龔 靔 立

[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092]

0 引 言

凈水廠工程建設(shè)作為一個傳統(tǒng)行業(yè),與光伏發(fā)電工程相結(jié)合,具有廣闊發(fā)展前景。凈水廠中設(shè)有沉淀池、濾池等大型水處理池,占地面積大,可在池頂上安裝太陽能光伏板,能充分利用水廠的空間,對土地進(jìn)行集約化利用。同時,凈水廠需24 h不間斷地為城市供水,用電負(fù)荷高,采用光伏發(fā)電系統(tǒng)可大大降低運行成本。

某凈水廠工程位于拉薩,太陽能資源豐富,主要從光伏系統(tǒng)方案、發(fā)電量計算以及節(jié)能分析等方面對水廠光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 太陽能資源

拉薩市位于西藏自治區(qū)東南部,地理坐標(biāo)為東經(jīng)91°06′,北緯29°36′。相比于相同緯度東部地區(qū)城市,拉薩光照時間更長,光照強(qiáng)度也更強(qiáng),年平均日照總時數(shù)幾乎是四川盆地日照總時數(shù)的2倍多。拉薩也因此擁有“日光城”的稱號。根據(jù)資料顯示[1],拉薩地區(qū)年平均日照總時數(shù)3 005.3 h,年太陽總輻射量7 473.3 MJ/m2,屬于太陽能資源最豐富地區(qū)。

為計算光伏系統(tǒng)的最佳傾角年平均輻射量,一般采用以下公式:

Rβ=S[sin(α+β)/sinα]+D

(1)

式中:Rβ——傾斜方陣面上的太陽總輻射量;

S——水平面上的太陽直接輻射量;

α——午時分的太陽高度角;

β——方陣傾角;

D——散射輻射量,與斜面傾角無關(guān)。

根據(jù)全球太陽輻射地圖,拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)方陣最佳傾角為33°,最佳傾角年平均輻射量為8 723 MJ/m2,折合2 423 kWh/m2。

傾斜方陣面上的太陽總輻射量示意圖如圖1所示。

圖1 傾斜方陣面上的太陽總輻射量示意圖

2 光伏系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 光伏組件選擇

現(xiàn)階段,市場上太陽能電池按照電池的材料主要可以分為晶體硅電池和薄膜電池等幾類,其中晶體硅電池又可以分為單晶硅電池與多晶硅電池。從這幾種產(chǎn)品的價格方面考慮,薄膜電池價格低于兩種晶體硅電池;從現(xiàn)在市場上的成熟度考慮,兩種晶體硅電池均比薄膜電池更為成熟;從電池占地面積考慮,薄膜電池占地小,但還是略高于兩種晶體硅電池;從太陽能轉(zhuǎn)換效率考慮,多晶硅電池與薄膜電池效率均低于單晶硅電池,其中薄膜電池效率最低[2]。綜上,選用多晶硅電池,光伏組件單片規(guī)格為300 Wp。

2.2 光伏方陣設(shè)計

該工程光伏方陣擬布設(shè)于4座沉淀池的池頂,池頂面積約為2 200 m2/座。在每座沉淀池池頂布設(shè)約330片光伏組件,裝機(jī)容量約99 kWp/座。

光伏組件采用組件豎排橫向單排,正南布置。光伏方陣陣列間距示意圖如圖2所示。

圖2 光伏方陣陣列間距示意圖

圖2中,方陣陣列間距D為

(2)

H=LsinZ

(3)

式中:H——方陣高度;

φ——當(dāng)?shù)鼐暥?拉薩地區(qū)為29°36′);

L——太陽能電池板陣列斜面長度,取2 m;

Z——太陽能電池板陣列傾角,取33°。

經(jīng)計算,方陣陣列間距D約為1.99 m。因此光伏組件、通道等占地面積約1 650 m2/座。光伏電站共需光伏組件1 320片,總裝機(jī)容量約為396 kWp,總占地面積約為6 600 m2。

2.3 并網(wǎng)接入系統(tǒng)

該工程光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計采用自發(fā)自用模式,光伏組件所發(fā)電量接入逆變器后在逆變器的輸出端與水廠400 V配電系統(tǒng)并聯(lián),在用戶側(cè)以多點并網(wǎng)的方式接入水廠配電系統(tǒng),同時所有發(fā)電量均就地直接使用,無需另行設(shè)置蓄電池等儲能設(shè)備[2]。

根據(jù)水廠變電所分布的特點,將4座沉淀池池頂光伏組件的容量劃分為4個區(qū)域,配備4臺100 kW的逆變器,4路分別接入輔助生產(chǎn)車間低壓系統(tǒng),實現(xiàn)多點并網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

每個光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)輸出回路均配置電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行電能監(jiān)測,對電壓、電流、諧波、有功功率、無功功率和有功電能、無功電能、功率因數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

并網(wǎng)逆變裝置為非線性元件,為減少諧波對系統(tǒng)的影響,在各變壓器低壓側(cè)母排設(shè)置一套有源濾波裝置。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)及安全措施

并網(wǎng)式的光伏系統(tǒng)需要具有必要的檢測、并網(wǎng)、報警、自動化控制和測量等一系列功能,并且還需要具有防止孤島效應(yīng)的作用,確保并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全。光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)正常運行過程中因為電網(wǎng)故障或者并網(wǎng)逆變器突然發(fā)生異常情況時,檢測到故障并迅速關(guān)閉,并停止并網(wǎng)逆變器,以保護(hù)其電網(wǎng)安全。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備主要包括低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、過頻率保護(hù)、對地故障保護(hù)、過電流保護(hù)及孤島保護(hù)等策略和措施。

當(dāng)逆變器檢測到并網(wǎng)電路失電后,能夠立即停止工作;在電網(wǎng)再次恢復(fù)供電時,不應(yīng)立即重新投入運轉(zhuǎn),而是需要通過持續(xù)的檢測得到電網(wǎng)的信號已經(jīng)在一個時期內(nèi)完全正常后方可再次開始投入運轉(zhuǎn)。

并網(wǎng)斷路器具備電源端和負(fù)載端反接功能。并網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)防逆流檢測單元,分布切除光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電源。

2.5 電纜敷設(shè)

所有電纜均選用標(biāo)準(zhǔn)銅芯電纜,電纜截面大小需能滿足系統(tǒng)最大短路電流。根據(jù)電纜特性,各單回路電纜穿熱鍍鋅鋼管敷設(shè),多回路電纜在匯總之后沿專設(shè)橋架敷設(shè)。

2.6 防雷和接地

(1)直流側(cè)防雷。連接各組光伏板的電纜一一接入對應(yīng)的匯流箱后再接入逆變器,在匯流箱內(nèi)設(shè)置專用避雷器進(jìn)行保護(hù)。

(2)交流側(cè)防雷。逆變器以交流形式輸出后通過電纜接至輔助生產(chǎn)車間10/0.4 kV變電所內(nèi)專設(shè)的并網(wǎng)柜與水廠電網(wǎng)連接,在變電所內(nèi)專用并網(wǎng)柜內(nèi)安裝避雷器進(jìn)行保護(hù)。

(3)所有機(jī)柜要有良好接地。

(4)光伏組件支架連接成電氣通路且多點接地,并采取防直擊雷對系統(tǒng)損壞的措施。

(5)根據(jù)設(shè)計的配電系統(tǒng)形式,采用TN-S接地系統(tǒng)。

2.7 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)置一套綜合監(jiān)控系統(tǒng),配備光伏專用監(jiān)控軟件,其具有遠(yuǎn)傳功能,采集各種實時數(shù)據(jù)和信息。監(jiān)控系統(tǒng)通過廠區(qū)以太網(wǎng)接至水廠的電力監(jiān)控系統(tǒng)。

該工程光伏系統(tǒng)所用逆變器需預(yù)留數(shù)據(jù)采集RS-485接口,通過現(xiàn)場總線形式將處理后的數(shù)據(jù)傳送至光伏系統(tǒng)專用工控機(jī),監(jiān)測計算機(jī)負(fù)責(zé)將各個現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理。

3 發(fā)電量計算

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量為

L=WHK

(4)

式中:W——光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量;

H——年峰值日照小時數(shù);

K——光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率系數(shù),取79.7%。

峰值小時數(shù)H為

H=Ih/Io

(5)

式中:Ih——傾斜面年總太陽能量輻射量;

Io——標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度,取1 000 W/m2(電池組件標(biāo)準(zhǔn)測試條件)。

已知傾斜面年總太陽能量輻射量為2 423 kWh/m2,得出H=2 423 h。

該工程采用多晶硅太陽能電池,首年衰減比例為2.5%,以后每年衰減0.7%,則首年發(fā)電量L=74.56萬kWh。

光伏系統(tǒng)25年發(fā)電量如表1所示,可知25年總計為1 715.51萬kWh,25年平均為68.62萬kWh。

表1 光伏系統(tǒng)25年發(fā)電量

4 節(jié)能降耗分析

光伏電站建成后,凈水廠平均每年發(fā)電量為68.62萬kWh,相當(dāng)于每年節(jié)約煤229.02 t,相應(yīng)每年可減少多種大氣污染物的排放,其中減少二氧化碳約555.98 t/a,二氧化硫排放量約0.13 t/a,氮氧化合物0.26 t/a,汞及其化合物0.077 t/a,煙塵減排量0.077 t/a。

5 結(jié) 語

介紹了拉薩某凈水廠光伏發(fā)電方案設(shè)計,利用水廠沉淀池池頂實現(xiàn)太陽能發(fā)電,不耗用常規(guī)一次能源和土地資源,符合能源利用長期規(guī)劃,對于緩解一次能源不足、優(yōu)化能源配置發(fā)揮積極示范作用。