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        20 kW分布式光伏電站設(shè)計研究

        2019-03-26 06:35:02李家坤
        水電與新能源 2019年3期

        李家坤

        (長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430212)

        20 kW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目位于武漢某高校教學(xué)樓階梯教室5層屋頂,頂層為現(xiàn)澆混凝土平屋頂,屋頂建筑面積600 m2,可安裝面積400 m2左右,采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”并網(wǎng)接入模式,電站光伏陣列采用MBM255多晶硅光伏組件80塊,總裝機(jī)容量約為20.4 kW,年均發(fā)電量約20 400余度。

        項(xiàng)目地點(diǎn)緯度30°39’,經(jīng)度114°16’,平均海拔高度24 m,屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,日照充足,年均氣溫15.8~17.5℃。日照總時數(shù)近2 000 h,年總輻射4 354~4 731 MJ/m2,屬于本省太陽能可利用地區(qū),可以加以開發(fā)、利用,能帶來一定的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        并網(wǎng)型分布式光伏電站一般是指將太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合公共電網(wǎng)要求的交流電后,直接接入公共電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)型分布式光伏電站主要由太陽能電池組件、并網(wǎng)逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)三大部分組成。

        1.1 光伏組件選型

        目前國內(nèi)外使用最普遍的是單晶硅、多晶硅太陽能電池,而且國內(nèi)的光伏組件生產(chǎn)主要是以單晶硅、多晶硅太陽能電池為主,商業(yè)化的多晶硅電池片效率一般在12%~16%左右,單晶硅電池片電池效率在13%~18%左右。而非晶硅薄膜太陽能電池成本低,便于大規(guī)模生產(chǎn),但由于其轉(zhuǎn)換效率在5%~9%左右,穩(wěn)定性不高使用壽命短(10~15年),直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。考慮到多晶硅組件太陽能電池價格比單晶硅組件低,因此本項(xiàng)目選用多晶硅太陽能電池[1]。

        本項(xiàng)目選用武漢市某公司生產(chǎn)的晶體硅光伏組件是由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、白色TPT背板以及鋁合金邊框組成。具有使用壽命長,機(jī)械抗壓外力強(qiáng)等特點(diǎn);能適應(yīng)惡劣、高載荷的工作環(huán)境,能承受強(qiáng)風(fēng)壓,雪壓和極端溫差變化;通過TUV、CE及金太陽等國際和國內(nèi)認(rèn)證,使用壽命不低于25年。

        1.2 逆變器選型

        光伏發(fā)電作為可再生能源發(fā)電的重要組成部分,具有波動性和間歇性等特點(diǎn),接入電網(wǎng)易產(chǎn)生電網(wǎng)頻率變化、電壓波動和閃變,光伏電站的電能質(zhì)量問題一般包括諧波、直流分量、電壓波動和閃變以及三相不平衡等。實(shí)踐證明,小型光伏電站采用優(yōu)質(zhì)的并網(wǎng)逆變器可以有效解決上述電能質(zhì)量問題。

        逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一,本項(xiàng)目采用國內(nèi)知名品牌并網(wǎng)逆變器,相關(guān)性能如下:

        1)性能可靠,效率高,具有最大功率點(diǎn)(MPPT)跟蹤功能;

        2)直流輸入電壓具有較寬的適應(yīng)范圍;

        3)具有過壓、過流、防孤島等多種保護(hù)功能;

        4)波形畸變小,功率因數(shù)高;

        5)具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能接口;

        6)滿足國家電網(wǎng)的接入規(guī)定。

        1.3 安裝角選擇

        為了保證系統(tǒng)有足夠高的效率,電池板必須按一定的傾角安裝。可以根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797-2012)附錄B,并結(jié)合安裝地緯度粗略確定固定太陽能電池方陣的傾角。并網(wǎng)系統(tǒng)推薦傾角為30°39’-6°=24°39’,本次取20°。

        1.4 光伏組件布置及支架安裝

        根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797-2012)第10.3.3條之規(guī)定:光伏組件安裝在建筑屋面、陽臺、墻面或建筑其他部位時,不應(yīng)影響該部位的建筑功能,并應(yīng)與建筑協(xié)調(diào)一致,保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀。本系統(tǒng)采用MBM255多晶硅光伏組件,光伏支架采用標(biāo)準(zhǔn)平屋頂自重式光伏支架安裝方式,80塊多晶硅光伏組件分4行布置,每行由2×10塊組成。光伏組件具體參數(shù)見表1。

        本項(xiàng)目光伏支架采用自重式光伏支架一體化的安裝工藝,不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)及防水層,不影響整體外觀,而且能保證光伏組件的發(fā)電穩(wěn)定性能。本項(xiàng)目采用的安裝方式如圖1所示。

        表1 光伏組件具體參數(shù)

        圖1 光伏組件安裝圖(單位:mm)

        1.5 電纜選型

        本項(xiàng)目采用航天電纜產(chǎn)品,所有產(chǎn)品通過國家相關(guān)強(qiáng)制認(rèn)證,根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)程》GB50217-2007有關(guān)規(guī)定,本工程電纜選型如下[2]:

        1)光伏組件直流串并聯(lián)電纜采用太陽能光伏專用電纜;

        2)低壓動力電纜采用國標(biāo)電力電纜;

        3)配線線槽整體布置美觀,與整個建筑協(xié)調(diào)一致,布線盡量隱蔽,從底部不能明顯的看到線纜;各方陣的線纜通過專用連接器連接,并有足夠的強(qiáng)度,線纜連接附件有防水、抗老化;

        4)系統(tǒng)配線符合電力配線安裝標(biāo)準(zhǔn),所有線纜連接都有方便的入口,便于日常維護(hù)與更換。

        1.6 防雷與接地

        太陽能電池陣列經(jīng)逆變器逆變后,接入光伏陣列交流匯流箱,匯流箱內(nèi)含高壓防雷保護(hù)裝置,匯流后在接入交流防雷配電柜,經(jīng)過防雷裝置可以有效地避免雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞。為保證人身安全,所有電氣設(shè)備、光伏支架都裝設(shè)接地裝置,并將電氣設(shè)備外殼、光伏支架接地,可有效地避免雷擊。

        1.7 并網(wǎng)接入方案

        光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)的電壓等級與電網(wǎng)的裝機(jī)容量、周邊電網(wǎng)接入條件等因素有關(guān),需要在接入系統(tǒng)設(shè)計中,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。光伏電站向當(dāng)?shù)亟涣髫?fù)載提供電能和電網(wǎng)發(fā)送的電能質(zhì)量應(yīng)符合公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求[3]。

        光伏組件安裝位置相對集中,采用就近逆變,再集中并網(wǎng)接入的方案,即在樓頂儲藏室安裝組串式逆變器1臺,然后通過交流配電箱集中在該樓一樓動力箱并網(wǎng)接入;本項(xiàng)目監(jiān)控方案根據(jù)客戶需求考慮。

        太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、交流匯流箱、計量表等組成。光伏組件通過光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電,經(jīng)過交流匯流箱、電表等設(shè)備,并入市電網(wǎng)絡(luò),整個轉(zhuǎn)化過程安全、可靠。

        結(jié)合本項(xiàng)目光伏發(fā)電實(shí)際情況及使用特點(diǎn),決定選用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)接入模式,即光伏發(fā)電優(yōu)先供給內(nèi)部用電系統(tǒng)使用,多余電能輸送給國家電網(wǎng),可以享受太陽能發(fā)電補(bǔ)貼。項(xiàng)目主要產(chǎn)品參數(shù)見表2。

        表2 項(xiàng)目主要產(chǎn)品參數(shù)一覽表

        2 效益分析

        2.1 年平均發(fā)電量

        光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量按式(1)計算[4]:

        (1)

        式中:HA為水平面太陽能總輻照量,kW·h/m2,峰值小時數(shù);PAZ為組件安裝容量,kW·h;ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1),kW·h/m2;K為綜合效率系數(shù)。

        根據(jù)本項(xiàng)目有關(guān)參數(shù),由式(1)可以推算出,此項(xiàng)目年發(fā)電量約為20 400 kW·h。

        2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

        2.2.1 國家光伏補(bǔ)貼政策簡介

        近幾年來,國家及地方大力支持及引導(dǎo)太陽能分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目,力推分布式光伏發(fā)電在眾多領(lǐng)域的多種方式利用,呈現(xiàn)出良好發(fā)展態(tài)勢,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

        1)國家允許分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量申請人自選確定,量身定制分布式光伏系統(tǒng)。

        2)按照國家發(fā)改委發(fā)改價格(2013)1638號文《國家發(fā)改委關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》,國家針對太陽能分布式發(fā)電項(xiàng)目特點(diǎn),完成裝機(jī)后,按發(fā)電量給予電價補(bǔ)貼,補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)0.42元/kW·h。

        3)國家允許分布式光伏發(fā)電申請人自發(fā)電自用,節(jié)約相應(yīng)電費(fèi)。

        2.2.2 經(jīng)濟(jì)效益估算

        本項(xiàng)目裝機(jī)容量約為20.4 kW,總投資25萬元,年均發(fā)電量約20 400 kW·h,為提高光伏發(fā)電收益,采用光伏發(fā)電“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式;該區(qū)市電價為0.573元/kW·h(按階梯電價最低檔估算),光伏發(fā)電國家補(bǔ)貼為0.42元/kW·h(20年),湖北省補(bǔ)貼為0.25元/kW·h(5年),綜合計算年均可獲收入約19 000元,25年可獲收入約48.9萬元,扣除總投資,凈收益23.9萬元。如果后期地方出臺光伏補(bǔ)貼政策或市電價上漲,收益將更大,本項(xiàng)目收益預(yù)估見表3。

        表3 本項(xiàng)目收益預(yù)估分析

        該光伏電站建成近1.5年,運(yùn)行正常,已累計發(fā)電3.35萬kW·h,略高于年均預(yù)估值。

        2.3 節(jié)能減排效益分析

        此項(xiàng)目采用太陽能發(fā)電后,不僅能為學(xué)生提供良好的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)場所,而且還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)及社會效益,其節(jié)能減排效益分析見表4所示。

        表4 節(jié)能減排效益分析

        注:電價暫按市電價0.573元/kW·h估算。

        3 結(jié) 語

        太陽能光伏發(fā)電是目前最具可持續(xù)發(fā)展的可再生能源利用技術(shù),也是未來綠色能源發(fā)展的主要方向。本文對武漢地區(qū)某高校20 kW分布式光伏電站的設(shè)計以及經(jīng)濟(jì)效益、社會效益進(jìn)行了分析和研究,實(shí)踐表明,本項(xiàng)目不但為學(xué)校發(fā)電、電氣、新能源等專業(yè)提供良好的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境,還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

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