馮相賽

(上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200241)

某屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況分析

馮相賽

(上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200241)

針對(duì)上海地區(qū)某企業(yè)廠房建筑屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況，利用PVSYST光伏模擬軟件分析了上海地區(qū)光伏電站最佳傾角，從光伏組件安裝方式、電氣接線設(shè)計(jì)等方面分析了該光伏電站從最初的方案設(shè)計(jì)到最終的并網(wǎng)運(yùn)行情況。從屋頂光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，該屋頂電站總體上發(fā)電穩(wěn)定，與最初的設(shè)計(jì)方案基本一致，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。針對(duì)光伏電站運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的電氣設(shè)備問題，經(jīng)過現(xiàn)場檢測(cè)分析，找出了光伏電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的原因并及時(shí)采取了相應(yīng)的對(duì)策，保證光伏電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

屋頂光伏；電站建設(shè)；運(yùn)行情況；故障處理

太陽能作為一種清潔的可再生能源在世界各地得到廣泛應(yīng)用[1]。太陽能光伏電站的建設(shè)一方面可以減少煤電對(duì)環(huán)境的污染問題[2,3]，另一方面可以有效解決煤電、火電等傳統(tǒng)發(fā)電模式分配不均的問題，分布式光伏電站所產(chǎn)生的電能供用戶就地消納，減少電力輸送環(huán)節(jié)，降低電網(wǎng)的調(diào)度負(fù)擔(dān)[4,5]。

我國的光伏電站根據(jù)各地的具體情況，電站模式也不盡相同。西部以及山地丘陵地區(qū)，地廣人稀，多以地面光伏電站為主，中東部以及城市地區(qū)，人口稠密，土地資源稀缺，多以屋頂光伏電站為主。近年來，上海市根據(jù)自身的特點(diǎn)指定了明確的光伏電站補(bǔ)貼措施，大力推進(jìn)屋頂分布式光伏電站的建設(shè)，取得了一定的成效。文章以上海市某建筑屋頂光伏電站為例介紹上海地區(qū)的屋頂光伏電站的方案設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，在總結(jié)屋頂光伏電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，為上海地區(qū)乃至全國范圍內(nèi)其它屋頂光伏電站的建設(shè)提供借鑒及參考。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于上海市浦東某園區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目分為A、B兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別有6幢建筑的屋頂可供安裝太陽能光伏系統(tǒng)，建筑主體為門式鋼架結(jié)構(gòu)。屋頂坡度為5°，屋面無其它附屬設(shè)施，比較適宜鋪設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 日照情況

上海地區(qū)處于東經(jīng)120°52’至122°12’，北緯30°40’至31°53’之間的區(qū)域，平均海拔高度為3.7 m。上海日照條件充足，年累計(jì)日照時(shí)數(shù)為1 909 h，根據(jù)氣象站1995-2007年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海市多年平均太陽總輻射量為4 542 MJ/m2，太陽總輻射歷年變化情況如圖1所示。

圖1 上海市太陽總輻射量統(tǒng)計(jì)

1.2 最佳傾角模擬

由于不同地區(qū)太陽的方位角各不相同，而光伏電站要獲得最佳發(fā)電量就要精確計(jì)算光伏電站所處位置的光伏組件最佳傾角。PVSYST光伏模擬軟件被廣泛用來模擬光伏電站的發(fā)電情況。為了便于對(duì)比，選用峰值功率為300 W的單個(gè)光伏組件對(duì)不同傾角光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量進(jìn)行模擬，PVSYST模擬參數(shù)為：300 Wp的多晶硅標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，組件有效面積為1.6 m2，系統(tǒng)為自然通風(fēng)狀態(tài)，通過設(shè)定PVSYST相應(yīng)?？熘械牟煌M件傾角得出不同傾角下的年發(fā)電量如圖2所示。

圖2 不同傾角對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響

從不同傾角對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響模擬結(jié)果來看，在上海地區(qū)，光伏電站組件的最佳傾角易設(shè)定在22°左右時(shí)，光伏電站的年發(fā)電量最優(yōu)。在該光伏電站的方案設(shè)計(jì)時(shí)主要參考該最佳傾角以及實(shí)際屋頂?shù)钠露冗M(jìn)行光伏系統(tǒng)的布置。

2 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)上海地區(qū)的日照情況，結(jié)合本項(xiàng)目屋面的具體結(jié)構(gòu)及方位，從光伏組件安裝排布、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置、經(jīng)濟(jì)效益等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)出符合本項(xiàng)目的最佳方案。

2.1 組件固定方式

屋頂光伏電站首要考慮的因素就是屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)問題，不同的屋頂結(jié)構(gòu)需要不同的光伏支架及固定技術(shù)。常見的屋面結(jié)構(gòu)有混凝士結(jié)構(gòu)屋頂和彩鋼瓦結(jié)構(gòu)屋頂，混凝土屋面一般比較平整，配以適當(dāng)?shù)乃鄩簤K即可，而彩鋼瓦的形式多樣決定了彩鋼瓦屋頂光伏系統(tǒng)固定方式的多樣性。本項(xiàng)目的屋頂均為彩鋼瓦屋頂，根據(jù)建筑的具體結(jié)構(gòu)形式，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行校核，分析屋頂是否能夠承受屋頂光伏系統(tǒng)的附加重量，確保屋頂光伏電站在不破壞屋頂原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，有足夠高的安全可靠性能。

本項(xiàng)目所有屋面的彩鋼瓦結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 屋頂彩鋼瓦結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)該種彩鋼瓦的具體結(jié)構(gòu)形式，采用相應(yīng)的夾具對(duì)屋面上的光伏板進(jìn)行固定，固定方式如圖4所示。

圖4 屋頂光伏系統(tǒng)固定方式

該種光伏組件的固定方式采用夾具通過螺栓與彩鋼屋面固定，可以避免對(duì)屋面原有結(jié)構(gòu)造成破壞，影響屋頂?shù)姆浪δ堋?/p>

2.2 電氣連接

本項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)由多晶硅組件、并網(wǎng)逆變器、升壓變壓器、交流高低配電柜、并網(wǎng)配電系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)和其他輔助配套設(shè)備組成。組件采用255 Wp的高效率多晶硅太陽能組件，逆變器采用500 kW的光伏逆變器，各子系統(tǒng)直流電經(jīng)逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟娭蠼尤?0 kV開關(guān)站。系統(tǒng)電氣一次系統(tǒng)接線示意圖見圖5。

圖5 電氣一次系統(tǒng)接線示意圖

本項(xiàng)目裝機(jī)總?cè)萘繛?.76 MWp，屬于大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，組件與逆變器之間、各個(gè)建筑光伏系統(tǒng)之間的電纜較多，給施工及后期運(yùn)維帶來一定的難度，為了減少太陽能電池組件與逆變器之間的連線方便以后的維護(hù)，在太陽能光伏組件與逆變器之間配置直流匯流裝置和光伏電纜轉(zhuǎn)接箱。

為了提高光伏系統(tǒng)的可靠性、更好地掌握光伏系統(tǒng)的發(fā)電情況，完善的電氣二次系統(tǒng)是必不可少的。本項(xiàng)目配置一套自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，全面監(jiān)控逆變器及升壓變壓器等電氣設(shè)備的運(yùn)行情況。系統(tǒng)可以采集高低壓側(cè)的三相電流、電壓、功率、開關(guān)狀態(tài)逆變器輸出功率等信息，同時(shí)可以采集各支路的發(fā)電量和電子設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便運(yùn)維人員及時(shí)掌握電站各設(shè)備的運(yùn)行情況。

2.3 效益分析

利用PVSYST光伏軟件，結(jié)合上海當(dāng)?shù)氐娜照諒?qiáng)度、日照時(shí)長、系統(tǒng)的組件傾角等參數(shù)，模擬出該光伏電站25年的發(fā)電量如表1所示。

由表1可以看出，25年間的年均發(fā)電量為431.1萬kWh。根據(jù)光伏電站的發(fā)電情況，結(jié)合國家及上海市對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼，預(yù)計(jì)25年累計(jì)收入9 494.2萬元，而該項(xiàng)目的總投入成本約4 000萬，從經(jīng)濟(jì)測(cè)算層面來看，該項(xiàng)目的運(yùn)行能夠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 光伏電站25年發(fā)電情況預(yù)測(cè)

另一方面，本項(xiàng)目為社會(huì)所提供的電力為清潔能源的電力，與相同發(fā)電量的火電相比，每年可節(jié)約標(biāo)煤1 690.46 t，每年可減少多種大氣污染物的排放，其中減少二氧化硫排放量約36.29 t，二氧化碳約3 521.67 t，氮氧化物16.35 t，煙塵減排量約286.11 t，同時(shí)還可以節(jié)約大量淡水資源，本項(xiàng)目的實(shí)施能夠?yàn)樯虾５貐^(qū)的環(huán)境保護(hù)作出一定的貢獻(xiàn)。

3 光伏電站的運(yùn)行情況

通過調(diào)試運(yùn)行及項(xiàng)目驗(yàn)收，本項(xiàng)目完工后的工程現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 屋面光伏電站現(xiàn)場示圖

該屋頂光伏系統(tǒng)電站自運(yùn)行以來，整體運(yùn)行情況良好。該光伏電站最近一段時(shí)間的發(fā)電數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 光伏電站日發(fā)電數(shù)據(jù)

從光伏電站的發(fā)電數(shù)據(jù)可以看出，光伏電站的發(fā)電量與天氣有密切的關(guān)系，根據(jù)上海市氣象局的信息顯示，2016年上海市的梅雨期為6月15日至7月12日，在梅雨期內(nèi)，多為陰雨天氣，降水較多，從圖7的發(fā)電數(shù)據(jù)可以看出，梅雨期導(dǎo)致光伏電站發(fā)電量普遍偏低，光伏電站的發(fā)電量隨著天氣的變化而產(chǎn)生較大的波動(dòng)。上海地區(qū)在七月份出梅之后，天氣逐漸轉(zhuǎn)晴，光伏電站日發(fā)電量趨于穩(wěn)定且居于發(fā)電峰值，每天的發(fā)電量接近30 000 kWh，光伏發(fā)電性能優(yōu)良。

4 存在的問題及解決方案

在光伏電站的運(yùn)行過程中，出現(xiàn)發(fā)電量突然減少的情況，二期的單個(gè)逆變器的發(fā)電量不足一期單個(gè)逆變器發(fā)電量的50%，經(jīng)現(xiàn)場檢測(cè)發(fā)現(xiàn)光伏電站發(fā)電量減少的原因是二期中的一個(gè)光伏電纜轉(zhuǎn)接箱中的空氣開關(guān)跳開所致。

經(jīng)檢測(cè)，該空氣開關(guān)的跳閘是由于光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)接箱缺少有效的通風(fēng)散熱措施造成夏季環(huán)境溫度過高以及個(gè)別空開質(zhì)量瑕疵所致，經(jīng)維護(hù)人員更換空開之后，光伏電站恢復(fù)正常狀態(tài)運(yùn)行。針對(duì)該種故障情況，建議在以后的光伏電站建設(shè)當(dāng)中采用具有散熱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接箱，保證轉(zhuǎn)接箱內(nèi)的空開的環(huán)境溫度不會(huì)過高，減少光伏電站意外情況的發(fā)生，保障光伏電站的順利運(yùn)行。

5 結(jié)語

文章以上海地區(qū)某屋頂光伏電站為背景，介紹了屋頂光伏電站的設(shè)計(jì)與建設(shè)運(yùn)行情況。利用光伏模擬軟件PVSYST對(duì)屋頂光伏電站的安裝角度進(jìn)行了優(yōu)化，介紹了屋面光伏電站電氣設(shè)計(jì)，分析了該屋面光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，

針對(duì)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過現(xiàn)場檢測(cè)確認(rèn)，找出了其中產(chǎn)生故障的原因并進(jìn)行了及時(shí)處理，使該屋頂光伏電站在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了正常的工作狀態(tài)。

本項(xiàng)目的建設(shè)在滿足園區(qū)企業(yè)白天用電的同時(shí)，將多余電量銷售給電力公司，在有效利用建筑屋頂?shù)耐瑫r(shí)，為業(yè)主帶來豐碩的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。該屋面光伏電站的介紹為今后上海地區(qū)乃至全國各地屋頂光伏電站的建設(shè)提供一定的借鑒。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Design and Operation Situation Analysis of Rooftop PV Power Station

FENG Xiang-sai

(Shanghai Solar Energy Research Center, Shanghai 200241, China)

For the designing and running condition of PV power station which was built on roof of the industrial plant in Shanghai, photovolatic software of PVSYST was used to analyze optimum tilt angle of the station on the built roof. The process of the PV power station construction was analyzed from the initial design to final grid-connection operation, including the installation method and electrical wiring design. The operation data of the PV power station shows that the station power generation is stable, in accordance with the original design scheme, that is to say, the desired design target was achieved. Through the scene test analysis, electrical equipment problems arising in the process of running were found out and corresponding contermeasure were taken timely, ensuring normal operation of the PV power station. This analysis on the design and running condition of the rooftop PV power plant can provide certain reference to related engineering and technical personnel.

roof PV; power station construction; operation condition; fault treatment

10.11973/dlyny201606018

馮相賽(1985)，男，博士，工程師，從事光伏應(yīng)用技術(shù)研究與應(yīng)用。

TU18

B

2095-1256(2016)06-0750-04

2016-10-23