李寧峰,于國才
(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇南京210003)
太陽能光伏發(fā)電作為國家重點推廣的節(jié)能技術(shù),在今后幾年將取得快速發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)2種形式[1]。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)常用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電、微波中繼站電源、太陽能路燈系統(tǒng)等獨立電源場合,配有蓄電池,可以保證供電的連續(xù)性。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指可并網(wǎng)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng),包括帶蓄電池和不帶蓄電池2種方式。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性,常安裝在民用建筑上;不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性,常用于大型發(fā)電系統(tǒng)?;趯罄m(xù)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、運行提供技術(shù)支持和實驗條件支撐,文中的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計采用了離網(wǎng)與并網(wǎng)相結(jié)合的形式,可視工作需要進(jìn)行切換。
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏組件、組件支架、防雷系統(tǒng)、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜、并網(wǎng)變壓器等組成,如圖1所示。
圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成原理
系統(tǒng)中將光伏組件及支架按屋頂自然條件進(jìn)行合理布置,形成屋頂光伏陣列,用于太陽能的獲取及光電轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)屋頂光伏系統(tǒng)的特點將光伏組件進(jìn)行合理串并聯(lián)后,接入防雷匯流箱,根據(jù)光伏逆變器的容量配置分路接入直流配電柜,就完成了光伏直流電源的匯集過程。直流配電柜的出口按額定功率匹配接入并網(wǎng)逆變器,經(jīng)過逆變器將直流電流轉(zhuǎn)換為并入電網(wǎng)的交流電流,如逆變器的輸出電壓和并網(wǎng)電壓不相等,就需要經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換為同步的交流電壓后再并入電網(wǎng)。
光伏組件按光電池材料不同可分為晶硅組件、薄膜組件及聚光組件。
晶硅組件又細(xì)分為單晶組件、多晶組件、高效多晶組件,其光電能量轉(zhuǎn)換效率在15%~20%之間,整體性價比較高,是目前應(yīng)用最為廣泛的太陽能光電轉(zhuǎn)換材料。
薄膜組件具有生產(chǎn)成本低、便于大面積連續(xù)生產(chǎn)、可制成柔性卷曲形狀等特點。目前已能產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜太陽能電池主要有硅基薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池(CIGS)和碲化鎘薄膜電池(CdTe)。薄膜電池轉(zhuǎn)換率在6%~8%之間,轉(zhuǎn)化率不高是制約薄膜電池組件發(fā)展的技術(shù)瓶頸。
聚光組件的優(yōu)勢在于其采用廉價的光學(xué)材料來代替昂貴的硅電池材料,且轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到40%,遠(yuǎn)高于普通太陽能電池。不足之處是該電池組件需要冷卻裝置,聚光鏡體積較大,整體價格較高。
綜上所述,按經(jīng)濟(jì)、可靠、易擴(kuò)展的原則,設(shè)計擬采用晶硅組件。采用相同功率、不同材料的晶硅組件在同一環(huán)境下進(jìn)行比較試驗。3個月的試驗顯示,單晶組件的發(fā)電量最高,多晶組件稍低,高效多晶組件接近單晶組件,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 不同材料光伏組件發(fā)電性能比較
目前單晶組件的價格最高,其次為高效多晶組件和多晶組件??紤]性價比及設(shè)計目的,該設(shè)計采用多晶組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件。選用的組件外形尺寸為1665mm×991mm×50mm,單組功率為220 W,具體組件參數(shù)如表2所示。
表2 設(shè)計選用的多晶組件技術(shù)參數(shù)
2.2.1 確定光伏陣列的最佳傾角
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,最佳傾角是指能獲得全年最大光輻射量的組件傾角,通過調(diào)整組件的放置支架得到。光伏組件支架有可變傾角和固定傾角2種形式??勺儍A角適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng);固定傾角支架相對較為簡單,一般按能獲得全年最大輻射量的組件放置角度來制作。該設(shè)計規(guī)模較小,主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與驗證,故文中采用固定傾角方式的支架。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2],南京地區(qū)正南向坡面的分月總輻射最佳傾角隨季節(jié)變化而各不相同。全年各月最佳輻射傾角的平均值為26.4°,將該角度設(shè)定為放置光伏組件支架的水平傾角。
2.2.2 確定光伏組件陣列間距
光伏陣列間距的確定原則是冬至日當(dāng)天9:00至15:00,光伏陣列不會相互遮擋,一般按以下方式確定最小間距。
首先按式(1)和式(2)計算出南京地區(qū)太陽高度角α和方位角β[3]。
式中:φ為緯度,南京為北緯32.4°;δ為太陽赤緯,冬至日為-23.5°;ω為時角,9:00時角為45°。通過計算可得:sinα=0.3338 ,可知南京地區(qū)太陽高度角α為19.5°;sinβ=0.6334 ,可知南京地區(qū)太陽方位角β為39.3°。然后由式(3)確定陣列間距:
式中:D為陣列間距;H為陣列高度。因采用固定傾角的支架,由表2已知組件長度為1.665 m,南京地區(qū)光伏最佳傾角為26.4°,陣列高度為:H=1.665×sin26.4=0.74 m,可算得陣列間距D為1.6 m。
因此,光伏陣列支架應(yīng)按1.6 m的間距來布置,以達(dá)到在取得最佳光伏傾角的同時,最大限度地利用有限屋頂面積資源的目的。
2.2.3 光伏組件陣列的布置
設(shè)計中可供布置光伏發(fā)電系統(tǒng)的樓頂有效面積為7500m2,長約60 m,寬約15 m,綜合考慮光伏組件外形及間距,可以由南向北擺放5行組件,每行50片,共可放置250片功率為225 W的多晶光伏組件,總功率約56kW。組件布置設(shè)計時,要考慮屋面承重、防水,組件抗風(fēng)、防雷等問題[4]。該設(shè)計采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個整體,固定在屋面承重梁上,架體分段與屋面防雷帶相連,解決了承重、防水、抗風(fēng)、防雷等問題。
設(shè)計中采用SG 20KTL并網(wǎng)光伏逆變器,其部分電氣參數(shù)如表3所示。
表3 并網(wǎng)逆變器SG 20KTL電氣參數(shù)
因每片光伏組件輸出電壓只有29.6V,遠(yuǎn)低于逆變器需要的直流輸入電壓,所以必須適當(dāng)串聯(lián)才能滿足逆變器對輸入電壓的要求。串聯(lián)的原則是最高溫度時最佳工作電壓不低于光伏逆變器的MPPT最小電壓,否則會出現(xiàn)功率失真;最低溫時開路電壓不能高于光伏逆變器的最大輸入電壓,否則可能會損壞逆變器。結(jié)合所選光伏組件的相關(guān)參數(shù),可以確定光伏組件最大和最小串聯(lián)數(shù)。
組件最小串聯(lián)數(shù)=逆變器最小輸入電壓/組件高溫最優(yōu)輸出電壓=380/29.6=13;組件最大串聯(lián)數(shù)=逆變器最大輸入電壓/組件低溫開路電壓=800/36.7=21。
逆變器選定后,可確定組件的串聯(lián)片數(shù)應(yīng)在13~21片之間,串聯(lián)后組件滿足了逆變器對輸入直流電壓的要求,還必須將多路串聯(lián)組件再進(jìn)行合理的并聯(lián),使組件總功率達(dá)到逆變器的設(shè)計功率,減少逆變器的資源浪費。
該設(shè)計中,組件總功率約56kW,逆變器額定輸出功率為20kW,需將組件平均分為3組接入3臺逆變器,結(jié)合組件的屋頂布置情況,及逆變器的功率匹配設(shè)計,對原來按面積布置確定的組件數(shù)量進(jìn)行了微調(diào),最終確定該光伏發(fā)電系統(tǒng)實際組件總數(shù)為240片,總功率54kW。每臺逆變器接入80片組件,分為5個串聯(lián)組,每組16片組件串聯(lián),工作電壓為473.6V,輸入功率為18kW。
屋頂光伏組件的輸出電流經(jīng)匯流箱、并網(wǎng)柜、逆變器后,可直接作為電源驅(qū)動負(fù)荷。亦可切換到外部三相電網(wǎng),實現(xiàn)小型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運行。為保證系統(tǒng)安全可靠運行,還需要綜合設(shè)計防雷系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等配套設(shè)施,如圖2所示。
2.4.1 防雷系統(tǒng)設(shè)計
雷電主要有直擊雷和感應(yīng)雷2種。直擊雷是指直接落到太陽能電池陣列、電氣設(shè)備等上面或附近的雷擊,防直擊雷主要依靠避雷針。該系統(tǒng)處于屋頂四周女兒墻的下方,設(shè)計采用將光伏系統(tǒng)的所有鋼結(jié)構(gòu)與屋頂?shù)姆览拙W(wǎng)相連,以達(dá)到防直擊雷的目的。感應(yīng)雷主要由電磁感應(yīng)或靜電現(xiàn)象產(chǎn)生,感應(yīng)雷產(chǎn)生的電磁浪涌會損壞電氣設(shè)備,甚至引起火災(zāi),根據(jù)SJ/T1127的相關(guān)規(guī)定,該系統(tǒng)通過在直流接口設(shè)備、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜的各輸入端口設(shè)置浪涌保護(hù)器來防護(hù)侵入系統(tǒng)的感應(yīng)雷電。
2.4.2 保護(hù)及測控系統(tǒng)配置
該設(shè)計采用的逆變器具有RS232/RS485和以太網(wǎng)通信功能,系統(tǒng)的電流、電壓、發(fā)電量等參數(shù)可以由通信方式實時獲得,該逆變器還具有對系統(tǒng)直流、交流兩側(cè)開關(guān)的手動/遙控分?jǐn)嗪捅Wo(hù)功能,以及先進(jìn)的孤島效應(yīng)檢測和防護(hù)功能。逆變器保護(hù)范圍以外,如匯流箱的輸入開關(guān)、并網(wǎng)變壓器開關(guān)等設(shè)備,設(shè)計中也配置了斷路保護(hù)器、狀態(tài)監(jiān)視器等設(shè)施,從而保證了全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
按方案建設(shè)的屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)已正式運行,月均發(fā)電量約6000kW·h,系統(tǒng)負(fù)荷切換正常,系統(tǒng)相關(guān)防雷、保護(hù)、電氣測量等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求,為建筑內(nèi)蓄電池組和照明用電提供了環(huán)保的清潔能源。該屋頂發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)實施,為今后大型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究、設(shè)計積累了經(jīng)驗;也為太陽能光伏系統(tǒng)相關(guān)的計量、控制、保護(hù)裝置掛網(wǎng)運行提供了便利條件;還在防雷系統(tǒng)設(shè)計、支架設(shè)計等相關(guān)方面獲取了寶貴的實踐經(jīng)驗。
圖2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
[1] 王長貴,崔榮強.新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2003.
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[3] 王春明,王金全.天和家園43kW屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑電氣,2007(2):13-18.
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