住宅小區(qū)屋頂太陽能光伏發(fā)電分析

住宅小區(qū)屋頂太陽能光伏發(fā)電分析

1．1XXXX住宅小區(qū)概況

XXXX住宅小區(qū)占地面積64788m2，總建筑面積13．4萬m2。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22．2—22．86m。計劃在小區(qū)2O號樓屋頂裝設太陽能電池板，建住宅小區(qū)太陽能光伏發(fā)電示范電站。2O號樓目前處于在建狀態(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保持屋頂的風格和美觀，并與小區(qū)及周圍環(huán)境相協調。

b．該光伏電站主要提供小區(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)需要有蓄電池作為儲能裝置，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。由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5～8年，報廢的蓄電池又將對環(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l所示。采取小區(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

3．2．1最佳方陣傾角的確定

安裝地點介于北緯3O。O2一3O。24和東經121。02一121。42之間，處于北亞熱帶南緣，屬季風型氣候。平均年日照時數2038小時，太陽年輻射量4000～4800MJ／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30。。

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

目前，高效晶體硅太陽能電池的光電轉換效率已達2l％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2所示。

175W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×寬×厚=l581mm×809mm×40mm。

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圍環(huán)境的協調和美觀。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．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：175Wp×36=6300W。

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×87=15225Wp。

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163m2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：175Wp×126=22050Wp。該布置方案共安裝了175W高效單晶硅太陽能組件249塊，總功率為43575W。，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，住宅用電電壓為220～400V。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，即：①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；②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③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SunnyMiniCentral系列SMC6000TL型無變壓器集中式逆變器和SunnyBoy系列SB50OOTLMulti—String~無變壓器多組串逆變器，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串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。但由于我國《可再生能源法》剛剛于2006年1,q1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。小區(qū)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)?00kV·A，6箱變looOkV．A．其它均為630kV·A。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。小區(qū)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?8．6kW，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防雷設計

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，以達防雷擊的目的，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／T11127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雷接線箱，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圍。該設計選用了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

該地區(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l2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SunnyBoyContwlPlus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。目前該工程正在申報國家示范性項目。