龔 靔 立

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092]

0 引 言

凈水廠工程建設(shè)作為一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè),與光伏發(fā)電工程相結(jié)合,具有廣闊發(fā)展前景。凈水廠中設(shè)有沉淀池、濾池等大型水處理池,占地面積大,可在池頂上安裝太陽(yáng)能光伏板,能充分利用水廠的空間,對(duì)土地進(jìn)行集約化利用。同時(shí),凈水廠需24 h不間斷地為城市供水,用電負(fù)荷高,采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可大大降低運(yùn)行成本。

某凈水廠工程位于拉薩,太陽(yáng)能資源豐富,主要從光伏系統(tǒng)方案、發(fā)電量計(jì)算以及節(jié)能分析等方面對(duì)水廠光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 太陽(yáng)能資源

拉薩市位于西藏自治區(qū)東南部,地理坐標(biāo)為東經(jīng)91°06′,北緯29°36′。相比于相同緯度東部地區(qū)城市,拉薩光照時(shí)間更長(zhǎng),光照強(qiáng)度也更強(qiáng),年平均日照總時(shí)數(shù)幾乎是四川盆地日照總時(shí)數(shù)的2倍多。拉薩也因此擁有“日光城”的稱號(hào)。根據(jù)資料顯示[1],拉薩地區(qū)年平均日照總時(shí)數(shù)3 005.3 h,年太陽(yáng)總輻射量7 473.3 MJ/m2,屬于太陽(yáng)能資源最豐富地區(qū)。

為計(jì)算光伏系統(tǒng)的最佳傾角年平均輻射量,一般采用以下公式:

Rβ=S[sin(α+β)/sinα]+D

(1)

式中:Rβ——傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量;

S——水平面上的太陽(yáng)直接輻射量;

α——午時(shí)分的太陽(yáng)高度角;

β——方陣傾角;

D——散射輻射量,與斜面傾角無(wú)關(guān)。

根據(jù)全球太陽(yáng)輻射地圖,拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)方陣最佳傾角為33°,最佳傾角年平均輻射量為8 723 MJ/m2,折合2 423 kWh/m2。

傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量示意圖如圖1所示。

圖1 傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量示意圖

2 光伏系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件選擇

現(xiàn)階段,市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池按照電池的材料主要可以分為晶體硅電池和薄膜電池等幾類,其中晶體硅電池又可以分為單晶硅電池與多晶硅電池。從這幾種產(chǎn)品的價(jià)格方面考慮,薄膜電池價(jià)格低于兩種晶體硅電池;從現(xiàn)在市場(chǎng)上的成熟度考慮,兩種晶體硅電池均比薄膜電池更為成熟;從電池占地面積考慮,薄膜電池占地小,但還是略高于兩種晶體硅電池;從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率考慮,多晶硅電池與薄膜電池效率均低于單晶硅電池,其中薄膜電池效率最低[2]。綜上,選用多晶硅電池,光伏組件單片規(guī)格為300 Wp。

2.2 光伏方陣設(shè)計(jì)

該工程光伏方陣擬布設(shè)于4座沉淀池的池頂,池頂面積約為2 200 m2/座。在每座沉淀池池頂布設(shè)約330片光伏組件,裝機(jī)容量約99 kWp/座。

光伏組件采用組件豎排橫向單排,正南布置。光伏方陣陣列間距示意圖如圖2所示。

圖2 光伏方陣陣列間距示意圖

圖2中,方陣陣列間距D為

(2)

H=LsinZ

(3)

式中:H——方陣高度;

φ——當(dāng)?shù)鼐暥?拉薩地區(qū)為29°36′);

L——太陽(yáng)能電池板陣列斜面長(zhǎng)度,取2 m;

Z——太陽(yáng)能電池板陣列傾角,取33°。

經(jīng)計(jì)算,方陣陣列間距D約為1.99 m。因此光伏組件、通道等占地面積約1 650 m2/座。光伏電站共需光伏組件1 320片,總裝機(jī)容量約為396 kWp,總占地面積約為6 600 m2。

2.3 并網(wǎng)接入系統(tǒng)

該工程光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自發(fā)自用模式,光伏組件所發(fā)電量接入逆變器后在逆變器的輸出端與水廠400 V配電系統(tǒng)并聯(lián),在用戶側(cè)以多點(diǎn)并網(wǎng)的方式接入水廠配電系統(tǒng),同時(shí)所有發(fā)電量均就地直接使用,無(wú)需另行設(shè)置蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備[2]。

根據(jù)水廠變電所分布的特點(diǎn),將4座沉淀池池頂光伏組件的容量劃分為4個(gè)區(qū)域,配備4臺(tái)100 kW的逆變器,4路分別接入輔助生產(chǎn)車間低壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

每個(gè)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)輸出回路均配置電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行電能監(jiān)測(cè),對(duì)電壓、電流、諧波、有功功率、無(wú)功功率和有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

并網(wǎng)逆變裝置為非線性元件,為減少諧波對(duì)系統(tǒng)的影響,在各變壓器低壓側(cè)母排設(shè)置一套有源濾波裝置。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)及安全措施

并網(wǎng)式的光伏系統(tǒng)需要具有必要的檢測(cè)、并網(wǎng)、報(bào)警、自動(dòng)化控制和測(cè)量等一系列功能,并且還需要具有防止孤島效應(yīng)的作用,確保并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全。光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)殡娋W(wǎng)故障或者并網(wǎng)逆變器突然發(fā)生異常情況時(shí),檢測(cè)到故障并迅速關(guān)閉,并停止并網(wǎng)逆變器,以保護(hù)其電網(wǎng)安全。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備主要包括低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、過(guò)頻率保護(hù)、對(duì)地故障保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)及孤島保護(hù)等策略和措施。

當(dāng)逆變器檢測(cè)到并網(wǎng)電路失電后,能夠立即停止工作;在電網(wǎng)再次恢復(fù)供電時(shí),不應(yīng)立即重新投入運(yùn)轉(zhuǎn),而是需要通過(guò)持續(xù)的檢測(cè)得到電網(wǎng)的信號(hào)已經(jīng)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)完全正常后方可再次開始投入運(yùn)轉(zhuǎn)。

并網(wǎng)斷路器具備電源端和負(fù)載端反接功能。并網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)防逆流檢測(cè)單元,分布切除光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電源。

2.5 電纜敷設(shè)

所有電纜均選用標(biāo)準(zhǔn)銅芯電纜,電纜截面大小需能滿足系統(tǒng)最大短路電流。根據(jù)電纜特性,各單回路電纜穿熱鍍鋅鋼管敷設(shè),多回路電纜在匯總之后沿專設(shè)橋架敷設(shè)。

2.6 防雷和接地

(1)直流側(cè)防雷。連接各組光伏板的電纜一一接入對(duì)應(yīng)的匯流箱后再接入逆變器,在匯流箱內(nèi)設(shè)置專用避雷器進(jìn)行保護(hù)。

(2)交流側(cè)防雷。逆變器以交流形式輸出后通過(guò)電纜接至輔助生產(chǎn)車間10/0.4 kV變電所內(nèi)專設(shè)的并網(wǎng)柜與水廠電網(wǎng)連接,在變電所內(nèi)專用并網(wǎng)柜內(nèi)安裝避雷器進(jìn)行保護(hù)。

(3)所有機(jī)柜要有良好接地。

(4)光伏組件支架連接成電氣通路且多點(diǎn)接地,并采取防直擊雷對(duì)系統(tǒng)損壞的措施。

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)形式,采用TN-S接地系統(tǒng)。

2.7 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)置一套綜合監(jiān)控系統(tǒng),配備光伏專用監(jiān)控軟件,其具有遠(yuǎn)傳功能,采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)廠區(qū)以太網(wǎng)接至水廠的電力監(jiān)控系統(tǒng)。

該工程光伏系統(tǒng)所用逆變器需預(yù)留數(shù)據(jù)采集RS-485接口,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線形式將處理后的數(shù)據(jù)傳送至光伏系統(tǒng)專用工控機(jī),監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理。

3 發(fā)電量計(jì)算

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量為

L=WHK

(4)

式中:W——光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量;

H——年峰值日照小時(shí)數(shù);

K——光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率系數(shù),取79.7%。

峰值小時(shí)數(shù)H為

H=Ih/Io

(5)

式中:Ih——傾斜面年總太陽(yáng)能量輻射量;

Io——標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,取1 000 W/m2(電池組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件)。

已知傾斜面年總太陽(yáng)能量輻射量為2 423 kWh/m2,得出H=2 423 h。

該工程采用多晶硅太陽(yáng)能電池,首年衰減比例為2.5%,以后每年衰減0.7%,則首年發(fā)電量L=74.56萬(wàn)kWh。

光伏系統(tǒng)25年發(fā)電量如表1所示,可知25年總計(jì)為1 715.51萬(wàn)kWh,25年平均為68.62萬(wàn)kWh。

表1 光伏系統(tǒng)25年發(fā)電量

4 節(jié)能降耗分析

光伏電站建成后,凈水廠平均每年發(fā)電量為68.62萬(wàn)kWh,相當(dāng)于每年節(jié)約煤229.02 t,相應(yīng)每年可減少多種大氣污染物的排放,其中減少二氧化碳約555.98 t/a,二氧化硫排放量約0.13 t/a,氮氧化合物0.26 t/a,汞及其化合物0.077 t/a,煙塵減排量0.077 t/a。

5 結(jié) 語(yǔ)

介紹了拉薩某凈水廠光伏發(fā)電方案設(shè)計(jì),利用水廠沉淀池池頂實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電,不耗用常規(guī)一次能源和土地資源,符合能源利用長(zhǎng)期規(guī)劃,對(duì)于緩解一次能源不足、優(yōu)化能源配置發(fā)揮積極示范作用。