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        建筑屋面分布式光伏發(fā)電項目設(shè)計探討

        2023-08-21 01:31:18中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司陳錦成
        電力設(shè)備管理 2023年13期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機組分布式組件

        中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 陳錦成

        1 引言

        近年來,綠色低碳發(fā)展的主基調(diào)對建筑行業(yè)未來發(fā)展提出了明確的要求。隨著經(jīng)濟(jì)水平與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對于住宅水平也有了更好的標(biāo)準(zhǔn),尤其是對建筑設(shè)計的要求越來越高,從而導(dǎo)致當(dāng)前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來越復(fù)雜,不斷增長的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機。因此,電力部門對于建筑內(nèi)部的發(fā)電項目的安全與能耗提出了更高的要求。光伏發(fā)電技術(shù)作為一種可再生清潔能源,能夠較好地滿足綠色建筑低碳節(jié)能理念,所以在進(jìn)行建筑電氣設(shè)計時,應(yīng)該加大光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用,以保證建筑電氣的安全性與節(jié)能性。

        2 分布式光伏發(fā)電技術(shù)原理及應(yīng)用場景

        分布式光伏發(fā)電技術(shù)的主要工作原理是指利用太陽能轉(zhuǎn)化成為機械能,最后轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)前,該發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種,通過分析各種類型的新能源資源儲備量可以得出,太陽能資源的儲備量最多,所以將其應(yīng)用于建筑物的電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能-電能的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)太陽能發(fā)電[1]。

        分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然是一種新型的能源綜合利用系統(tǒng),但是卻有著十分廣闊的利用空間。分布式光伏發(fā)電裝置主要包括:光伏組件、逆變器、支架、電纜、并網(wǎng)系統(tǒng)以及相關(guān)配件等[2]。其中,光伏組件和逆變器是整個裝置的核心部分。光伏組件由晶體硅太陽能電池、非晶體硅太陽能電池構(gòu)建而成,逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)變成為交流電,從而能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能。支架是整個發(fā)電裝置的中心,其主要是起到支撐作用,該裝置主要是通過支架內(nèi)部的電纜進(jìn)行輸配電,同時還具備抗震、防風(fēng)、防雪等功能。由此可見,分布式光伏發(fā)電裝置是由不同設(shè)備裝置構(gòu)建而成的,只有使其協(xié)同工作才能將太陽能高效轉(zhuǎn)化為電能使用,從而實現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能降耗的目的。

        分布式光伏發(fā)電技術(shù)相比其他的新能源發(fā)電技術(shù)而言,具有零污染、效益高、適應(yīng)范圍廣等特點。目前,我國分布式光伏發(fā)電機裝機容量已達(dá)10750.8kW,占發(fā)電機裝機容量的75%左右,可見裝機容量比例較大。由此可見,該發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用前景是十分廣泛的,經(jīng)過實踐證明該發(fā)電技術(shù)能夠有效提高發(fā)電效率,并且在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用水平得到了社會各界的一致認(rèn)可。分布式光伏發(fā)電技術(shù)如圖1所示。

        圖1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)

        3 項目概況

        本工程為某市大型商業(yè)綜合項目。本工程總建筑面積13900m2,建筑高度為92.5m。建筑布局地下B1-B3層為地下停車庫;一層、二層為商業(yè)營業(yè)廳、餐廳;三層為電影院、健身房;四層為物業(yè)管理、設(shè)備用房、辦公用房。其中,整個建筑物的屋頂均采用平鋪安裝與光伏發(fā)電相結(jié)合的方式,從而實現(xiàn)了資源的有效利用[3]。

        4 總體設(shè)計

        4.1 光伏組件

        分布式發(fā)電技術(shù)相比其他的新能源發(fā)電技術(shù)而言,有著獨特的優(yōu)勢之處。即無污染、效益高、適應(yīng)范圍廣等。截至2021年,我國分布式光伏發(fā)電機裝機容量已達(dá)10750.8kW。

        結(jié)合當(dāng)前我國分布式光伏組件市場現(xiàn)狀以及產(chǎn)量情況來看,目前市場上采用最多的光伏組件配置為晶體硅以及薄膜等兩大類。其中,晶體硅光伏組件成熟度、性質(zhì)穩(wěn)定、市場份額最大、價格低廉、產(chǎn)量大等因素,因此本文將選定光伏組件為晶體硅[4]。

        4.2 規(guī)格參數(shù)

        由于晶體硅光伏組件的功率規(guī)格多,如5~670W。再加上本項目裝機規(guī)模較大,因此組件數(shù)量較多。本研究為了減少占地面積以及組件安裝量,將優(yōu)先使用單位面積功率大的光伏組件。不僅能夠有效降低設(shè)備故障發(fā)生率,同時也能夠減少接觸阻力與電纜用量,從而能夠減少系統(tǒng)的整體損耗。經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案分析見表1。

        表1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案分析

        由表1可知,540W 光伏組件相比450W 組件而言,能夠有效節(jié)約屋頂面積644m2,節(jié)省租金12800元/年(2元/m2);節(jié)省光伏專用電纜長度23000m,節(jié)省電纜成本46000元;節(jié)省支架30套。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案以及本項目實際情況來看,適合采用72片封裝單晶硅光伏組件,型號規(guī)格為550W。然而,本階段只適用于選擇固定的運營方式,從項目和結(jié)構(gòu)兩方面因素綜合來看,結(jié)合平鋪方式依次安裝屋頂光伏系統(tǒng)[5]。因此,本項目所采用的光伏組件與傳統(tǒng)發(fā)電模式相比,運行費用也十分合理,設(shè)備的初期總投資就能夠節(jié)省約將近100萬元,并且不需要設(shè)立單獨的機房放置設(shè)備,因此可以有效減少使用面積,并且周圍的商業(yè)用房的相關(guān)設(shè)置也不會受到實際的影響,再加上其零污染排放、系統(tǒng)運行可靠、設(shè)備維護(hù)管理方便、使用壽命長等優(yōu)點,應(yīng)用于本項目十分合適。

        4.3 逆變器

        針對本項目分布式光伏發(fā)電而言,其中逆變器設(shè)備是核心的部分,主要作用是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)逆變器完成能源轉(zhuǎn)換后,首先會將電能源源不斷地輸送至建筑物進(jìn)行供電,而剩余的一部分電能將會被存儲至電網(wǎng)中。此外,該設(shè)備具有過壓保護(hù)、電壓異常保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)功能。因此,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行與之有著直接作用關(guān)系。基于此,本研究在設(shè)計光伏發(fā)電時,首先需要考慮整個建筑物整體情況,其次構(gòu)建45kW 逆變器,每一臺逆變器的光伏最大配置設(shè)置為45÷4.05=11.11。因此,為了確保能夠滿足本項目建筑物實際供電需求,因此在設(shè)計逆變器光伏串時,需要為每一臺逆變器配置12串光伏串。

        5 技術(shù)要點分析

        5.1 確保環(huán)保節(jié)能設(shè)計質(zhì)量

        首先,本項目設(shè)計人員來說,在建筑物供電系統(tǒng)中應(yīng)用分布式光伏節(jié)能環(huán)保技術(shù),需要充分考慮該技術(shù)所帶來的長遠(yuǎn)利益以及發(fā)展趨勢,不僅需要從經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā),還需要站在未來市場環(huán)境發(fā)展的角度看待這一問題,然而這一切的前提是必須確保分布式光伏發(fā)電技術(shù)的質(zhì)量。因此,在整個發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的過程中,設(shè)計人員一方面需要具備專業(yè)的光伏發(fā)電基礎(chǔ)知識,另一方面還需要綜合現(xiàn)場建筑物的實際情況,及時對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整,確保整個設(shè)計方案的合理化。

        除此之外,在設(shè)計的過程中,相關(guān)的管理人員也需要在現(xiàn)場對設(shè)計人員的設(shè)計方案進(jìn)行評估,確保整個設(shè)計方案要基于節(jié)能環(huán)保技術(shù)出發(fā),才能夠?qū)崿F(xiàn)綠色低碳的目標(biāo)。

        5.2 確保相關(guān)設(shè)備設(shè)計規(guī)范

        由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠直接影響本建筑項目的低碳、節(jié)能、環(huán)保應(yīng)用效果。因此,相關(guān)設(shè)計人員需要時刻根據(jù)本項目設(shè)計目標(biāo),盡可能地采用綠色、低碳、無污染的設(shè)備(如:太陽能)應(yīng)用于本項目中,進(jìn)而有效降低的能源消耗。

        5.3 發(fā)電機組監(jiān)管維護(hù)

        本建筑項目分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是由多臺發(fā)電機組組合而成的,每一臺機組的發(fā)電量是300w 左右。分布式光伏發(fā)電機組主要采用的是集中控制方法進(jìn)行處理。在實際運行過程中,需要安裝微機監(jiān)控設(shè)備,進(jìn)一步實現(xiàn)對發(fā)電機組的遠(yuǎn)程控制。除此之外,針對分布式光伏發(fā)電機組的監(jiān)管與維護(hù)過程中,需要在機組內(nèi)部部署相應(yīng)的保護(hù)裝置,同時滿足以下要求。

        第一,分布式光伏發(fā)電機組的監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到對每臺發(fā)電機組的實時監(jiān)控,同時還能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云平臺中,而技術(shù)人員能夠利用上傳的數(shù)據(jù)分析該發(fā)電機組是否存在設(shè)備運行故障,同時還能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行指定工作,實現(xiàn)對太陽能電池片的轉(zhuǎn)向調(diào)整。

        第二,將監(jiān)控設(shè)備部署于每一臺光伏發(fā)電機組中,能夠使計算機設(shè)備直接控制該發(fā)電機組,進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對過壓保護(hù)、過流保護(hù)、傳感器保護(hù)等多種保護(hù)情況。一旦太陽能轉(zhuǎn)換成電能,在電力傳輸過程中的電壓和電流過高,此時監(jiān)控設(shè)備將會立即切斷運輸電纜,從而確保發(fā)電機組的安全。

        6 發(fā)電量與經(jīng)濟(jì)效益

        6.1 發(fā)電量

        發(fā)電系統(tǒng)的實際運行效率是影響其發(fā)電量的關(guān)鍵性因素。在本項目中,由于雨水、灰塵等氣候以及光伏組件不匹配等都有可能導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的運行效率降低,同時逆變器、電纜、變壓器等設(shè)施設(shè)備的功率損失同樣也會導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的實際運行效率的下降,從而導(dǎo)致發(fā)電量降低?;诖耍狙芯繘Q定在PVDesigner 軟件中進(jìn)行模擬,進(jìn)一步得出了發(fā)電系統(tǒng)的各項能耗損失。其中,污穢損失約為2.5%;組件溫度損失約為4.35%,失配損失約為1.98%,電纜損失約為0.45%,逆變器效率損失約為1.45%,整體系統(tǒng)效率約為82.5%。根據(jù)本項目某市一大型商業(yè)綜合項目分布式光伏發(fā)電項目的年總發(fā)電量,可根據(jù)太陽能年總輻射量、發(fā)電系統(tǒng)組件總功率以及發(fā)電系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,得出式:

        式中:Ep代表年總發(fā)電量;Ha代表太陽能年總輻射量;Paz代表發(fā)電系統(tǒng)總功率;K 代表發(fā)電系統(tǒng)總效率。由于需要考慮到使用年限的原因,太陽能電池片的運行效率會隨著時間有所減弱,因此本項目僅預(yù)測未來20~25年內(nèi)該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每一年發(fā)電量。采用PVDesigner 軟件進(jìn)行模擬分析,將相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)填入模擬系統(tǒng)中,經(jīng)過計算得出未來25年內(nèi),該發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量為985.2萬kWh。

        6.2 經(jīng)濟(jì)效益

        根據(jù)上述的模擬計算可以得出,本研究分布式光伏發(fā)電項目應(yīng)用于該大型商業(yè)綜合項目中能夠?qū)崿F(xiàn)年發(fā)電量為985.2萬kWh,按照相關(guān)的火電煤耗發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)來計算,本項目投入建設(shè)后平均每年可節(jié)約燃煤約1000t,因此也會減少大氣污染物的排放,同時該發(fā)電項目應(yīng)用的主要資源為太陽能,其是一種清潔能源且可再生能源,緩解了我國電力事業(yè)用電緊張的問題,同時也為人們生活節(jié)約了用電成本。

        7 結(jié)語

        綜上所述,隨著經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展,人們的生活水平不斷改善和提高,對建筑設(shè)計的要求也不斷提升,從而造成目前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來越復(fù)雜,不斷增長的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機。分布式光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用大大改善了我國電力緊缺的問題,同時也體現(xiàn)出了我國電力事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的品質(zhì)。應(yīng)用分布式光伏發(fā)電技術(shù),不僅能夠節(jié)約能耗,同時還能夠降低環(huán)境污染。該技術(shù)有效滿足了現(xiàn)代化發(fā)展需要,實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),從而保障我國建筑行業(yè)與電力行業(yè)的長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

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