何志誠 呂建 楊洪興

50kWp屋頂分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究

何志誠1呂建1楊洪興2

1天津城建大學能源與安全工程學院
2香港理工大學屋宇設(shè)備工程系

結(jié)合天津地區(qū)某小區(qū)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，對其運行狀態(tài)進行實時測試和分析。從發(fā)電效率、累計發(fā)電量、逆變器效率等指標評價實際工程的運行效果。針對分布式發(fā)電的特點，比較售樓處4個發(fā)電單元的運行情況，驗證了發(fā)電單元朝向正南、傾角為當?shù)鼐暥劝惭b才有最佳的運行效果。并網(wǎng)逆變器能在陣列輸出功率較小時達到較高的效率，且能量損失小。

分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電效率并網(wǎng)逆變器

0引言

并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)作為發(fā)展可再生、綠色能源的主力軍，已經(jīng)經(jīng)歷了僅十幾年的迅猛發(fā)展。作為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的新生力量，分布式并網(wǎng)發(fā)電將在今后的很長一段時間內(nèi)得到重視、廣泛推廣和應用?！犊稍偕茉窗l(fā)展“十二五”規(guī)劃》中指出，“十二五”期間分布式光伏發(fā)電容量將超過1000萬kW，而且支持分布式發(fā)電能并網(wǎng)[1]。由此可見，不管是與公共建筑還是與民用住宅相結(jié)合的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將是我國推行可再生能源的一種重要形式，目前相關(guān)技術(shù)和運用還不夠成熟，還需進一步通過示范工程對其做總結(jié)和應用推廣工作。

分布式并網(wǎng)發(fā)電通常是把光伏電池陣列與建筑圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合起來的一種形式，一般安裝在平屋頂和坡屋面。屋頂分布式光伏系統(tǒng)不占用土地資源，特別適合于在建筑物密集、土地資源緊缺的城市中應用；產(chǎn)生的電力可以就近使用或并網(wǎng)，減少了電力傳輸及配電過程的能量損失；日照強時恰好是用電高峰，可以降低建筑物的用電峰值負荷，有效緩解電網(wǎng)負擔；裝機容量較小，對電網(wǎng)沖擊小，電網(wǎng)消納能力強[2]。

為了達到系統(tǒng)的最優(yōu)化運行，在規(guī)劃和設(shè)計階段需要有針對性地預測和評估系統(tǒng)的發(fā)電能力和運行效果。文獻[3]通過檢測、采集由不同類型電池構(gòu)成的光伏系統(tǒng)的電氣變量和全年運行數(shù)據(jù)，并對其做經(jīng)濟性分析。文獻[4]介紹了大型屋頂光伏并網(wǎng)示范電站的系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)計研究，分析安裝在不同圍護結(jié)構(gòu)處的光伏系統(tǒng)的運行情況，并開發(fā)出一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。另有光伏發(fā)電系統(tǒng)免費設(shè)計軟件，具備較全面的數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)設(shè)計、發(fā)電量預測及經(jīng)濟效益分析等功能。但是，實際工程應用中，多種因素綜合影響光伏系統(tǒng)運行，太陽輻射（直射輻射和散射輻射）、溫/濕度、空氣透明度、光伏組件類型、表面積灰和周圍環(huán)境。其中有些影響因素可以建立量化模型，而有些因素則由于地域性差異大，造成設(shè)計階段的預測與現(xiàn)場實測有偏差，還需要積累更多更全面的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進一步完善模型的構(gòu)建。

本文針對天津市濱海新區(qū)中新生態(tài)城某小區(qū)內(nèi)的屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)做長期數(shù)據(jù)運行觀察和實驗研究[5]，尋求實際應用中的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力、運行特性，綜合評價分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應用效果。

1實驗系統(tǒng)概況

1.1氣候特征

該系統(tǒng)位于天津市濱海新區(qū)某小區(qū)內(nèi)（北緯39° 06'～39°07'，東經(jīng)117°43'～117°45'）。項目所在地屬于大陸性半濕潤季風氣候，四季分明。春季多風，干旱少雨；夏季炎熱，雨水集中；秋季天高氣爽；冬季寒冷，干燥少雪。年平均日照時數(shù)為2998.9h，平均日照百分率為64.7%，屬于太陽能資源較豐富區(qū)。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)于2010年12月份建成，主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器及通訊監(jiān)控裝置組成（圖1）。光伏陣列總峰值功率為51.3kWp。光伏電池板采用單晶硅電池，共計342塊，分別安裝在售樓處和6棟住宅樓屋面，其中售樓處由于其屋面限制，將光伏陣列按照不同方位角和不同傾角安裝為4個7200Wp發(fā)電單元，每個發(fā)電單元用一臺型號SMC7000HV的并網(wǎng)逆變器，其交流側(cè)分別與四個30A可上鎖的雙級隔離器相連，之后由一根安裝有單相電表的母線統(tǒng)一接至配電箱，在配電箱處光伏系統(tǒng)與屋苑公共電網(wǎng)系統(tǒng)相連，實現(xiàn)并網(wǎng)。接入電網(wǎng)部分的相關(guān)設(shè)備（隔離器，單相電表，配電箱等）均設(shè)于逆變機房內(nèi)。住宅樓所使用的逆變器為SB3000型，安裝形式與售樓處相似。

圖1分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)系統(tǒng)圖

所用到的逆變器均為德國SMA公司所生產(chǎn)，自身就帶有數(shù)據(jù)采集功能，采集的數(shù)據(jù)能滿足要求，無需再添加相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，僅使用與逆變器配套使用的逆變器控制器即可完成與數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件直接的通訊。采用PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器，對光伏陣列和環(huán)境溫度進行溫度采集監(jiān)控，PT100熱電阻是利用其溫度隨電阻值之間的線性關(guān)系，將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號來測溫。使用太陽輻射測試儀作為監(jiān)控太陽輻射強度的儀器，并能通過相關(guān)采集模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件。

2數(shù)據(jù)分析

2.1發(fā)電量分析

影響屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的主要因素是照射到光伏組件表面的太陽輻射強度。由于太陽輻射強度的不穩(wěn)定性，光伏系統(tǒng)的輸出電量也不恒定。除這個主要因素之外，光伏組件工作溫度、環(huán)境溫度、組件表面積灰、連線損耗和傳輸線損也會影響到發(fā)電量。

50kWp分布式發(fā)電系統(tǒng)自2011年11月投入運行，截至2013年2月，已累計并網(wǎng)發(fā)電42403kWh。運行期間各部分光伏組件的發(fā)電量如圖2所示。

圖2分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)各組件發(fā)電量的比較（kWh）

表1 4個光伏發(fā)電單元的安裝方位角和傾角

售樓處的光伏陣列由于安裝場地受限，將其劃分成4個發(fā)電單元（7200Wp），每個發(fā)電單元用一個并網(wǎng)逆變器，其中每個單元的安裝方位角和傾角如表1所示。

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集了售樓處4個發(fā)電單元2012年全年的運行數(shù)據(jù)，采樣周期為1s，每個發(fā)電單元的峰值功率為7.2kWp，其運行的室外環(huán)境相似，但安裝方位角和傾角有所差異，導致了陣列在發(fā)電量上的差別（圖3）。

圖3 2012年每個發(fā)電單元的并網(wǎng)發(fā)電量

從圖3中看出，方位角朝正南，傾角為當?shù)鼐暥鹊陌l(fā)電單元D具有最好的發(fā)電效果，其次是朝向正南，傾角較小的單元，發(fā)電能力最弱的為朝向南偏東方位，傾角與當?shù)鼐暥认嗖钶^大的發(fā)電單元。在設(shè)計分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時，要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來選擇最佳的設(shè)計方案，否則會導致實際運行情況與設(shè)計工況有較大偏差。

在利用光伏發(fā)電設(shè)計軟件進行發(fā)電量的預測時，除了考慮軟件中涉及的因素（如安裝地點、方位角、傾斜角、峰值功率等），還要結(jié)合設(shè)備廠家提供的參考文件，對逆變器和其他雜項進行損耗估算，這樣實際條件運行結(jié)果才會接近模擬結(jié)果。

2.2系統(tǒng)發(fā)電效率

定義發(fā)電效率N=Pa/Pd，實時發(fā)電效率為實測發(fā)電功率/峰值功率、累計發(fā)電效率為單位峰值功率電池在單位時間內(nèi)發(fā)的電量。其中Pa為實測發(fā)電電功率，kW，Pd為系統(tǒng)峰值發(fā)電電功率。

圖4售樓處光伏系統(tǒng)瞬時發(fā)電效率與輻射強度的關(guān)系

以售樓處的系統(tǒng)為例，圖4所示是系統(tǒng)瞬時發(fā)電效率和太陽輻射強度之間的關(guān)系。在一天的運行當中，二者的變化趨勢相似。上午，隨著輻射強度的增大，發(fā)電效率增加較快，接近中午時候發(fā)電效率達到最大值，約為17%；午后，太陽輻射強度達到最大值，但發(fā)電效率略有降低，這是因為光伏電池板的溫度升高，導致效率的下降。輻射強度的變化引起單晶硅電池系統(tǒng)的瞬時發(fā)電效率變化很明顯，且延遲時間短。

圖5為各月的實測發(fā)電效率?？梢钥闯龈髟碌陌l(fā)電效率差異很大，7、8月份雖然太陽輻射量大，但環(huán)境溫度和電池板溫度也高，使得發(fā)電效率低下。4、5月的發(fā)電效率最高，因為天津地區(qū)在這個時期太陽輻射強度較強，環(huán)境溫度不高，而且大氣透明度較好。各月的發(fā)電效率差異會引起負載的用電不均衡性，所以有負載的光伏系統(tǒng)必須得從全年用電均衡性的角度來選擇光伏陣列的安裝傾角，保證光伏電池的發(fā)電能力的有效發(fā)揮。

圖5不同月份的發(fā)電效率

2.3逆變器效率分析

售樓處光伏系統(tǒng)所用SMC7000HV型并網(wǎng)逆變器是正弦波輸出逆變器，最大效率為96.1%，DC端最大直流輸入功率為7500W，最大直流輸入電壓為800V；AC端額定交流輸出功率為6650W，最大交流輸出功率7000W。運行可靠，功率損耗只有0.25W，可根據(jù)太陽輻射強度自動投入并網(wǎng)運行和停止并網(wǎng)運行。通過實測，其最高輸出功率可達96.50%。

從圖6中可知，當輸入功率小時其輸出效率較低。輸入功率為260W時，效率僅有60%；隨著輸入功率的增加，逆變器的輸出功率增大。當輸入功率為1.5kW時，逆變器具有一個較高的效率，可穩(wěn)定在93%左右。

圖6 SMC-7000HV型逆變器輸入直流功率與效率曲線

居民樓光伏系統(tǒng)所用的SB3000HF型并網(wǎng)逆變器也具有和SMC7000HV逆變器類似的性能。

3結(jié)論

本文通過對天津地區(qū)某小區(qū)屋頂分布式光伏發(fā)電工程實際運行情況測試及長期運行數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

1）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與公建和住宅小區(qū)結(jié)合起來相較于大型光伏電站，具有能合理有效利用空置空間，分散發(fā)電就近并網(wǎng)等特點和優(yōu)勢，有更好的發(fā)展空間。

2）太陽輻射強度最能影響光伏系統(tǒng)發(fā)電能力，同時，陣列的安裝方位角和傾角也很重要。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計階段，要結(jié)合安裝現(xiàn)場情況，盡量使發(fā)電單元朝向正南，傾角為當?shù)鼐暥劝惭b，這樣光伏陣列才能達到最佳的運行效果。

3）逆變器能在陣列輸出功率不大的情況下就能達到較高的效率，功率損失小。

[1]黃宏平.分布式光伏發(fā)電或成“寒潮”突破口[N].中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導報，2013-01-21（C03）

[2]彭晉卿.太陽能光伏建筑一體化技術(shù)研究[J].建筑科技,2012, 21:54-59

[3]徐政,樊麗娟.BAPV并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究[J].太陽能學報, 2011,11:1623-1628

[4]劉莉敏,曹志峰,許洪華.50kWp并網(wǎng)光伏示范電站系統(tǒng)設(shè)計及運行數(shù)據(jù)分析[J].太陽能學報,2006,26(2):146-151

[5]畢業(yè)亮,張華玲.光伏建筑一體化實驗研究[J].建筑熱能通風空調(diào),2010,29(2):34-36

The Study of a 50kWp Re s ide ntia l Rooftop Dis tribute d PV Sys te m

HE Zhi-cheng1,LV Jian1,YANG Hong-xing2
1 School of Energy and Safety Engineering,Tianjin Chengjian University
2 Department of Building Services Engineering,The Hong Kong Polytechnic University

Combined with a rooftop distributed PV system of a district in Tianjin area,its running state was real-time tested and analyzed.Operation effect of practical engineering from power generation efficiency,total generating capacity and inverter efficiency was evaluated.According to the characteristics of distributed PV system,the running stations of four generation unit were analyzed.The system has an optimal running state when generation unit toward the south and is installed at the latitude angle is verified.Grid inverter can achieve a high efficiency when the array output power is low and has a small energy loss.

distributed PV system,generation efficiency,grid inverter

1003-0344（2014）05-071-4

2013-6-17

何志誠（1989～），男，碩士研究生；天津城建大學能源與安全工程學院（300384）；E-mail:martin0410@163.com