太陽能小屋的設計(2012數模國賽參考資料1)

1、太陽能小屋的設計 摘要 介紹了浙江省慈溪市天和家園住宅小區(qū)43kW.屋頂太陽能并網光伏發(fā)電系 統(tǒng)的設計思路，以及系統(tǒng)的具體功能與配置，提出了設計中需要注意的問題及具 體的解決方案。 包括：光伏系統(tǒng)提供公用設施用電，在陰雨天時使用城市電網為公用負荷 供電； 光伏系統(tǒng)在小區(qū)內局部并網.不考慮將電能輸入上級城市電網； 太陽能電池組件方陣傾角確定為30。，選用常州天合光能有限公司生產 的TSM- 175D型高效單晶硅電池組件。分析了組件分組串接原則，確定了布 置方案；（并網逆變器選擇德國艾思瑪（SMA）公司SMC6o（ OrIL型無變壓器集 中式逆變器和SB5oO仇1.型無變壓器多組串逆變器；（地下車

2、庫照明負荷曲線 與日照曲線接近.因此選擇地下車庫照明和智能化設備用電為光伏系統(tǒng)負荷； 簡介了防直擊雷和防感應雷措施.以及選擇電纜和設計支架時應考慮的因素； 監(jiān)控系統(tǒng)選用SMA的Sunny Boy Control Plus產品。 關鍵詞 住宅小區(qū)并網光伏發(fā)電 太陽能電池組件多組串逆 變器1項目簡介 1. 1天和家園住宅小區(qū)概況 浙江省慈溪市天和家園住宅小區(qū)占地面積64 788m2,總建筑面積13. 4萬 m2o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. 222. 86mo 計劃在天和家園20號樓屋頂裝設太陽能電池板

3、，建住宅小區(qū)太陽能光伏發(fā)電示 范電站。20號樓I前處于在建狀態(tài)，-屋頂可利用面積有：西側平臺，面積87m ； 斜屋面，7共7塊，總面積（斜面）113. 9m。；露臺，厶一厶共5個，總面 積 233. 44m 。 1-2設計要求 a. 該項LI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 安裝應保持屋頂的風格和美觀，并與小區(qū)及周圍環(huán)境相協(xié)調。 b. 該光伏電站主要提供天和家園小區(qū)公用設施用電，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,智能化設備2kW等。要求 在陰雨天氣時，應能使用城市電網為公用負荷供電。 c. 光伏電站建設費用計入小區(qū)開發(fā)成本。建

4、成后隨小區(qū)移交物業(yè)管理，要 求節(jié)省投資。維護管理方便。 2光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式的選擇 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式可分為兩類。即：獨立運行和并網運行1。 獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蕃電池作為儲能裝置，主要用于無電網的 邊遠地區(qū)。由于必須有蓄電池儲能裝置，所以整個系統(tǒng)的造價很高。 在有公共電網的地區(qū)。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般與電網連接，即采用并網運行方 式。并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是可以省去蓄電池，而將電網作為自己的儲能單 元。山于蓄電池在存儲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58年，報廢的蓄電池乂將對環(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，還

5、具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性 能，且維護簡單、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)的容量通常遠遠小于其變壓器的容 量，即光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率始終小于小區(qū)負載的功率，沒有剩余電能送入上級城 市電網2】。 綜合考慮，該光伏發(fā)電系統(tǒng)擬采用并網運行方式.并在小區(qū)內局部并網， 不考慮將電能輸入上級城市電網，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。釆取小區(qū)內局部并網 3系統(tǒng)設計 3. 1設計依據 該系統(tǒng)的設計依據有：光伏系統(tǒng)并網技術要求(GB /T19939-2005)； 當地氣象資料；建設方提供的相關資料及要求等。 3. 2光伏系統(tǒng)太陽能電池組件的配置方案 3

6、. 2. 1最佳方陣傾角的確定 慈溪市介于北緯30。02 一 30。24和東經121o 02 121。42之間， 處于北亞熱帶南緣，屬季風型氣候。平均年日照時數2 038小時，太陽年輻射量 4 0004 800MJ / m ,年日照百分率47%。查閱相關資料可知，太陽能電池組 件方陣最佳傾角為30o o 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 前，高效晶體硅太陽能電池的光電轉換效率已達21%以上，大批量生產 的單晶硅光伏電池組件的光電轉換效率也已達到14%以上。該系統(tǒng)選用了常州 天合光能有限公司生產的rlSM 一 175D型高效單晶硅電池組件.其外形如圖

7、2 所示。 TSM- 175D型電池組件技術參數如下，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x寬x厚=1 581 mmx809mm x40mmo 3. 2. 2. 2太陽能電池組件的布置 將太陽能光伏發(fā)電應用于城市住宅小區(qū)時，與建在邊遠地區(qū)、荒漠地區(qū)的獨 立光伏電站有很多不同點，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圉環(huán)境的協(xié)調和美觀。根據建設方提供的加號樓屋面圖 （參見圖3）以及現場考察情況，電池方陣布置方案如下： a.

8、西側平臺面積87mz。采用鋸齒型方陣。共安裝組件36塊，方陣傾角為 30o。功率為：175Wpx36=6 300W。 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 x87=15 225Wp。 c. 頂層露臺上方裝飾性花架有厶一共5個可安裝太陽能組件。面積 233. 44m。，考慮露臺的采光和建筑的整體布局和美觀。將露臺上方裝飾性花 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163 m2安裝組件, 共安裝組件126塊，為減少風壓及屋頂的美觀，方陣傾角為7。功率為： 175Wpx

9、126=22 050Wpo該布置方案共安裝了 1，SM 175D型高效單晶硅太陽 能組件249塊，總功率為43 575W。，設計按43kWp配置、計算 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，住宅用電電圧為220400V。 安裝組件時原則上要在同一日最低的組件影響導致整體輸出嚴重下降。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、露臺上方裝飾性花架安裝的組件將不會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間段，其光照將會受到不同方向建筑 的一定影響。 為了將組件串接后的熱斑效應損耗降到最低，受到不同方向建筑物影響

10、的 組件進行分組。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)中釆用 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，每臺多組串逆 變器都接入了多組的組件。山多組吊逆變器的每路MPPT（最大功率跟蹤）電路對 每路組件進行最大功率點跟蹤，從而使因擋光引起的組件功率損失降低到最低限 度。電池組件分組數參見圖3所示（電池組件被圈的為一組）。 3. 3并網逆變器選擇與配置方案 3. 3. 1并網逆變器的選擇 并網逆變器是并網光伏系統(tǒng)的重要電力電子設備.其主要功能是把來自太 陽能電池方陣輸出的直流電轉換成與電網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)連接的負載，同時還具有

11、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的保護功能，B|J：盡可能有效地獲取因天氣變化而變 動的太陽能電池方陣輸出所需的自動運行和停機功能，以及最大功率跟蹤控制功 能；保護電網安全所需的防單獨運行功能和自動電壓調整功能電網或并網 逆變器發(fā)生異常時，安全脫網或停下逆變器的功能。已進入實用階段的并網逆變 器的回路方式有電網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)的并網逆變器選用德國艾思瑪公司（SMA）生產的Sunny Mini Central系列SMC6000TL型無變壓器集中式逆變

12、器和Sunny Boy系列SB50OOTL Multi-String無變壓器多組吊逆變器，具有過壓保護、對地故障保護、孤島效 應保護、過載保護、短路故障保護等完善的保護功能，并具有內置逆變采集器和 RS485.RS232通信接口，可方便地獲取逆變器的運行參數（直流輸入電壓和電流、 交流輸出電壓和電流、功率、電網頻率等）。其技術參數如表1所示。多組串逆 變器采用了每路獨立的最大功率跟蹤，可以處理不同朝向和不同型號的光電組 件，也可以彌補不同連接吊中的光電組件數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

13、分組串接如圖4所示。在標準測試條件下逆變器所接 入的每路組件數量、輸入電壓、功率如表2所示。對照表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)負載的選擇 從嚴格意義上來講。并網光伏發(fā)電系統(tǒng)是將整個城市電網作為自己的儲能單元， 因而，光伏系統(tǒng)所帶負荷是任意的，不存在選擇問題。但山于我國可再生能源 法剛剛于2006年l,ql日實施，可再生能源法的“上網電價法”和“全網平 攤”法規(guī)尚未實施，這就帶來了住宅小區(qū)移交物業(yè)管理后電費管理上的困難。因 而，為了更好地保證上級城市電網的安全，方便管理，太陽能并網光伏系統(tǒng)負載 的選擇原則應是使屋頂并網光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率小于

14、所帶負載的用電功率，并且 盡可能使負載的用電時間與光伏系統(tǒng)的發(fā)電時間相匹配。天和家園設置了高壓環(huán) 網站一座，在小區(qū)各負荷點設置了 7個箱變.其中2箱變?yōu)?00 kV-A, 6箱變 looO kV. A.其它均為630 kV-Ao與光伏系統(tǒng)公共接入點相連的箱變變壓器容 量為630kV-A,主要供小區(qū)公用負荷用電。天和家園公用負載主要有：地下車庫 西區(qū)照明燈35. 2kW,地下車庫東區(qū)照明燈21. 4kW,智能化設備2kW,以及 小區(qū)景觀燈、圍墻燈等。地下車庫照明負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備用電為光伏系統(tǒng)的負荷?？傌摵晒β蕿?8.6RW, 大于光伏系統(tǒng)的峰值功

15、率43kW ,且所安裝的光伏系統(tǒng)峰值功率43kWo不到所 連4#箱變容量的10%,保證了無電能輸入上級城市電網，符合設計要求。 3. 5防雷設汁 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、電氣設備以及在其 旁的雷擊。防直擊靂的基本措施是安裝避雷針。山于該光伏系統(tǒng)中的外置設備在 整個環(huán)境中不是最高建筑物，所以設計為：把所有屋頂電池組件的鋼結構與屋頂 建筑的防雷網相連，以達防雷擊的U的，并符合光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護 一導則(SJ/T11127)中有關規(guī)定。 3. 5. 2防感應雷措施 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

16、路、接地線以及它們的組合。從接地線侵入是山于近旁的雷擊使大地電位 上升，相對比電源高，從而產生從接地線向電源側反向電流引起的。根據sJ/ TH 127中有關規(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裝設浪涌保護裝置，并分散安裝在防雷接線箱 內。屋頂光伏并網發(fā)電系統(tǒng)在組件與逆變器之間加入防靂接線箱，不僅對屋頂太 陽能電池組件起到防雷保護作用。還為系統(tǒng)的檢測、維修、維護提供了方便?？s 小了電池組件故障檢修范臥該設汁選用了 IP65防護等級的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. 在并網接人控制柜中安裝避雷元件，以防護從低壓配電線侵入的雷電

17、波 及浪涌。并網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)長時間的安全正常運行。 3. 7支架設計 慈溪地區(qū)為沿海地區(qū)。在抗風壓以及抗腐蝕方面采取了以下措施： a. 所有支架采用國標型鋼，多點結合，即：增加鋼支架與屋面結構和相關 承重結構的連接點，將受力點均勻分布于各承重結構上。按抗12級臺風要求進 行力學設計計算.各連接點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

18、監(jiān)控系統(tǒng)設計 該監(jiān)控系統(tǒng)選用德國艾思瑪公司（SMA）配套生產的Sunny Boy Contwl Plus 產品，具有強大的監(jiān)控功能： a. 監(jiān)控系統(tǒng)內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 模擬量（如溫度、輻照度、氣壓、濕度等）和8個數字量（如風速、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 情況和每臺逆變器的發(fā)電功率。 e.監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲數據，記錄250個數據通道，可以顯示實時運行狀況, 分析運行數據。 d. 監(jiān)控系統(tǒng)可以連接外置顯示屏昆示戶外系統(tǒng)運行情況。也可以與遠程監(jiān) 控器相連，實現無線遠程連接，遠程管理員通過普通手機

19、即可了解到系統(tǒng)的運行 情況。 4結束語 a. 該設計方案充分考慮了各種因素和要求，在遵循國家標準系統(tǒng)并網技術 要求的前提下，充分體現了其科學合理性、經濟性、美觀性、示范性、人性化 等特點.選用的高效率單晶硅電池組件、高效率并網逆變器、多組串逆變器、監(jiān) 控系統(tǒng)（可拓展到遠程監(jiān)控）等也充分反映了這些特點，達到了最佳效果，有著較 好的示范性和影響力。LI前該工程正在申報國家示范性項LL b. 太陽能是一種清潔、可再生能源，太陽能光伏發(fā)電實現了直接將太陽能 轉化為電能。我國人LI眾多。人均能源資源量較低，發(fā)展可再生能源是落實科 學發(fā)展觀的必然選擇。其中太陽能發(fā)電是最有前景的技術之一，從環(huán)境保護和能 源

20、戰(zhàn)略上都具有重大意義。 C.將太陽能光伏發(fā)電技術應用于城市住宅小區(qū)建設項目，國內LI前尚無先 例。我國新能源法已從2006年1月1日正式實施，隨著“上網電價法”和“全網 平攤”等法規(guī)的進步實施，光伏發(fā)電的成本將接近于商業(yè)化，這必將極大地推 動我國光伏產業(yè)的發(fā)展.相信不久的將來，我國民用建筑物的屋頂太陽能并網光 伏發(fā)電系統(tǒng)將會得到廣泛的應用31 最佳利用型太陽能光伏發(fā)電方案 通訊供電系統(tǒng)節(jié)能減排 2009年12月，聯(lián)合國氣候變化框架公約笫15次締約方會議在丹麥哥 本哈根召開。會議對京都議定書一期承諾于2012年到期之后全球應對未來 氣候變化的行動進行了激烈的討論，并發(fā)表了哥本哈根協(xié)議。按照該協(xié)議

21、， 工業(yè)化國家應在2010年1月31日之前向公約秘書處提交經濟層面量化的2020 年排放LI標，發(fā)展中國家應提交在可持續(xù)發(fā)展的情況下計劃實行的延緩氣候變化 舉措。 截至2010年3月末，據聯(lián)合國消息，聯(lián)合國氣候變化框架公約秘書處 表示，已經有70多個締約方做岀了到2020年的溫室氣體減排承諾，這些國家 的排放量之和占世界總量的80%以上。其中41個工業(yè)化國家已經正式通告了它 們到2020年的減排口標，另外35個發(fā)展中國家也已經宣布了各國在獲得資金 和技術支持的前提下計劃采取的減排行動。 節(jié)能減排是貫徹落實科學發(fā)展觀、構建和諧社會的重大舉措；是建設資源節(jié) 約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇；是推進經

22、濟結構調整，轉變增長方式的必山 之路；是維護中華民族長遠利益的必然要求。中國十一五”規(guī)劃綱要提出了十一 五”期間單位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放總量減少10%。 通訊系統(tǒng)耗能逐年增加，信息產業(yè)已成全球第五大耗能產業(yè)，亟待大力推動 節(jié)能減排。早在兩年前，信產部就宣稱：單就通信行業(yè)來講，我國通信行業(yè)年耗 電超過200億度以上，已經成為一個高耗能行業(yè)。重視通信系統(tǒng)節(jié)能減排，不 但有利于運營節(jié)約成本，更能實現增長方式轉變，提高企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力，同 時節(jié)能減排也是運營企業(yè)所應承擔的社會責任。 自1954年恰賓和皮爾松在貝爾實驗室第一次研制出實用的單晶硅太陽電池 開始，經過半個多世紀的發(fā)展

23、，晶體硅太陽能光伏組件已經成為成熟的商用化產 品。太陽能光伏發(fā)電在通訊供電領域的應用也經過了多年探索。山于太陽能光伏 發(fā)電有不受地域限制的特點，與風能發(fā)電等其他綠色能源相比，太陽能光伏發(fā) 電占據了通訊系統(tǒng)節(jié)能減排最重要的地位。 中興通訊在太陽能光伏供電應用方面積累了豐富的經驗，在已執(zhí)行的海外通 訊項H中，累計在網運行的太陽能光伏發(fā)電總容量超過10兆峰瓦（1兆=106） o 2009年6月，中興通訊應邀提供了上海世博會場館移動通信基站的太陽能光伏 供電解決方案。本著節(jié)能減排最大化，充分利用太陽能資源的原則，特別推薦了 14最佳利用型”太陽能光伏供電解決方案。最佳利用型太陽能光伏供電系統(tǒng)結構示 意

24、圖如圖一。 公用電網 通訊電源 番電池組 圖一最佳利用型太陽能光伏供電系統(tǒng)結構 世博會場館移動基站對太陽能供電要求的特點： 需要考慮社會效益，最大化降低全年碳排放量； 上海地區(qū)各月太陽輻照量差別較大； 熱點通信地區(qū)基站功耗較大； 組件安裝方式需要根據現有建筑條件設計； IV V VI VII VIII IX X XI XII 4.46 5.05 4.64 5.15 4.824.09 3.47 2.912.56 0.44 0.46 0.41 0.46 0.460.45 0.46 0.480.49 月份 I II III 輻照量 0.460.440.41 4.925.949.0513.9218.4722.2525.8425.7422.717.9112.747.26 對通信供電可靠性要求特別高。 設備功耗表: 功率（W）每天工作時間（Hr） 耗電量（WHr） BTS 900 24 21600 傳輸設備 50 24 1200 照明等 50 24 1200 全天耗電量 24000 上海地區(qū)地理位置信息和氣象資料：緯度：3113-48；平均海拔：7mo ,XA/k/ 9 /.2.613.083.54 kWh/m2/day 透明度 溫度（C） 根據14最佳利用型”太陽能光伏