賈文卓

摘 要：在智能電網中，配電自動化設備多種多樣，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合，制造出一種可為變電站內部配網設備提供多種電源的一體化預裝式變電站，實現了自給自足。

關鍵詞：太陽能；一體化預裝式變電站；光伏瓦

引言

目前發(fā)展綠色能源已成為世界的主流。我國政府也在大力推廣和扶植太陽能的開發(fā)利用。國家電網公司已推出了接納清潔能源發(fā)電上網的政策。近幾年太陽能發(fā)電站的數量和產能在逐年增加。隨著智能配網自動化建設的大力發(fā)展，配電自動化設備得到了廣泛的應用，現有市場上自動化設備種類繁多，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。普通電源系統(tǒng)難以全部滿足，并且現有預裝式變電站中設備所需的直流電源只能外接電源，變電站本身不能提供。

本文涉及到的預裝式變電站地理位置位于天津（經度：東經117°34′；緯度：北緯39°59′；海拔：13米）。據統(tǒng)計，每年的太陽輻射總量達到1693.60kWh/m2，峰值日照時數4.64h，適合應用太陽能發(fā)電。

1 外部結構設計

現有電網中大多是在電站，住宅等建筑基礎上另行安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在屋頂架設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產生防水等相關問題。因此我們采用光伏陶瓷瓦作為建筑材料，將其與預裝式變電站屋頂結合在一起，形成一體化結構，既施工簡便，又能使建筑外觀保持原有的風格。預裝式變電站屋頂尺寸：3350*5350mm（寬*長）。

1.1 所需材料

1.1.1 主要材料

（1）單晶硅光伏陶瓷瓦（以下簡稱光伏瓦）：尺寸：440×330×45mm；重量：2.75kg；標稱功率：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）順水條：防潮防腐木條，18根30*20*1650mm（寬*高*長）。（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 屋頂主體結構及安裝

1.2.1 屋頂主體結構。在人字形屋頂的兩個斜面上間隔固定多根順水條和掛瓦條，順水條與屋脊垂直，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，并施以串并聯連接。提高了受光面積，減小朝向對太陽能吸收的影響，使得太陽能轉化量最大化。見圖1所示。

圖1 光伏瓦屋頂外形

1.2.2 安裝方法。光伏瓦屋頂的安裝：屋面放線→安裝順水條→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劃出順水條位置線。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）順水條安裝：采用3.5×60mm水泥鋼釘，按墨線位置將順水條固定在屋面上，所有固定順水條的釘子間距為500mm。（3）掛瓦條安裝：掛瓦條采用3.5*60mm水泥鋼釘固定在順水條上。掛瓦條與每根順水條相交處都應用釘子固定。鋼釘進入水泥層不小于20mm。從屋檐開始依次向上安裝掛瓦條。釘掛瓦條時，要隨時校核掛瓦條間距尺寸的一致。掛瓦條應釘平整、牢固，上棱應成一直線。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，以屋面的橫向長度來分攤主瓦的有效寬度。終端需調節(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，上下排瓦的搭扣長度為35-60mm（即上一排瓦片的檔雨檐將下一排瓦的釘孔蓋住）；每片光伏瓦背面都有一對正負極防水插頭，進行串聯連接時，前一個組件的“+”極插頭要連接下一個組件的“-”極插頭。（5）配套瓦安裝：依據已鋪設好的光伏瓦安裝樣式，鋪設配套瓦，必要時可將配套瓦切開，使屋頂兩邊瓦片對稱。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；同時修補校正瓦片；特別是有石膏的部位，必要時要用清水仔細清洗被污染的瓦面；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 內部結構設計

在原有的預裝式變電站基礎上增加一個隔室，內部放置太陽能發(fā)電系統(tǒng)。因此變電站包括四個室：低壓室、高壓室、變壓器室和太陽能控制室。變電站中的用電設備均可采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)供電，并且可為多種負載提供電源。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，是整個系統(tǒng)的核心控制部件，具有過電壓、欠電壓、短路保護等功能。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存在蓄電池中，再經過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的地面上，附近50cm內不得有障礙物。

2.2 蓄電池

本系統(tǒng)采用4塊12V250AH的免維護鉛酸蓄電池，建議埋在地下。四塊電池串聯連接。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導電性。

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、過放自動關斷、恢復等全功能保護措施，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箱內，開關箱在控制室內部墻體上選擇合適的位置做緊固連接。開關箱進線采用上進線方式，光伏瓦的進線通過頂部預留孔進入控制室開關箱內，接于微型斷路器上。

全部接線經檢查無誤后，先閉合太陽能輸入開關，開始向蓄電池充電，檢測并確認各參數的正確性；閉合交流負載控制開關，由系統(tǒng)向負載供電，再閉合蓄電池開關、直流負載開關，檢測直流輸出情況是否達到設計工作要求，帶載試運行1小時后，檢測系統(tǒng)各部位有無異?，F象。

3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

3.1 技術參數

3.1.1 直流輸出部分

（1）輸出電壓標稱值：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）滿足高壓開關分合閘電機驅動，包括防卡電路。（5）在無任何能源輸入的條件下，保證直流負載連續(xù)工作72小時，并且滿足環(huán)網柜高壓開關分合閘操作不小于12次。單次電動操作持續(xù)時間滿足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

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

3.3 工作流程

當光照強度達到光伏瓦可輸出電壓值時，逆變器控制太陽能首先向蓄電池充電。當太陽能足夠且蓄電池電壓較高時，太陽能直接轉換對負載供電，同時對蓄電池充電；當太陽能不足時自動轉換為太陽能協同蓄電池對負載供電。同時本系統(tǒng)對蓄電池設定低壓保護限值，當蓄電池電壓降低到保護值時，交流電對其充電，防止其欠壓。當蓄電池完全充滿后，逆變器充滿指示燈亮（同理，當蓄電池放電截止后，過放關斷指示燈亮）。

4 結束語

本太陽能一體化預裝式變電站結構簡單，功能強大，既節(jié)省占地面積又節(jié)能環(huán)保，可大量應用在智能電網建設中。

參考文獻

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[3]羅玉峰，陳裕先，李玲.太陽能光伏發(fā)電技術[M].江西高校出版社，2009.