分布式太陽能光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)與住宅項(xiàng)目的應(yīng)用現(xiàn)狀

王正浩 (上海三湘(集團(tuán))有限公司，上海 200434)

摘要結(jié)合上海市崇明陳家鎮(zhèn)濱江休閑某地塊住宅項(xiàng)目的用戶型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，具體分析了分布式光伏發(fā)電的系統(tǒng)架構(gòu)、自發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)收益分析報(bào)告三個(gè)方面，探討現(xiàn)階段住宅項(xiàng)目采用分布式光伏發(fā)電的可行性，以期未來太陽能真正替代傳統(tǒng)能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞能源危機(jī) 分布式太陽能光伏發(fā)電 可再生綠色能源 建筑一體化應(yīng)用 光伏組件 逆變器

AbstractCombined with the design example of distributed photovoltaic power generation system for leisure plots of residential projects nearby river in Chong Ming，Shanghai city, the three aspects of distributed photovoltaic power generation is analyzed in detail, which are system architecture, power generation system grid connection design and economic income analysis report. The feasibility of using distributed photovoltaic power generation in residential projects in the present stage is discussed to realize that solar energy replaces traditional energy, and the goals of energy conservation and emissions reeluction are achieved.

Keywordsenergy crisis，distributed photovoltaic power generation, regenerated energy resources, building integrated application, photovoltaic module, inverter

作者簡(jiǎn)介

0引言

現(xiàn)階段中國(guó)的能源開采利用和環(huán)境問題十分突出。經(jīng)過專家的研究論證，太陽能和風(fēng)能是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染最行之有效的能源類型。太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用更是因?yàn)槠渲T多優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注和發(fā)展，而且伴隨著科技進(jìn)步，光伏設(shè)備的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化程度進(jìn)一步提高，具有廣泛的適應(yīng)性。但光伏發(fā)電也不可避免地帶有缺點(diǎn)：受自然氣象條件和時(shí)間周期的限制，必須在白天和太陽光較好的條件下才可以發(fā)電；普遍存在光能轉(zhuǎn)化效率低下，單位面積下建設(shè)投資成本較高等諸多問題。

1太陽能光伏發(fā)電的概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能是安全、清潔、穩(wěn)定的可再生能源，可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電，通常意義上的太陽能發(fā)電指的是光伏發(fā)電，是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)光電效應(yīng)，當(dāng)陽光或其他光照射PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)兩端出現(xiàn)電壓，短路PN結(jié)產(chǎn)生電流。通過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)的太陽能電池可形成大面積的光伏陣列。光伏陣列與直流配電柜、太陽能控制器等設(shè)備形成了光伏發(fā)電裝置。

圖1所示為用戶型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，是光伏發(fā)電在BIPV上的應(yīng)用。BIPV即Building Integrated Photovoltaic光伏建筑一體化，使光伏發(fā)電裝置成為建筑的一部分或是建筑材料。與集中式光伏電站相比，光伏建筑一體化更加有效地利用現(xiàn)有建筑的外立面和屋頂，無需額外規(guī)劃建設(shè)用地。實(shí)現(xiàn)電能本地利用，降低電能在傳輸過程中的損耗和成本，具有更高的綜合效益和投資價(jià)值。

圖1　典型的用戶型分布式光伏 發(fā)電結(jié)構(gòu)布局示意圖

220/380V用戶分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組件及系統(tǒng)：

1)太陽能光伏組件。電池分為晶硅電池和薄膜電池兩種。單晶硅或多晶硅在商用領(lǐng)域中實(shí)際轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到15%，而薄膜電池主要是由稀有貴金屬和非晶硅等制成，轉(zhuǎn)化率一般僅為5%～8%。通過支架和匯流裝置將若干個(gè)光伏組件連接形成陣列。

2)直流配電系統(tǒng)。包含直流配電斷路器、熔斷器及接地保護(hù)開關(guān)和過流保護(hù)。

3)蓄電池組。用以存貯光伏所發(fā)電能，電池的特性影響系統(tǒng)工作效率和特性。用戶型分布式光伏發(fā)電所用蓄電池多為鎳氫電池組或鋰電池組。

4)太陽能控制器。用于控制蓄電池組的工作狀態(tài)，對(duì)蓄電池組過度充放電狀態(tài)起到保護(hù)控制作用，附加光敏開關(guān)、時(shí)鐘控制開關(guān)等控制器，更加精確地對(duì)蓄電池組進(jìn)行保護(hù)和延遲工作壽命。

5)逆變器。太陽能輸出一般為12～192V的直流電壓，為滿足家庭用戶220/380V交流電壓的要求，可通過方波逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能。

6)監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，記錄系統(tǒng)工作發(fā)電量及各個(gè)設(shè)備的工作進(jìn)度，可以故障報(bào)警。計(jì)量系統(tǒng)精確測(cè)量輸入及輸出電能，顯示系統(tǒng)電壓及電流工作狀態(tài)。

圖2所示為典型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖。光伏發(fā)電采用交流380V或者交流220V電壓等級(jí)并網(wǎng)。首先滿足自發(fā)自用，通過用戶配電箱將所發(fā)電直接用在末端負(fù)載上。當(dāng)有余電時(shí)，通過產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)(電業(yè)提供計(jì)量表)實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)。

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自身隨光照時(shí)間存在波動(dòng)性和間歇性，光伏發(fā)電所發(fā)直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能供常規(guī)負(fù)荷使用，并且有大量的電力電子設(shè)備接入配電網(wǎng)絡(luò)，不可避免對(duì)當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)電能質(zhì)量帶來一定影響，包括電壓不平衡、諧波、電壓波動(dòng)、電壓偏差和直流分量等。針對(duì)以上參數(shù)，國(guó)家電網(wǎng)《電能質(zhì)量》各分項(xiàng)中都有明確的要求和技術(shù)指標(biāo)。

圖2　典型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖

2崇明陳家鎮(zhèn)某地塊分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目

該項(xiàng)目總用地面積199 810.8m2，總建筑面積197 662.92m2，其中地上建筑面積101 578.74m2，地下建筑面積96 084.18m2。本項(xiàng)目由145幢3層商品住宅、2幢4層經(jīng)濟(jì)適用房住宅、1幢地下1層地上1層商業(yè)中心、地下車庫(kù)以及配套用房組成。

崇明地區(qū)經(jīng)緯度為：東經(jīng)121°04′30″、北緯31°62′00″，年日照百分率為47%，全年平均日照時(shí)數(shù)為2 104.0 h，全年太陽總輻射量為1 519 kW·h/m3。查閱相關(guān)規(guī)范《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50797-2012)附錄B光伏陣列最佳傾角參考值一表，確定上海地區(qū)太陽能光伏板最佳傾角為34°、方位角(正南方)0°。結(jié)合建筑自身平屋頂?shù)奶攸c(diǎn)，選取傾角10°作為最終的安裝傾角，既保證建筑外立面的美觀性，又能在一定傾角下有較好的發(fā)電量。圖3和圖4分別表示光伏板組件在屋面鋪設(shè)的平面和剖面。

圖3　屋頂層光伏板平面布置圖

圖4　屋頂層光伏板剖面布置圖

該系統(tǒng)采用單片255Wp太陽能光伏電池矩陣,每戶共計(jì)12片，每戶3.06kWp的設(shè)備安裝容量。

光伏發(fā)電公式：

(1)

式中，EP為發(fā)電量，kW·h；HA為水平面太陽能總輻照量，kW·h/m3,峰值小時(shí)數(shù)，取1 519kW·h/m3；PAZ為組件安裝容量，kWp，取3.06kWp；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1kW·h/m3)；K為綜合效率系數(shù)，取0.80，包括光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的可用率；光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算后得出發(fā)電量為3 718.5kW·h。

太陽能光伏系統(tǒng)采用的是直流發(fā)電，通過逆變器產(chǎn)生220V交流電供電與并網(wǎng)，光伏太陽能單獨(dú)設(shè)置計(jì)量表，計(jì)量太陽能板發(fā)電參數(shù)、電壓等級(jí)等。根據(jù)光伏自發(fā)電量可以得到國(guó)家及地方相關(guān)綠色節(jié)能補(bǔ)貼。住戶通過供電局申請(qǐng)開通雙通道電業(yè)計(jì)量表，實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)功能。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求，光伏所發(fā)電能通過光伏計(jì)量表之后，同市政供電經(jīng)過電業(yè)表之后，共同匯集到用戶配電箱內(nèi)。具體并網(wǎng)模式參見圖2。由于本項(xiàng)目所有單體建筑均為380V供電，而光伏發(fā)電為220V，整個(gè)項(xiàng)目的光伏發(fā)電三相平衡尤為重要。結(jié)合供電部門要求和設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)總圖的建筑排布劃分了每個(gè)單體的相序。確保項(xiàng)目自身供電的三相平衡問題得以解決。

設(shè)計(jì)采用目前技術(shù)最為成熟、轉(zhuǎn)換效率較高的晶硅光伏電池組件，方案采用峰值功率為255Wp，轉(zhuǎn)換效率為15.58%以上的多晶硅電池組件，其具有轉(zhuǎn)換效率高，質(zhì)量穩(wěn)定,性價(jià)比高的特點(diǎn)，符合《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型》(GB/T 9535-1998)標(biāo)準(zhǔn)要求；晶體硅組件衰減率1年內(nèi)≤2%、10年內(nèi)≤10%、25年內(nèi)≤20%；太陽能電池組件的設(shè)計(jì)使用壽命不少于25年，電能滿足IEC 61215的要求。

逆變器采用組串式并網(wǎng)逆變器，所選逆變器產(chǎn)品效率高，性能穩(wěn)定，應(yīng)用方式靈活多變。技術(shù)特點(diǎn)有：(1)寬直流輸入電壓范圍；(2)具有很高轉(zhuǎn)換效率，逆變效率>95%；總電流波形畸變率<3%；(3)最大功率點(diǎn)(MPPT)效率97.4%；(4)先進(jìn)的IGBT器件，平均無故障時(shí)間5年以上，使用壽命25年以上；(5)具有過載、短路、電網(wǎng)斷電、電網(wǎng)欠壓、電網(wǎng)過/欠頻、防孤島保護(hù)、極性反接保護(hù)、直流過壓、過流保護(hù)等完善的保護(hù)功能；(6)精確輸出電能計(jì)量，交流額定工作電壓230V；(7)液晶LCD顯示并配有RS485通信接口；(8)通過TUV認(rèn)證、CE認(rèn)證和金太陽等相關(guān)認(rèn)證。圖5和圖6分別表示光伏系統(tǒng)連線及組件參數(shù)。

圖5　用戶型分布式光伏發(fā)電的系統(tǒng)連線圖和光伏板組件圖

圖6　用戶型分布式光伏發(fā)電的光伏組件說明及系統(tǒng)參數(shù)

現(xiàn)階段分布式發(fā)電擁有客觀的經(jīng)濟(jì)收益，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試后分布式光伏的度電成本為0.6元/(kW·h)，以上海地區(qū)用戶為例，根據(jù)由上海市發(fā)展和改革委員會(huì)和上海市能源局發(fā)布的《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項(xiàng)資金扶持辦法》和中華人民共和國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》的要求，個(gè)人用戶分布式光伏發(fā)電享受優(yōu)惠電價(jià)補(bǔ)貼為：上海市地方政府補(bǔ)貼0.40元/(kW·h)，國(guó)家補(bǔ)貼0.42元/(kW·h)，合計(jì)為0.82元/(kW·h)。自發(fā)電并網(wǎng)至國(guó)家電網(wǎng)，國(guó)家電網(wǎng)將以上海脫硫煤電價(jià)0.477元/(kW·h)價(jià)格收購(gòu)。假設(shè)個(gè)人光伏發(fā)電100%并入國(guó)家電網(wǎng)，可獲得包含國(guó)家和上海地區(qū)兩

表1　陳家鎮(zhèn)某地塊個(gè)人光伏發(fā)電基本條件

表2　陳家鎮(zhèn)某地塊個(gè)人光伏發(fā)電每年收益分析

表3　陳家鎮(zhèn)某地塊個(gè)人光伏發(fā)電長(zhǎng)期收益分析

級(jí)財(cái)政補(bǔ)貼及國(guó)家電網(wǎng)收購(gòu)發(fā)電量共計(jì)1.30元/(kW·h)時(shí)收益。假設(shè)個(gè)人光伏發(fā)電100%自用，可獲得除兩級(jí)補(bǔ)貼之外，自發(fā)自用節(jié)省的居民電價(jià)共計(jì)1.43～1.74元/(kW·h)的收益。針對(duì)該項(xiàng)目用戶安裝光伏發(fā)電后的收益進(jìn)行了具體的分析和整理，得出了表1～3數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1～3得出的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)壽命為25年，以上海地區(qū)及國(guó)家政策補(bǔ)貼年限20年計(jì)算，用戶型分布式光伏發(fā)電收回投資成本的周期為5年。5年之后用戶將直接得到用分布式光伏發(fā)電的實(shí)際收益。

設(shè)計(jì)階段，屋面架設(shè)光伏發(fā)電板也遇到了一些問題和不利因素。首先本項(xiàng)目建筑布局采用的是平屋面形式，如何美觀有效地結(jié)合屋面鋪設(shè)光伏組件，實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并滿足消防、安全等驗(yàn)收是首要考慮的。其次平屋面設(shè)計(jì)減少了光伏板實(shí)際可鋪設(shè)的面積，影響光伏板安裝的方位角、高度角。解決方案是通過采用自身所帶支架，通過高度調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳安裝傾角。本項(xiàng)目除了光伏發(fā)電之外，還設(shè)計(jì)了太陽能熱水器及太陽能地暖等一系列相關(guān)的綠色能源系統(tǒng)。如何更加有效地利用有限的屋面實(shí)際面積，使各個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最有利的平衡運(yùn)行，也是一大難題。經(jīng)過多方論證以及和建筑公司、太陽能熱水器設(shè)備商、光伏設(shè)備商的反復(fù)設(shè)計(jì)測(cè)算后得到了每戶安裝12片光伏太陽能板，發(fā)電量為3kWp的設(shè)計(jì)方案。既滿足了用戶太陽能熱水器的使用，也最大程度地保證了光伏發(fā)電量。

3結(jié)束語

作為綠色能源的倡導(dǎo)者和推動(dòng)者，本項(xiàng)目采用的分布式光伏發(fā)電從節(jié)能和投資成本兩個(gè)角度而言，都是一個(gè)較為理想、科學(xué)的嘗試。為業(yè)界綠色地產(chǎn)、科技地產(chǎn)賦予了更高的定義，為未來更進(jìn)一步打造更加環(huán)保、綠色、科技的新型房地產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的一步。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際工程案例中的應(yīng)用是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程。貫穿了從方案到施工圖設(shè)計(jì)再到施工、驗(yàn)收的全過程。本項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2017年完工，完工后將成為上海市首個(gè)真正意義上的落地實(shí)施分布式太陽能綠色新能源發(fā)電的住宅項(xiàng)目，本著社會(huì)責(zé)任感和對(duì)新興技術(shù)的探索和研究，本項(xiàng)目不僅能夠提升上海地區(qū)房地產(chǎn)行業(yè)在住宅太陽能新技術(shù)應(yīng)用上的水平，更是給其他行業(yè)以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈帶來了良好的示范促進(jìn)作用，并且真正把太陽能綠色能源的理念和實(shí)際效果傳遞給住戶，給住戶帶來切身的利益。光伏發(fā)電未來必將有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

王正浩

2004年畢業(yè)于西安郵電學(xué)院，本科?，F(xiàn)工作于上海三湘(集團(tuán))有限公司，建筑電氣設(shè)計(jì)中級(jí)職稱。

Energy Management Systems and the NEC

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