現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)光互補光伏發(fā)電項目光伏電站總體設(shè)計及發(fā)電量計算方案

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)光互補光伏發(fā)電項目光伏電站總體設(shè)計及發(fā)電量計算方案1.1光伏組件選型1.1.1太陽電池分類及比較當前商業(yè)應用的太陽能電池分為晶硅電池和薄膜電池。晶硅電池分為單晶硅和多晶硅電池，目前商業(yè)應用的光電轉(zhuǎn)換效率單晶硅已超過18cYo，多晶硅15～16%。在光伏電池組件生產(chǎn)方面我國2007年已成為第三大光伏電池組件生產(chǎn)國，生產(chǎn)的組件主要出口到歐美等發(fā)達國家。薄膜電池分為非晶硅薄膜電池、CdTe電池和CIGS電池。當前商業(yè)應用的薄膜電池轉(zhuǎn)化效率較低，非晶硅薄膜電池為5～89/o，CdTe電池為119/o，CIGS電池為I090。非晶硅薄膜電池商業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，并已在國內(nèi)形成產(chǎn)能；CdTe和CIGS電池在國內(nèi)還沒有形成商業(yè)化生產(chǎn)。由于薄膜電池的特有結(jié)構(gòu)，在光伏建筑一體化方面，有很大的應用優(yōu)勢。目前在MW級光伏電站中應用較多的是晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池。單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較高，但價格相對較高。多晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅略低，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，但它成本低，重量輕，應用更為萬便。從工業(yè)化發(fā)展來看，太陽能電池的重心已由單晶硅向多晶硅方向發(fā)展，主要原因為：(1)可供應太陽能電池的頭尾料愈來愈少；(2)對太陽能電池來講，方形基片更合算，通過澆鑄法和直接凝固法所獲得的多晶硅可直接獲得方形材料；(3)多晶硅的生產(chǎn)工藝不斷取得進展，全自動澆鑄爐每生產(chǎn)周期（50小時）可生產(chǎn)200公斤以上的硅錠，晶粒的尺寸達到厘米級；(4)由于近十年單晶硅工藝的研究與發(fā)展很快，其中工藝也被應用于多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)，例如選擇腐蝕發(fā)射結(jié)、背表面場、腐蝕絨面、表面和體鈍化、細金屬柵電極，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可使柵電極的寬度降低到50微米，高度達到15微米以上，快速熱退火技術(shù)用于多晶硅的生產(chǎn)可大大縮短工藝時間，單片熱工序時間可在一分鐘之內(nèi)完成，采用該工藝在IOO平方厘米的多晶硅片上作出的電池轉(zhuǎn)換效率超過14%。多晶硅太陽能電池組件具有以下特點：(1)具有穩(wěn)定高效的光電轉(zhuǎn)換效率；(2)表面覆深藍色氮化硅減反膜，顏色均勻美觀；(3)高品質(zhì)的銀和銀鋁漿料，確保良好的導電性、可靠的附著力和很好的電極可焊性；(4)高精度的絲網(wǎng)印刷圖形和高平整度，使得電池易于自動焊接和激光切割。綜上所述，并考慮實際情況，本階段擬采用多晶硅太陽能電池組件。1.1.2電池組件的確定通過對國內(nèi)外光伏組件的詞研和比選，根據(jù)光伏并網(wǎng)電站的設(shè)計特點及相關(guān)政策的規(guī)定，初步選定290-72P太陽能電池組件。(1)本工程太陽能電池組件參數(shù)如下表5.1-1。表5.1—1太陽能電池組件組件參數(shù)組件參數(shù)最大額定功率Wp250功率公差%±3最大功率時電壓V35.6組件轉(zhuǎn)化效率%14.98最大功率時電流A35.6開路電壓溫度系數(shù)%／℃-0.408短路電流A8.75短路電流溫度系數(shù)%／℃0.045系統(tǒng)最大電壓V1000標準組件發(fā)電條件℃46±2長*寬*厚m1956~990;ac501.2光伏陣列運行方式選擇1.2.1太陽能電池組件的放置形式太陽能電池組件的放置形式有固定安裝式和自動跟蹤式兩種形式。對于固定式光伏系統(tǒng)，一旦安裝完成，太陽能電池組件傾角就無法改變，因此合理的傾角選擇對于固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)就顯得尤為重要了。自動跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件可以隨著太陽運行而跟蹤移動，使太陽組件一直朝向太陽，增加了接受的太陽輻射量。但跟蹤裝置比較復雜，初始成本和維護成本較高。目前使用廣泛的有兩種太陽光伏自動跟蹤系統(tǒng)，包括單軸跟蹤、和雙軸跟蹤，其中單軸跟蹤只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，雙軸跟蹤具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度。兩種跟蹤系統(tǒng)采用的跟蹤控制策略為主動式跟蹤控制策略，通過計算得出太陽在天空中朐方位，并控制光伏陣列朝向。這種主動式光伏自動跟蹤系統(tǒng)能夠較好的適用于多霜雪、多沙塵的環(huán)境中，在無人值守的光伏電站中也能夠可靠工作。從跟蹤是否連續(xù)的角度看，所研制的光伏自動跟蹤系統(tǒng)采用了步進跟蹤方式，與連續(xù)跟蹤方式相比，步進跟蹤方式能夠大大的降低跟蹤系統(tǒng)自身能耗。從跟蹤效果上來講，雙軸跟蹤能最大限度的獲得太陽輻射，但價格也相對偏高。通過綜合考慮，本工程的太陽能電池組件的放置形式采用傾角固定。支架相關(guān)參數(shù)如下：(1)單個支架功率組件IO.OkW（根據(jù)電池組件實際布置調(diào)整）(2)支架規(guī)格：20塊×2塊（支架規(guī)格以放置組件數(shù)表示，根據(jù)電池組件實際布置調(diào)整）(3)陣列傾角：260，陣列方位：01.2.2光伏組件陣列傾斜面輻射量及陣列傾角1.2.2.1、各月傾斜面上的平均輻射量Ht任意傾角任意方位的光伏陣列傾斜面月平均輻射量采用Klein和Theilacker(1981)提出的天空各向異性模型，此種計算方法是國際上公認及最常用的計算方法，模型做以下簡述，詳細請查閱相關(guān)文獻。公式1、Ht=Hbt+Hdt+Hrt公式2、Htl=f(B，Y，p，N，E，Hbt，Hdt)公式3，Ht2=f(岱，Y，p，N，E，Hbt，Hdt)公式4、Ht3=f(p，N，E，Hbt，Hdt)注：公式1為計算傾斜面上月平均輻射量的基礎(chǔ)公式公式2、3、4為各種跟蹤方式傾斜面上月平均輻射量的簡式Ht-傾斜面上的月平均輻射量Htl-固定式傾斜面上的月平均輻射量Ht2-單軸跟蹤傾斜面上的月平均輻射量Ht3-雙軸跟蹤傾斜面上的月平均輻射量Hbt-直接太陽輻射量Hdt-天空散射輻射量Hrt-地面反射輻射量B-傾斜面與水平面之間的夾角Y-傾斜面的方位角p-地面反射率，取值為0.2（見附表）N-當?shù)鼐暥菶-當?shù)亟?jīng)度不同地表狀態(tài)的反射率地面狀態(tài)反射率地面狀態(tài)反射率地面狀態(tài)反射率沙漠0.24～0.28干濕土0.14濕草地0.14～0.26干燥地帶0.1～0.2濕黑土0.08新雪0.81濕裸地0.08～0.09干草地0.15～0.25冰面0.691.3逆變器的選型對于逆變器的選型，本工程按容量提出兩種方案進行比選：方案一選用500kw逆變器；方案二選用250kW逆變器。方案一：選用500kW逆變器，整個工程配40臺500kW逆變器。目前國內(nèi)外廠家都可以提供該容量的逆變器，設(shè)備選擇范圍廣，該方案的優(yōu)點是單臺逆變器容量大，主變壓器數(shù)量少，整個系統(tǒng)效率較高，施工維護工作量小。缺點是單臺逆變器容量大，在運行過程中如果發(fā)生故障，則故障影響的范圍大。在國外大容量逆變器的使用已經(jīng)非常普遍，而我國光伏發(fā)電行業(yè)處于高速發(fā)展階段，國內(nèi)使用500kW容量逆變器的工程越來越多，已經(jīng)成為逆變器選擇的主流。方案二：選用250kW的逆變器，整個工程配80臺250kW逆變器?，F(xiàn)在SMA、SolarMax、Power-one、Conergy、Xantrex等品牌都能夠生產(chǎn)此種逆變器，在產(chǎn)品選擇上不存在問題，生產(chǎn)運行經(jīng)驗也非常豐富。以下對二種方案的逆變器經(jīng)濟性進行比較，見下表（逆變器按照國產(chǎn)設(shè)備報價）。逆變器經(jīng)濟比較方案逆變器型號數(shù)量（臺）單價（萬）合計（萬）差價（萬）方案一500kW403514000方案二250kW80181440推薦方案一綜合以上內(nèi)容，本工程選用戶外型500kW逆變器，整個工程配100逆變器基本參數(shù)如下：逆變器參數(shù)直流側(cè)參數(shù)交流側(cè)參數(shù)最大直流電壓V900額定輸出功率W500k滿足MPPT電壓范圍450～820最大交流輸出電流A500k最大直流功率W550k額定電網(wǎng)電壓V315最大輸入電流A1200允許電網(wǎng)電壓V250～362最大接入路數(shù)總電流波形畸變率<3%MPPT路數(shù)1功率因數(shù)0.95（超前）～0.95（滯后）其中最大效率0.987寬度2800歐洲效率0.985高度2180防護等級IP20深度850隔離無變壓器重量22881.4光伏方陣設(shè)計本工程設(shè)計容量為10MWp，按最大功率計算，實際布置為10MWp，共采用250Wp型太陽能電池40000片。太陽能電池組件的固定方式采用傾角固定，陣列傾角為260，陣列方位為00。組件排列方式為豎置，橫向(HI)組件布置20塊，豎向(H2)組件布置2塊，每排間距(DI)10.3m，每列間距(D2)0.5m。共布置支架2000組。示意圖：1.5方陣接線方案設(shè)計1.5.1電池串并聯(lián)數(shù)電池組件串并聯(lián)數(shù)的確定主要依據(jù)其組件的電性能參數(shù)、逆變器的參數(shù)、當?shù)販囟群退矔r輻射強度對開路電壓、工作電壓及功率的影響來分析。1)本工程10MWp單元太陽能光伏電池組件選用250Wp組件，逆變器容量選用500kW，以下對相關(guān)公式及原則做簡要介紹：公式1.Vmp(f)=Vmp(1+Y△T)h(e+B△S)公式2.Voc(f)=Voc(I+Y△T)h1(e+B△S)公式3、△T=T-T(f)公式4、△S=S/S(f)一1公式5.PYmax=(Sti,fe,Vmp(S,f),Voc(S,f》公式6.Sti=(RH、p、hPa、YN、JD、WD、ti、B、Y)原則1、逆變器最大直流輸入功率>PYmax術(shù)Ns術(shù)Np原則2、逆變器最小MPPT電壓<Vmp(f)術(shù)Ns原則3、逆變器最大直流開路電壓>Voc(f)術(shù)Ns原則4、組件系統(tǒng)最大電壓>Voc(f)水Ns注：公式1、2為計算組件任意溫度下Vmp(f)和Voc(f)，Voc(f)主要應用為冬季組件工作溫度，Vmp(f)夏季組件工作溫度公式5為循環(huán)一年計算每個時刻相對理想狀態(tài)下組件的瞬時輸出功率的簡式，其中的最大值定義為組件全年最大輸出功率PYmax公式6為任意時刻相對理想狀態(tài)下陣列傾斜面上的輻照度的簡式Ns-每臺逆變器接入組件串聯(lián)數(shù)Np-每臺逆變器接入組件并聯(lián)數(shù)Imp-組件最大功率時電流f-為組件的工作溫度fe-為任意的環(huán)境溫度S-為傾斜面輻照度K-O.025℃m2／WPymax-組件全年最大輸出功率Vmp(f)-任意溫度及輻照度時組件最大功率時電壓Vmp-標準測試條件下的最大功率時電壓Voc(f)-任意溫度及輻照度時組件開路電壓Voc-標準測試條件下的組件開路電壓T-標準測試條件下組件工作溫度25℃T(f)-任意組件工作溫度S-標準測試條件下的輻照度1000W/II12S(f)-f溫度下相應輻照度Y-開路電壓溫度系數(shù)e-常數(shù)B-o.5Imp-STC下組件最大功率時電流D——陣列傾角Y-陣列方位PYmax-組件全年最大輸出功率RH-相對濕度YN-云量p-地面反射率hPa-大氣壓ti-任意時刻Sti-任意時刻相對理想狀態(tài)下陣列傾斜面上的輻照度JD-當?shù)亟?jīng)度WD-當?shù)鼐暥雀鶕?jù)計算，最終確定組件串聯(lián)數(shù)=20，組件并聯(lián)數(shù)=100。1.5.2光伏陣列直流防雷匯流箱的設(shè)計由于逆變器的輸入回路數(shù)量有限以及為了減少光伏組件到逆變器之間的連接線和方便日后維護，需要在直流側(cè)配置匯流裝置，本系統(tǒng)可采用分段連接、逐級匯流的方式進行設(shè)計，即在戶外配置光伏陣列防雷匯流箱（以下簡稱“匯流箱’’），采用匯流箱將多串電池組件進行匯流，然后再輸入直流配電柜，再至逆變器，使逆變器的輸入功率達到合理的值，同時節(jié)省直流電纜，降低工程造價。匯流箱設(shè)計中主要計算需求匯流箱的數(shù)量以及選擇匯流箱的原則，以下對相關(guān)計算公式及原則做簡述公式1、Nh=Lz／Ni術(shù)M／Lh原貝U1、Ir>Isc術(shù)n術(shù)1.45原則2、VDC>Voc冰Ns注：公式1為計算匯流箱的數(shù)量原則1、2為選擇匯流箱的基本原則Nh-匯流箱數(shù)Lz-陣列總輸出路數(shù)Ni-逆變器數(shù)量M-每個逆變器MPPT個數(shù)Lh-匯流箱輸入路數(shù)n-陣列輸出每路并聯(lián)數(shù)Ns-組件串聯(lián)數(shù)Np-組件并聯(lián)數(shù)Ir-熔絲額定額定電流Isc-組件短路電流Voc-組件開路電壓VDC-匯流箱最大接入開路電壓光伏陣列防雷匯流箱的性能特點如下：戶外壁掛式安裝，防水、防銹、防曬，滿足室外安裝使用要求；可同時接入6～16路電池串列，每路電池串列輸入的最大電流為IOA;電池串列的最大開路電壓為DClOOOV;每路電池串列配有光伏專用高壓直流熔絲進行保護，其耐壓值為DCIOOOV;直流輸出母線的正極對地、負極對地、正負極之間配有光伏專用高壓防雷器；直流輸出母線端配有可分斷的直流斷路器；確定如下參數(shù)的匯流箱數(shù)量270臺。匯流箱參數(shù)光伏陣列輸入路數(shù)14匯流箱輸出路數(shù)1每路熔絲額定電流A14防雷器有最大接入開路電壓V1000防雷失效檢測有推薦斷路器型號GM5R-250PV/4250ADClOOOV監(jiān)控單元有1.5.3直流配電柜設(shè)計添加直流配電柜后，直流電通過直流配電柜進行匯流，再與并網(wǎng)逆變器連接，方便操作和維護。直流配電柜的設(shè)計主要是確定直流配電柜數(shù)量及選擇合適的直流配電柜，以下對直流配電柜數(shù)量的計算及直流配電柜選擇的原則做簡要介紹。公式1、Nz=Ni~M公式2、Imp(f)=Imp木S／Sf(1+Q(T—T(f)))原貝U1、Pzi>Nsi:Np／M原則2、Izi>Np／M冰Imp(f)注：公式1為計算直流配電柜數(shù)量公式2為夏季陣列輸入直流配電柜的最大電流原則1、2為選擇直流配電柜的基本原則Nz-直流配電柜數(shù)量Ni-逆變器數(shù)量M-每臺逆變器MPPT個數(shù)Ns-每臺逆變器接入組件串聯(lián)數(shù)Np-每臺逆變器接入組件并聯(lián)數(shù)Imp-組件最大功率時電流Imp(f)-任意溫度及輻照度時組件最大功率時電流f-為組件的工作溫度S-為傾斜面輻照度Pymax-組件全年最大輸出功率S-標準測試條件下的輻照度IOOOW/II12S(f)-f溫度下相應輻照度a-短路電流溫度系數(shù)T-標準測試條件下組件工作溫度25℃T(f)-任意組件工作溫度確定如下參數(shù)的直流配電柜數(shù)量100臺。直流單元參數(shù)接入直流路數(shù)7輸出直流路數(shù)1最大輸入直流功率KW550直流電壓表有最大輸入輸出總電流1200防雷器有絕緣強度V2500防雷失效檢測有最大接入開路電壓V1000