屋頂光伏發(fā)電與儲能的設(shè)計

屋頂光伏發(fā)電與儲能的設(shè)計文章通過理論分析與計算，對屋頂光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)電氣設(shè)備進行選型。采用多晶硅太陽電池，根據(jù)光伏發(fā)電原理，通過匯流、逆變、升壓、儲能等步驟，將光伏電站系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的自產(chǎn)、自用、自銷。標簽：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；電能Abstract：Throughtheoreticalanalysisandcalculation，theroofphotovoltaicsystemandgrid-connectedelectricalequipmentareselected.Adoptingpolysiliconsolarcell，accordingtotheprincipleofphotovoltaicpowergeneration，andthroughconfluence，inverter，boost，energystorageandothersteps，thephotovoltaicpowerstationsystemwillbeconnectedtothepublicpowergridtoachieveself-generation，self-useandself-consumptionofelectricalenergy.Keywords：photovoltaicpowergeneration；grid-connected；electricenergy引言太陽能作為一種新型能源，具有清潔、環(huán)保，可再生等特點，是人類開發(fā)的重要綠色能源之一。其中，光伏發(fā)電是利用光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。如今光伏發(fā)電已進入規(guī)模化發(fā)展階段，其應(yīng)用十分廣泛，如為無電區(qū)提供電力；并網(wǎng)發(fā)電；生產(chǎn)太陽能電子產(chǎn)品，在交通上使用的路燈等。屋頂分布式光伏發(fā)電是常見的太陽能發(fā)電技術(shù)，合理選擇發(fā)電的相關(guān)設(shè)備，設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，可提高對太陽能資源的利用率。本文就屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)做項目設(shè)計，接入公共電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的自產(chǎn)、自用、自銷。1設(shè)備與安裝的選擇1.1光伏電池屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池，主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜電池等[1]。太陽電池的材料決定著制作成本和光電轉(zhuǎn)換效率，目前單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達26%，但其制作工藝復(fù)雜、加工繁瑣，導致單晶硅太陽電池成本一直遠遠大于其他太陽電池。就制作工藝而言，多晶硅太陽電池在生產(chǎn)過程中能量消耗低，材料制造相對簡單，制造時不污染環(huán)境，比單晶硅太陽電池更經(jīng)濟環(huán)保。而且，經(jīng)德國研究人員的努力，其轉(zhuǎn)換效率也突破20.3%[2，3]。此外，文獻[4-5]研究發(fā)現(xiàn)光強與溫度對單晶硅、非晶硅電池輸出電流與電壓的影響規(guī)律相同，但對非晶硅電池的工作影響較大，在光照強度或溫度條件相同時，晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高于非晶硅太陽電池。因此，綜合光電轉(zhuǎn)換效率、制作成本、經(jīng)濟環(huán)保等因素，本次設(shè)計選擇多晶硅太陽電池。1.2布局方式光伏發(fā)電系統(tǒng)中最小的發(fā)電單元是每個光伏組件。通常在安裝底座上將多個光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)，形成固定的直流發(fā)電單元，進而組成光伏發(fā)電方陣。屋頂光伏組件固定擺放方式可大幅降低工程建設(shè)成本、減少維護和檢查費用，其中，條形基礎(chǔ)施工簡單，場地平坦時可直接放置于地面，屋頂面積使用率高、施工速度快。因此本文采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)安裝方式。此外，設(shè)計時，要確保光伏系統(tǒng)全年高效運行。光伏電池要以最佳傾角來安裝，以便采集更多的太陽輻射量。為簡便，取北回歸線為北緯N23°，揚州經(jīng)緯度取北緯N32°，東經(jīng)E119°。根據(jù)規(guī)范[6]得出獨立系統(tǒng)安裝時組件傾角為37°，并網(wǎng)系統(tǒng)安裝傾角為28°，斜面日均輻射量14207kJ/m2，日輻射量13400kJ/m2。1.3光伏板與逆變器屋頂總面積為6125m2，尺寸24.5m×250m，位于揚州市。光伏組件均采用XHGD-300W多晶硅組件，功率為300W，轉(zhuǎn)換效率為17.5%，結(jié)構(gòu)尺寸為1950mm×990mm×40mm。系統(tǒng)中逆變器是把光伏方陣產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并入配電網(wǎng)。根據(jù)本次設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量，綜合分析各項指標及安全要求，確定選用30kWh組串式逆變器方式。此型號的光伏并網(wǎng)逆變器支持六路組串檢測，可快速定位故障發(fā)生位置，有保護功能和發(fā)生短路、過載、電網(wǎng)等異常故障時的報警功能，且無諧波污染供電。1.4組件排布光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證全年包括夏至日和冬至日9：00am-15：00pm內(nèi)各個方位互不遮擋。間距可由下列公式計算[7]：其中，組件開路電壓溫度系數(shù)Kv=-0.32%/℃，開路電壓VOC=42.6V，工作電壓Vpm=35.8V，組件峰值功率電壓溫度系數(shù)K’v=-0.41%/℃，組件工作條件下極低和極高溫度分別為t=-25℃，t’=+60℃，逆變器允許最大輸入電壓Vdcmax=1000V，逆變器允許的mppt電壓最大和最小值分別為Vmpptmax=800V，Vmpptmin=500V。在公式（2）和公式（3）中帶入數(shù)值，得16.3？燮N？燮18.5，取N=18。為減少支架購買費用，將兩塊光伏組件橫向疊加擺放，每個光伏方陣由2行9列，共18塊光伏組件串聯(lián)而成，長17.55m，寬1.984m。取L=1.984m，根據(jù)公式（1）計算，方陣間距取D=3.62m。本次設(shè)計共65個光伏方陣，5行13列，1170塊光伏組件。每行的方陣間隔0.33m，每列的方陣由計算所得的D值再多0.556m過道寬。2并網(wǎng)2.1并網(wǎng)方式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏方陣、逆變器及輸配電系統(tǒng)三大部分組成，根據(jù)本光伏電場規(guī)劃容量，本次設(shè)計將光伏組件串聯(lián)組成光伏方陣，然后與逆變器連接，所發(fā)電量通過逆變、低壓交流匯流接入配電系統(tǒng)，實現(xiàn)400V低壓并網(wǎng)接入。之后通過升壓變壓器將電壓升至10kV，再經(jīng)過線路接入變電站10kV的母線其他配電設(shè)施上。2.2部分電氣設(shè)備的選擇2.2.1匯流箱的選擇匯流箱在光伏發(fā)電系統(tǒng)中負責有序匯合光伏組件產(chǎn)生的電流。它能保證在光伏系統(tǒng)維護、檢查時方便切斷電路以及當光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時縮小被影響的范圍。本文采用組串式逆變器，為了減少逆變器后端的電纜接線、提高系統(tǒng)的可靠性和易維護性，設(shè)計選擇上海新馳SHLX-AC8交流匯流箱。2.2.2并網(wǎng)柜的選擇并網(wǎng)柜是連接光伏電站和低壓母線的配電裝置，負責分離光伏系統(tǒng)和母線，使電能更安全地接入電網(wǎng)。對于低壓并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，本設(shè)計還需增加光參考計量及一定的保護功能。光伏并網(wǎng)柜作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流總出口，必不可少。本設(shè)計選擇愛斯凱最大功率500kW交流并網(wǎng)柜，尺寸800×2200×800mm。2.2.3蓄電池的選擇該設(shè)計要求配備合適容量的儲能裝置，即蓄電池，并能夠向負載提供持續(xù)穩(wěn)定的電力。容量可由下面計算公式得到：式中最長無日照期間用電時數(shù)D=240h，儲能電池放電效率修正系數(shù)F=1.05，平均負荷容量P0=0.13kW，儲能電池的放電深度U=0.7，逆變器等交流回路的損耗率Ka=0.8?？傻肅C=60kWh，繼而可計算出需要50塊蓄電池（12V，100Ah）。由于蓄電池和低壓母線不能直接連接，本文中連接蓄電池的裝置選擇PCS儲能逆變器，多用于儲能，可進行雙向逆變，是一種具有特殊功能并網(wǎng)逆變器。當電能充足時，通過PCS將電能存儲于蓄電池；當電能不足時，將存儲的電能通過PCS供應(yīng)母線。3經(jīng)濟效益3.1屋頂光伏站的優(yōu)勢目前國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)逐漸成熟完整，光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝成本隨光伏組件和逆變器價格的下降而下降。屋頂光伏發(fā)電能很好地順應(yīng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展大潮流，實現(xiàn)電能自產(chǎn)自銷、自產(chǎn)自用，很大程度上節(jié)約用電成本，且獲得投資收益。3.2光伏發(fā)電量的計算3.2.1發(fā)電量收益本次設(shè)計在屋頂安裝光伏容量350kWp，場地總面積約6125平方米，尺寸24.5m×250m，場址位于揚州市，本光伏電站為工廠自建。系統(tǒng)發(fā)電量由下面公式計算得到：考慮到光伏電站10年衰減10%，25年衰減20%，25年平均的年發(fā)電量約為38.6萬kWh。江蘇省最新的光伏上網(wǎng)電價調(diào)整為0.75元/kWh，若電站每年的電量全部上網(wǎng)，每年平均可獲收益約為29萬元。3.2.2電站成本主要電氣設(shè)備數(shù)量及價格如表1所示。此外，通信和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備費用約為10萬元；建筑工程方面有屋面處理、基礎(chǔ)安裝及接地工作、電纜敷設(shè)、并網(wǎng)接入、設(shè)備運輸及倉儲等需花費約45萬元；其他屋面租用、勘察設(shè)計、建造管理等費用約20萬元。另外，設(shè)備安裝及場地建造的人工費用約30萬元。電站總成本約為285萬元，若每年正常運作發(fā)電，約9年收回成本，后期即可獲益。4結(jié)束語本文對屋頂光伏發(fā)電的基礎(chǔ)部件、電氣設(shè)備進行選擇，同時系統(tǒng)分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的社會經(jīng)濟收益。當然，建造光伏系統(tǒng)中的細節(jié)還有所欠缺，如何進一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，怎樣減少成本，讓利益最大化等等，都是今后需要努力的地方。參考文獻：[1]王聰，代蓓蓓，于佳玉，等.太陽能光電、光熱轉(zhuǎn)換材料的研究現(xiàn)狀與進展[J].硅酸鹽學報，2017，45（11）：1555-1568.[2]JiangY，ShenH，PuT，etal.Highefficiencymulti-crystallinesiliconsolarcellwithinvertedpyramidnanostructure[J].SolarEnergy，2017，142：91-96.[3]P.Bellanger，M.Traoré，B.S.Sunil，A.Ulyashin，C.Leuvrey，C.Maurice，S.Roques，A.Slaoui.Polycrystallinesiliconfil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