天和家太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用案例

1、、項(xiàng)目簡(jiǎn)介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(wàn) m2小區(qū)住宅整體布置方式為南北朝向，南北均無(wú)高大建筑物，無(wú)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。計(jì)劃在天和家園 20 號(hào)樓屋頂裝設(shè)太陽(yáng)能電池板，建住宅小區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電示范電站。 20 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， W1-W7 共7塊，總面積（斜面）。；露臺(tái)，L1-L5共5個(gè)，總面積。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

2、周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。b. 該光伏電站主要提供天和家園小區(qū)公用設(shè)施用電，包括：地下車庫(kù)西區(qū) 照明燈35. 2kW地下車庫(kù)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(kāi)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。二、光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇太陽(yáng)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。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(wú)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

3、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(guò)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(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(jiǎn)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(yáng)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(méi)有剩余電能送入上級(jí)城市電網(wǎng)。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

4、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)運(yùn) 行方式提高了上級(jí)城市電網(wǎng)的安全性。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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) 地氣象資料；建設(shè)方提供的相關(guān)資料及要求。2光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能電池組件的配置方案( 1 )最佳方陣傾角的確定慈溪市介于北緯 30002/-30024/和東經(jīng) 121002/ -121 042/ 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(yáng)年輻射量 4 0004 800MJ/m,年日照百分率47%。查閱相關(guān)資料可知，太陽(yáng)能電池組件方陣最佳傾 角為 30

5、0。(2)太陽(yáng)能電池組件的選擇與布置(a) 太陽(yáng)能電池組件的選擇目前，高效晶體硅太陽(yáng)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。TSM一 175D型電池組件技術(shù)參數(shù)如下，峰值功率：Pm=175VVF開(kāi)路電壓：=; 最佳工作電壓：Ux=;短路電流：I sc=；最佳工作電流：，m=重量：G=16kg尺 寸：長(zhǎng) X 寬 X 厚=| 581 mm x 809mrK 40mm(b) 太陽(yáng)能電池組件的布置 將太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用于城市住宅小區(qū)時(shí)，與

6、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(jiǎn)單地將太陽(yáng)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(jiàn)圖 (3) 以及現(xiàn)場(chǎng)考察情況，電池方陣布置方案如下：a. 西側(cè)平臺(tái)面積87m。采用鋸齒型方陣。共安裝組件36塊，方陣傾角為30°。 功率為： 175WpX 36=6300W。b. 斜屋面WW，共7塊小屋面可安裝太陽(yáng)能組件，總面積(斜面)，與斜屋 面平行安裝組件 87塊，方陣傾角為斜屋面坡度 310。功率為： 175WX87=15 225Wp。c. 頂層露臺(tái)上方裝飾性花架有 LiLs共5個(gè)可安裝太陽(yáng)能組件。面積。，

7、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163 m2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70。功率為：175WX 126=22050Wp該布置方案共安裝了 TSM-175D型高效單晶硅太陽(yáng)能組件 249塊，總功率為43 575W。，設(shè)計(jì)按43kWp配置、計(jì)算。（3）太陽(yáng)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220400V安 裝組件時(shí)， 原則上要在同一日照條件使用串聯(lián)的組件， 否則， 其他組件會(huì)受輸出 量最低組件的影響導(dǎo)致整體輸出嚴(yán)重下降。 該方案屋面布置的太陽(yáng)能

8、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， 將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(jiàn)圖 3 所示（電池組件

9、被圈的為一組 ）。3并網(wǎng)逆變器選擇和配置方案（a）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(lái)自太陽(yáng) 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(yáng)能電池方陣性能 的功能和異常或故障時(shí)的保護(hù)功能， 即：盡可能有效地獲取因天氣變化而變動(dòng) 的太陽(yáng)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；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

10、、 高頻變壓器絕緣方式和無(wú)變壓器方式 3種。其中無(wú)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(shì)而被 廣泛采用。該系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器選用德國(guó)艾思瑪公司（SMA生產(chǎn)的Sunny MiniCentral系列SMC6000T型無(wú)變壓器集中式逆變器和 Sunny Boy系列SB50OOTL MultiString 型無(wú)變壓器多組串逆變器，具有過(guò)壓保護(hù)、對(duì)地故障保護(hù)、孤島效 應(yīng)保護(hù)、過(guò)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。

11、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。(b)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(cè)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。4太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載的選擇從嚴(yán)格意義上說(shuō)， 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將整個(gè)城市的電網(wǎng)系統(tǒng)作為自己的儲(chǔ) 能單元，因而，光伏系統(tǒng)所帶負(fù)載時(shí)任意的，不存在選擇問(wèn)題。但由于我國(guó)可 再生能源法剛剛于

12、 2006年 1月 1日實(shí)施?？稍偕茉捶ǖ摹吧暇W(wǎng)電價(jià)法” 和“全網(wǎng)平攤” 法規(guī)尚未實(shí)施， 這就帶來(lái)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(yáng)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。天和家園設(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)?00 kV A, 6#箱變lOOOkV . A.其它均為630 kV A。與光伏系統(tǒng)公共接 入點(diǎn)相連的4#箱變變壓器容量為630kV - A,主要供小區(qū)公用負(fù)荷用電。天和家 園

13、公用負(fù)載主要有：地下車庫(kù)西區(qū)照明燈35. 2kW地下車庫(kù)東區(qū)照明燈21.4kW 智能化設(shè)備2 kW,以及小區(qū)景觀燈、圍墻燈等。地下車庫(kù)照明負(fù)荷曲線與太陽(yáng) 光日照曲線接近，因此，選擇地下車庫(kù)照明和智能化設(shè)備用電為光伏系統(tǒng)的負(fù)荷。 總負(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(wú)電能輸入上級(jí)城市電網(wǎng)， 符合設(shè)計(jì)要求。四、防雷設(shè)計(jì)1 .防直擊雷措施直擊雷是指直接落到太陽(yáng)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

14、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(guò)電壓保護(hù) - 導(dǎo)則 （SJ/T11127） 中有關(guān)規(guī)定。2防感應(yīng)雷措施 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電浪涌入侵途徑，除了太陽(yáng)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(yáng)能電池組

15、件起到防雷保護(hù)作用。還為系統(tǒng)的檢測(cè)、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 TRIFL 型接線箱。 并隨組件方陣直接安裝在室外。其接人方式參見(jiàn)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(jiàn)圖 5 所示。五、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(yáng)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(zhǎng)時(shí)間的安全正常運(yùn)行。六、支架設(shè)計(jì)慈溪地區(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

16、國(guó)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(lái)有效防腐。七、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)該監(jiān)控系統(tǒng)選用德國(guó)艾思瑪公司（SMA配套生產(chǎn)的 Su nny Boy Contwl Plus 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(cè)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(guò)RS485通信總線與逆變采集器相連接，獲取每

17、組光伏組件的發(fā)電情 況和每臺(tái)逆變器的發(fā)電功率。c 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(wú)線遠(yuǎn)程連接， 遠(yuǎn)程管理員通過(guò)普通手機(jī)即可了解到系統(tǒng)的運(yùn)行 情況。八、總結(jié)a該設(shè)計(jì)方案充分考慮了各種因素和要求，在遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)光伏系統(tǒng)并 網(wǎng)技術(shù)要求的前提下，充分體現(xiàn)了其科學(xué)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。b太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源