住宅小區(qū)屋頂太陽能光伏發(fā)電分析

住宅小區(qū)屋頂太陽能光伏發(fā)電分析

1．1XXXX住宅小區(qū)概況

XXXX住宅小區(qū)占地面積64788m2，總建筑面積13．4萬m2。小區(qū)住宅整體布置方式為南北朝向，南北均無高大建筑物，無遮陰情況，日照充分。小區(qū)建筑住宅以多層為主，屋頂呈人字形，樓高22．2—22．86m。計(jì)劃在小區(qū)2O號(hào)樓屋頂裝設(shè)太陽能電池板，建住宅小區(qū)太陽能光伏發(fā)電示范電站。2O號(hào)樓目前處于在建狀態(tài)，-屋頂可利用面積有：西側(cè)平臺(tái)，面積87m；斜屋面，～7共7塊，總面積(斜面)113．9m。；露臺(tái)，厶一厶共5個(gè)，總面積233．44m。

1-2設(shè)計(jì)要求

a．該項(xiàng)目有一定的公眾影響力。美觀與否非常重要，要求光伏電池組件的安裝應(yīng)保持屋頂?shù)娘L(fēng)格和美觀，并與小區(qū)及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

b．該光伏電站主要提供小區(qū)公用設(shè)施用電，包括：地下車庫西區(qū)照明燈35．2kW，地下車庫東區(qū)照明．燈21．4kW，智能化設(shè)備2kW等。要求在陰雨天氣時(shí)，’應(yīng)能使用城市電網(wǎng)為公用負(fù)荷供電。

c．光伏電站建設(shè)費(fèi)用計(jì)入小區(qū)開發(fā)成本。建成后隨小區(qū)移交物業(yè)管理，要求節(jié)省投資。維護(hù)管理方便。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為兩類。即：獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行[1]。

獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，主要用于無電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)。由于必須有蓄電池儲(chǔ)能裝置，所以整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)很高。

在有公共電網(wǎng)的地區(qū)。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般與電網(wǎng)連接，即采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以省去蓄電池，而將電網(wǎng)作為自己的儲(chǔ)能單元。由于蓄電池在存儲(chǔ)和釋放電能的過程中，伴隨著能量的損失，且蓄電池的使用壽命通常僅為5～8年，報(bào)廢的蓄電池又將對(duì)環(huán)境造成污染，所以，省去蓄電池后的光伏系統(tǒng)不僅可大幅度降低造價(jià)，還具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能，且維護(hù)簡單、方便。在建筑密度很大的城市住宅小區(qū)中，能夠安裝太陽能電池板的面積有限，住宅小區(qū)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其變壓器的容量，即光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率始終小于小區(qū)負(fù)載的功率，沒有剩余電能送入上級(jí)城市電網(wǎng)[2】。

綜合考慮，該光伏發(fā)電系統(tǒng)擬采用并網(wǎng)運(yùn)行方式．并在小區(qū)內(nèi)局部并網(wǎng)，不考慮將電能輸入上級(jí)城市電網(wǎng)，系統(tǒng)原理圖如圖l所示。采取小區(qū)內(nèi)局部并網(wǎng)3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1設(shè)計(jì)依據(jù)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)有：《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》(GB／T19939—2005)；當(dāng)?shù)貧庀筚Y料；建設(shè)方提供的相關(guān)資料及要求等。

3．2光伏系統(tǒng)太陽能電池組件的配置方案

3．2．1最佳方陣傾角的確定

安裝地點(diǎn)介于北緯3O。O2一3O。24和東經(jīng)121。02一121。42之間，處于北亞熱帶南緣，屬季風(fēng)型氣候。平均年日照時(shí)數(shù)2038小時(shí)，太陽年輻射量4000～4800MJ／m，年日照百分率47％。查閱相關(guān)資料可知，太陽能電池組件方陣最佳傾角為30。。

3．2-2太陽能電池組件的選擇與布置

3．2-2．1太陽能電池組件的選擇

目前，高效晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)2l％以上，大批量生產(chǎn)的單晶硅光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率也已達(dá)到14％以上。該系統(tǒng)選用了常州天合光能有限公司生產(chǎn)的rlSM一175D型高效單晶硅電池組件．其外形如圖2所示。

175W電池組件技術(shù)參數(shù)如下，峰值功率：Pm=175WP；開路電壓：=43．58V；最佳工作電壓：=36．2V；短路電流：厶=4．97A；最佳工作電流：，m=4．85A；重量：G=16kg；尺寸：長×寬×厚=l581mm×809mm×40mm。

3．2．2．2太陽能電池組件的布置

將太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用于城市住宅小區(qū)時(shí)，與建在邊遠(yuǎn)地區(qū)、荒漠地區(qū)的獨(dú)立光伏電站有很多不同點(diǎn)，不能簡單地將太陽能電池方陣按最佳傾角的要求布置，必須要充分考慮與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)和美觀。根據(jù)建設(shè)方提供的加號(hào)樓屋面圖(參見圖3)以及現(xiàn)場考察情況，電池方陣布置方案如下：

a．西側(cè)平臺(tái)面積87mz。采用鋸齒型方陣。共安裝組件36塊，方陣傾角為30o。功率為：175Wp×36=6300W。

b．斜屋面一，共7塊小屋面可安裝太陽能組件，總面積(斜面)113．9m：，與斜屋面平行安裝組件87塊，方陣傾角為斜屋面坡度31。。功率為：175W×87=15225Wp。

c．頂層露臺(tái)上方裝飾性花架有厶一共5個(gè)可安裝太陽能組件。面積233．44m。，考慮露臺(tái)的采光和建筑的整體布局和美觀。將露臺(tái)上方裝飾性花架前半部分空出一定面積，保持裝飾性花架的原貌，后部約有163m2安裝組件，共安裝組件126塊，為減少風(fēng)壓及屋頂?shù)拿烙^，方陣傾角為7。。功率為：175Wp×126=22050Wp。該布置方案共安裝了175W高效單晶硅太陽能組件249塊，總功率為43575W。，設(shè)計(jì)按43kWp配置、計(jì)算

3．2．3太陽能組件的分組串接

從系統(tǒng)效率考慮，直流電壓越高效率就越高，住宅用電電壓為220～400V。安裝組件時(shí)原則上要在同一日最低的組件影響導(dǎo)致整體輸出嚴(yán)重下降。該方案屋面布置的太陽能電池組件在安裝后的光照有兩種情況：

a．平臺(tái)、露臺(tái)上方裝飾性花架安裝的組件將不會(huì)受到建筑物等的擋光影響；

b．斜屋面安裝的組件在每天的不同時(shí)間段，其光照將會(huì)受到不同方向建筑的一定影響。

為了將組件串接后的熱斑效應(yīng)損耗降到最低，受到不同方向建筑物影響的組件進(jìn)行分組。將受到相同方向建筑物影響的組件歸為一組。并且在系統(tǒng)中采用多組串逆變器(在后面的逆變器中詳述)。為了平衡逆變器的功率，每臺(tái)多組串逆變器都接入了多組的組件。由多組串逆變器的每路MPPT(最大功率跟蹤)電路對(duì)每路組件進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，從而使因擋光引起的組件功率損失降低到最低限度。電池組件分組數(shù)參見圖3所示(電池組件被圈的為一組)。

3．3并網(wǎng)逆變器選擇與配置方案

3．3．1并網(wǎng)逆變器的選擇

并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的重要電力電子設(shè)備．其主要功能是把來自太陽能電池方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，并把電力輸送給與交流系統(tǒng)連接的負(fù)載，同時(shí)還具有極大限度地發(fā)揮太陽能電池方陣性能的功能和異?；蚬收蠒r(shí)的保護(hù)功能，即：①盡可能有效地獲取因天氣變化而變動(dòng)的太陽能電池方陣輸出所需的自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能，以及最大功率跟蹤控制功能；②保護(hù)電網(wǎng)安全所需的防單獨(dú)運(yùn)行功能和自動(dòng)電壓調(diào)整功能③電網(wǎng)或并網(wǎng)逆變器發(fā)生異常時(shí)，安全脫網(wǎng)或停下逆變器的功能。已進(jìn)入實(shí)用階段的并網(wǎng)逆變器的回路方式有電網(wǎng)頻率變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式和無變壓器方式3種。其中無變壓器回路方式因在成本、尺寸、質(zhì)量和效率等方面具有優(yōu)勢而被廣泛采用。該系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器選用德國艾思瑪公司(SMA)生產(chǎn)的SunnyMiniCentral系列SMC6000TL型無變壓器集中式逆變器和SunnyBoy系列SB50OOTLMulti—String~無變壓器多組串逆變器，具有過壓保護(hù)、對(duì)地故障保護(hù)、孤島效應(yīng)保護(hù)、過載保護(hù)、短路故障保護(hù)等完善的保護(hù)功能，并具有內(nèi)置逆變采集器和RS485、RS232通信接口，可方便地獲取逆變器的運(yùn)行參數(shù)(直流輸入電壓和電流、交流輸出電壓和電流、功率、電網(wǎng)頻率等)。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。多組串逆變器采用了每路獨(dú)立的最大功率跟蹤，可以處理不同朝向和不同型號(hào)的光電組件，也可以彌補(bǔ)不同連接串中的光電組件數(shù)量和部分陰影的影響。因而可以有效地避免屋面安裝的組件因陰影引起的功率損失。

3．3．2逆變器與電池組件的分組匹配

逆變器與電池組件的分組串接如圖4所示。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下逆變器所接入的每路組件數(shù)量、輸入電壓、功率如表2所示。對(duì)照表1可知，該方案逆變器與電池組件的配置是合理的，滿足要求。3．4太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載的選擇從嚴(yán)格意義上來講。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將整個(gè)城市電網(wǎng)作為自己的儲(chǔ)能單元，因而，光伏系統(tǒng)所帶負(fù)荷是任意的，不存在選擇問題。但由于我國《可再生能源法》剛剛于2006年1,q1日實(shí)施，《可再生能源法》的“上網(wǎng)電價(jià)法”和“全網(wǎng)平攤”法規(guī)尚未實(shí)施，這就帶來了住宅小區(qū)移交物業(yè)管理后電費(fèi)管理上的困難。因而，為了更好地保證上級(jí)城市電網(wǎng)的安全，方便管理，太陽能并網(wǎng)光伏系統(tǒng)負(fù)載的選擇原則應(yīng)是使屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率小于所帶負(fù)載的用電功率，并且盡可能使負(fù)載的用電時(shí)間與光伏系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)間相匹配。小區(qū)設(shè)置了高壓環(huán)網(wǎng)站一座，在小區(qū)各負(fù)荷點(diǎn)設(shè)置了7個(gè)箱變．其中2箱變?yōu)?00kV·A，6箱變looOkV．A．其它均為630kV·A。與光伏系統(tǒng)公共接入點(diǎn)相連的箱變變壓器容量為630kV·A，主要供小區(qū)公用負(fù)荷用電。小區(qū)公用負(fù)載主要有：地下車庫西區(qū)照明燈35．2kW，地下車庫東區(qū)照明燈21．4kW，智能化設(shè)備2kW，以及小區(qū)景觀燈、圍墻燈等。地下車庫照明負(fù)荷曲線與太陽光日照曲線接近，因此，選擇地下車庫照明和智能化設(shè)備用電為光伏系統(tǒng)的負(fù)荷?？傌?fù)荷功率為58．6kW，大于光伏系統(tǒng)的峰值功率43kW，且所安裝的光伏系統(tǒng)峰值功率43kW。不到所連4#箱變?nèi)萘康?0％，保證了無電能輸入上級(jí)城市電網(wǎng)，符合設(shè)計(jì)要求?！?/p>

3．5防雷設(shè)計(jì)

3．5．1防直擊雷措施

直擊雷是指直接落到太陽能電池陣列、低壓配電線路、電氣設(shè)備以及在其旁的雷擊。防直擊雷的基本措施是安裝避雷針。由于該光伏系統(tǒng)中的外置設(shè)備在整個(gè)環(huán)境中不是最高建筑物，所以設(shè)計(jì)為：把所有屋頂電池組件的鋼結(jié)構(gòu)與屋頂建筑的防雷網(wǎng)相連，以達(dá)防雷擊的目的，并符合《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)一導(dǎo)則》(SJ／T11127)中有關(guān)規(guī)定。

3．5．2防感應(yīng)雷措施

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵途徑，除了太陽能電池陣列外。還有配電線路、接地線以及它們的組合。從接地線侵入是由于近旁的雷擊使大地電位上升，相對(duì)比電源高，從而產(chǎn)生從接地線向電源側(cè)反向電流引起的。根據(jù)sJ／T11127中有關(guān)規(guī)定。該系統(tǒng)主要采取以下措施：。

a．在每路直流輸入主回路內(nèi)裝設(shè)浪涌保護(hù)裝置，并分散安裝在防雷接線箱內(nèi)。屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在組件與逆變器之間加入防雷接線箱，不僅對(duì)屋頂太陽能電池組件起到防雷保護(hù)作用。還為系統(tǒng)的檢測、維修、維護(hù)提供了方便?？s小了電池組件故障檢修范圍。該設(shè)計(jì)選用了IP65防護(hù)等級(jí)的TRI—FL型接線箱。并隨組件方陣直接安裝在室外。其接人方式參見圖4。

b．在并網(wǎng)接人控制柜中安裝避雷元件，以防護(hù)從低壓配電線侵入的雷電波及浪涌。并網(wǎng)控制柜原理圖參見圖5所示。

3．6電纜選擇

組件之間的連接電纜和組件與逆變器之間的電纜都使用在戶外，直接暴露在陽光下，因此，該光伏系統(tǒng)直流部分選用耐氧化、耐高溫、耐紫外線的DCEYHR系列電纜，以保證系統(tǒng)長時(shí)間的安全正常運(yùn)行。

3．7支架設(shè)計(jì)

該地區(qū)為沿海地區(qū)。在抗風(fēng)壓以及抗腐蝕方面采取了以下措施：

a．所有支架采用國標(biāo)型鋼，多點(diǎn)結(jié)合，即：增加鋼支架與屋面結(jié)構(gòu)和相關(guān)承重結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，將受力點(diǎn)均勻分布于各承重結(jié)構(gòu)上。按抗l2級(jí)臺(tái)風(fēng)要求進(jìn)行力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算．各連接點(diǎn)選用特制型鋼和不銹鋼螺栓連接。

b．所有支架都采用熱鍍鋅，局部外裸部分噴涂氟碳涂料來有效防腐。

3．8監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)選用德國艾思瑪公司(SMA)配套生產(chǎn)的SunnyBoyContwlPlus產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的監(jiān)控功能：

a．監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)置可連接外部傳感器的輸入測量端口和操作界面。包含8個(gè)模擬量(如溫度、輻照度、氣壓、濕度等)和8個(gè)數(shù)字量(如風(fēng)速、智能電表等)輸入接口。

b．通過RS485通信總線與逆變采集器相連接，獲取每組光伏組件的發(fā)電情況和每臺(tái)逆變器的發(fā)電功率。

e．監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄250個(gè)數(shù)據(jù)通道，可以顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，分析運(yùn)行數(shù)據(jù)。

d．監(jiān)控系統(tǒng)可以連接外置顯示屏昆示戶外系統(tǒng)運(yùn)行情況。也可以與遠(yuǎn)程監(jiān)控器相連，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程連接，遠(yuǎn)程管理員通過普通手機(jī)即可了解到系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4結(jié)束語

a．該設(shè)計(jì)方案充分考慮了各種因素和要求，在遵循國家標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》的前提下，充分體現(xiàn)了其科學(xué)合理性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性、示范性、人性化等特點(diǎn)．選用的高效率單晶硅電池組件、高效率并網(wǎng)逆變器、多組串逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)(可拓展到遠(yuǎn)程監(jiān)控)等也充分反映了這些特點(diǎn)，達(dá)到了最佳效果，有著較好的示范性和影響力。目前該工程正在申報(bào)國家示范性項(xiàng)目。