太陽能光伏建筑一體化電站設計

范文升1張宇2
（1. 淄博市規(guī)劃設計研究院 山東淄博255000
2.安科瑞電氣股份有限公司  上海201801）

摘要：光伏發(fā)電項目作為新能源的代表，是我國可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃，光伏建筑一體化同時對推進太陽能利用及光伏電池組件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程具有非常重大的示范意義，可充分光伏行業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模帶動就業(yè)，其經(jīng)濟、環(huán)保等效益。以實際項目工程為例簡要介紹了整套光伏電站的系統(tǒng)組成，對光伏電站的發(fā)電量和經(jīng)濟效益進行分析，同時對項目風險進行了分析。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏系統(tǒng)；項目發(fā)電量；項目收益分析

1.引言
   光伏建筑一體化是應用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡而言之，就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。光伏電池組件與建筑物結(jié)合，所發(fā)電能并入電網(wǎng)，節(jié)約資源并能獲得經(jīng)濟效益，而且光伏電站投資省、見效快、運行成本低、資金風險小。
   本設計項目是利用江陰某工廠辦公樓空閑屋頂建設屋頂太陽能光電建筑項目。光伏建筑一體化的技術(shù)，將太陽能發(fā)電站與建筑本身地結(jié)合在一起。
   項目總的裝機容量為66.3kWp（即光伏電站電池組件的峰值功率），采用的是的多晶硅組件電池板,使用壽命在25年以上；光伏系統(tǒng)所發(fā)的電全部并入zui近的400V變電站，并網(wǎng)使用（配置雙向計量電表）。
   項目實際裝機容量為66.3kWp，25年均發(fā)電量為6.33萬度電，年均節(jié)約標準煤24.64噸，年CO2節(jié)排8.84噸。
2.項目概述
2.1地理位置
   江陰市位于北緯31°、東經(jīng)120°附近，屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.7℃，年降雨量1040.7毫米。全境地勢平緩，平均海拔6米左右。太陽年輻射總量115.7千卡/平方厘米。一年中太陽輻射月總量以7月和8月zui多，分別為13.5千卡/平方厘米和13.7千卡/平方厘米；12月和1月zui少，均為6.3千卡/平方厘米。
2.2 建筑類型和電站規(guī)模
   本設計項目的辦公樓整體南北走向，樓頂屋面為混凝土水泥上人屋面，東、西、南側(cè)均無明顯高大的近距離建筑物遮擋，屋面載重符合要求，*可以在屋頂架設太陽能光伏組件。
   根據(jù)客戶提供的相關(guān)圖紙和實地勘察，其廠房屋頂上建設分布式光伏電站可安裝總?cè)萘繛?6.3kWp。
3.技術(shù)方案設計
3.1系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 并網(wǎng)點光伏電站系統(tǒng)原理構(gòu)架

3.2組件安裝方式
   組件安裝傾角不同，每平方米的輻射度也會不同，現(xiàn)場光伏組件以25度左右的傾角安裝在水泥屋頂上。
3.3系統(tǒng)主要元器件
   光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件、組串式光伏并網(wǎng)逆變器、交流匯流箱、交流并網(wǎng)柜和系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置組成。
   66.3kWp并網(wǎng)光伏發(fā)電站主要組成如下：太陽能電池組件采用260塊HR-255Wp晶體硅組件；支架采用陽氧化的鋁合金材料；光伏并網(wǎng)逆變器采用3臺逆變器；交流匯流箱采用1臺AZX-H匯流箱；交流并網(wǎng)柜采用一臺AZG-B并網(wǎng)柜；系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置設計采用光伏電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
3.3.1 組件
   根據(jù)總裝機容量和各區(qū)屋面實際情況本期光伏電站為66.3kWp，應該選取260塊255WP組件。太陽能電池組件應具有非常好的耐侯性，能在室外嚴酷的條件下長期穩(wěn)定可靠運行，應同時具有高的轉(zhuǎn)換效率和廉價。選擇的太陽能電池組件是并網(wǎng)光伏電站可靠運行且提高發(fā)電量的關(guān)鍵之一。
   本項目組件采用HR-255Wp系列：此款組件外觀勻稱，結(jié)構(gòu)輕巧堅固，具有良好的抗風雪功能。邊框帶流水槽，可防止組件積水，避免邊框結(jié)冰爆裂。邊框氧化膜較厚，能滿足惡劣條件下的使用要求，特別是鹽霧氣候的使用要求。
3.3.2 逆變器
   選用ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器。ASI系列采用率、小型化低頻隔離變壓器設計以及高性能低功耗功率器件，更安全可靠。

   ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器參數(shù)見表1。
3.3.3交流匯流箱
   在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，數(shù)量龐大的光伏電池組件進行串并組合達到需要的電壓電流值，以使發(fā)電效率達到zui。AZX-H系列智能光伏匯流箱主要作用就是對光伏電池陣列的輸入進行一級匯流，用于減少光電池陣列接入到逆變器的連線，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和可維護性。
3.3.4計量裝置
   計量裝置有提供計量，帶通訊功能，需要數(shù)據(jù)上傳。計量裝置安裝于交流配電柜中。交流配電柜中留好安裝位置及二次接線和通信線。
3.3.5系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置
   并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件是安科瑞電氣股份有限公司面向并網(wǎng)光伏發(fā)電的遠程監(jiān)控軟件，它以現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎，采用先進技術(shù)開發(fā)的監(jiān)測、控制和管理系統(tǒng)，具有組態(tài)功能、控制功能、報警功能、調(diào)試診斷、報表及曲線功能，系統(tǒng)拓展方便。該軟件集成光伏發(fā)電系統(tǒng)和電能管理系統(tǒng)監(jiān)控功能，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行遠程實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析、歷史事件記錄，同時還可直接將配電監(jiān)控系統(tǒng)接入，進行集中監(jiān)控。
   本項目可在辦公室安裝后臺監(jiān)控系統(tǒng)。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件對太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制和管理。
4.安裝設計
   光伏組件安裝之前，標示好基座預制件的位置，安放好基座預制件。將光伏支架安裝固定在基座預制件上。光伏支架按10級臺風和50年一遇雪載荷要求設計。結(jié)合本地的太陽能輻射情況zui大限度的利用好太陽能，本期工程光伏組件安裝角度為25度。項目采用20塊255W組件接成一串，總計13串光伏組串，其中2臺20KW逆變器各接入4串組件。1臺25KW逆變器接入5串光伏組件。組串全部接入逆變器后，由逆變器輸出端的電纜進行匯入交流匯流箱。
   太陽能電池板金屬固定架上連接屋頂原有避雷網(wǎng)作為保護。防止太陽電池板方陣設備遭直接雷擊。太陽電池方陣通過電纜接入組串式逆變器，逆變器采用壓敏保護裝置可地避免雷擊導致設備的損壞。
   配電房主要實現(xiàn)各種保護和計量、接入變壓器，通過低壓室中的交流配電柜進行并網(wǎng)。配電室應該保持整齊清潔，及良好的通風散熱環(huán)境，設備上的灰塵和污物應及時清理。變壓器低壓柜邊增加交流并網(wǎng)柜。交流并網(wǎng)柜母排與變壓器低壓柜母排拼接，柜內(nèi)安裝一只進線斷路器，用于線路保護。
5.項目發(fā)電量及社會效益分析
5.1系統(tǒng)效率
   光伏發(fā)電系統(tǒng)效率受很多因素的影響，包括：當?shù)販囟?、污染情況、光伏組件安裝傾角、方位角、光伏發(fā)電系統(tǒng)年利用率、太陽電池組件轉(zhuǎn)換效率、周圍障礙物遮光、逆變損失以及光伏電站線損等。將計算方法簡化后，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的總效率以下幾個部分組成。
   1）光伏電廠占地面積大，直流側(cè)電壓高，電流小，導線有一定的損耗，根據(jù)規(guī)范本工程此處損耗值按2%設計。
   2）大量的太陽能電池組件之間存在一定的特性差異，不一致性損失系數(shù)為3%。
   3）考慮太陽能電池組件表面即使清理仍存在一定的積灰，遮擋損失系數(shù)為4%。
   4）光伏并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換效率：光伏并網(wǎng)逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，效率取96%計算。
   5）早晚不可利用太陽能輻射損失系數(shù)為4%。
   6）光伏電池的溫度影響系數(shù)按1.8%考慮。
   7）并考慮當?shù)貧夂蜃兓案鞣N不利因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗此處不可預見因素損失系數(shù)為6.8198%。
   8）系統(tǒng)總效率為：η總＝η1×η2×η3×η4×η5×η6×η7、
＝（1-2%）×（1-3%）×（1-4%）×96%×（1-4%）×（1-1.8%）×（1-6.8198%）
≈77%
5.2 發(fā)電量計算
5.2.1太陽能月輻射量
   根據(jù)《中國氣象輻射資料年冊》提供的資料，江蘇地區(qū)各月太陽能輻射量資料見表2：

5.2.2年發(fā)電量計算
   首年的發(fā)電量=裝機容量X輻照量 X系統(tǒng)效率
   以日射量來估算發(fā)電量。
   a、光伏陣列效率η1：
   光伏陣列在1000W/m2太陽能輻射強度下，實際的直流輸出功率與標稱功率之比。
   光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過程中的損失包括：① 組件匹配損失：對于精心設計、精心施工的系統(tǒng)，約有4%的損失；
   ② 太陽輻射損失：包括組件表面塵埃遮擋及不可利用的低、弱太陽輻射損失，取值5%；
   ③ 偏離zui大功率點損失：如溫度的影響、zui大功率點跟蹤（MPPT）精度等。取值2-4%；
   ④ 直流線路損失：按有關(guān)規(guī)定，應小于1-3%。
   取：η1=96%×95%×98%×98%=87.6%
   b、逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2：
   一般并網(wǎng)逆變器效率在94%以上，取94%;逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。
   C、交流并網(wǎng)效率η3：
   若不經(jīng)過高壓電網(wǎng)的傳輸，效率可取η3=1
   系統(tǒng)總效率η=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%
   系統(tǒng)*年發(fā)電量（EP）=PAS×HA×η×365
   PAS：太陽光伏陣列容量
   HA：當?shù)仄骄丈淞浚╧wh/㎡/day）
   η: 系統(tǒng)總效率
   本項目光伏電站組件在水泥屋面正南25度安裝，按光伏板使用25年計算，考慮到光伏電池板及相關(guān)部件的損耗，剩下24年按照每年0.8%遞減計算。本工程年平均發(fā)電量為6.33萬度,25年總發(fā)電量約158.28萬度。
5.2.3  項目產(chǎn)生經(jīng)濟效益和系統(tǒng)環(huán)境效益
   根據(jù)上述發(fā)電量情況，結(jié)合公司的工業(yè)用電價格及國家補貼等，本項目在25年的使用周期內(nèi)，具有可觀的經(jīng)濟效益，具體為：項目總投資約8元/W，總投資金額約53萬元。按光伏發(fā)電的90%自用，10%上網(wǎng)。每年的年總收入為8.61萬元。年投資收益率為16.24%。
   經(jīng)濟效益方面：根據(jù)發(fā)電量和投入的建設成本結(jié)合實際用電情況、在不考慮電費上漲、設備維護更換等因數(shù)的基礎上，預計6.16年左右收回投資成本，25年產(chǎn)生經(jīng)濟效益約為203.83萬元。
   環(huán)境效益方面：根據(jù)目前我國發(fā)電煤耗為平均390克標煤/度計算。預計25年總節(jié)約標煤：158.25萬度×390克/度=616噸標準煤。預計25年減排CO2：1582500kWh×1.4kg CO2/kWh=221噸、減少排放SO2約12.37噸、減少排放NOx約4.29噸，具有較大的環(huán)境和社會效益。
5.3社會效益
   江陰地區(qū)太陽能資源儲量豐富，大力發(fā)展太陽能具有的社會效益。不僅可能源結(jié)構(gòu)的不合理，增加新能源在電網(wǎng)中的份額。同時能緩解當?shù)仉娏┬璧木o張狀況，帶動當?shù)氐膭趧泳蜆I(yè)，對發(fā)展當?shù)亟?jīng)濟具有深遠的意義。
6、項目風險分析
   光伏系統(tǒng)主要設備品質(zhì)優(yōu)良，其中太陽板壽命25年以上，控制器、逆變器壽命10年以上。并網(wǎng)逆變器和配電系統(tǒng)，具有完善的各類故障與事故的保護功能確保人身與電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)的設備安全。系統(tǒng)的設備可以采用焊接、螺栓連接，只有工具才能打開，可以起到一定的安全和防盜作用。對于電氣安全，因為帶電部位密封，線纜暗敷，關(guān)鍵部位帶有警示標識，因此只要安裝操作手冊規(guī)范使用，就不會出現(xiàn)其它安全問題。
   本太陽能光伏屋頂系統(tǒng)由電力系統(tǒng)機構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化設計，具有很高的可靠性和性價比。故光伏屋頂系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不會對人身及房屋構(gòu)成任何危險，安全可靠。具體有以下幾點：
   1）屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)，支撐系構(gòu)件及基礎安裝在承重墻上，同時光伏系統(tǒng)對屋面的承重能力要求較小，由于光伏組件及支撐系統(tǒng)的載荷≤25kg/m2，該建筑屋面鋪設光伏組件完滿足該屋面原設計承重要求。
   2）考慮到在屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)時，對支撐系構(gòu)件及基礎安裝在承重墻上，并對屋面的防水層進行必要的處理，確保在屋頂安裝上太陽能光伏系統(tǒng)，屋面不會出現(xiàn)滲漏等問題。
   3）在屋面安裝光伏組件時，充分考慮和屋檐有足夠的安全距離，確保在安裝、施工及大風天氣的影響，采取的防護措施安裝結(jié)構(gòu)，防止組件脫落。
   4）考慮建筑物的整體建筑外觀要求，實現(xiàn)與建筑的結(jié)合，使其不影響建筑物的整體外觀形象。
7、結(jié)語
   本項目工程按選定的地址利用既有廠區(qū)辦公樓建筑屋頂，以25度傾角方式架設多晶硅電池組件裝機總?cè)萘繛?6.3kWp。工程動態(tài)總投資約為53萬元，25年經(jīng)濟壽命期內(nèi)年平均年上網(wǎng)電量約為6.33萬kW²h。
本工程的建設對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境，減少溫室氣體排放、推廣太陽能利用和推進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常積的示范意義，同時也具備較好的社會和環(huán)境效益。
   文章來源：《綠色建筑》2017年3期。