屋面不会出现渗漏等问题。
   3）在屋面安装光伏组件时，充分考虑和屋檐有足够的安全距离，确保在安装、施工及大风天气的影响，采取有效的防护措施安装结构，防止组件脱落。
   4）考虑建筑物的整体建筑外观要求，实现与建筑的有效结合，使其不影响建筑物的整体外观形象。
7、结语
   本项目工程按选定的地址利用既有厂区办公楼建筑屋顶，以25度倾角方式架设多晶硅电池组件装机总容量为66.3kWp。工程动态总投资约为53万元，25年经济寿命期内年平均年上网电量约为6.33万kW²h。
本工程的建设对优化能源结构、保护环境，减少温室气体排放、推广太阳能利用和推进光伏产业发展具有非常积极的示范意义，同时也具备较好的社会和环境效益。
   文章来源：《绿色建筑》2017年3期。