《太陽能光電建筑應(yīng)用及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案》.doc

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太陽能光電建筑應(yīng)用及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案介紹 合肥陽光電源有限公司 2011 年 5 月 目 錄 一、太陽能光電建筑介紹.3 1.1 太陽能光電建筑的應(yīng)用 .3 1.2 太陽能光電建筑的優(yōu)點 .3 1.3 光伏與建筑結(jié)合的幾種安裝方式 .4 二、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案介紹.5 2.1 并網(wǎng)發(fā)電方式介紹 .5 2.2 光伏陣列的設(shè)計 .6 2.3 光伏陣列匯流的設(shè)計 .9 2.4 接入電網(wǎng)方案 .10 2.5 并網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控通訊方式 .12 2.6 系統(tǒng)的安全性設(shè)計 .13 三、逆變控制設(shè)備選型.14 四、申報指南.16 五、合肥陽光并網(wǎng)逆變器在國內(nèi)光伏建筑一體化的應(yīng)用案例.18 5.1 上海臨港新城兆瓦級光伏電站 .18 5.2 上海世博會園區(qū)中國館和主題館 MW 級光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) .19 5.3 奧運鳥巢 105 K W 光伏并網(wǎng)電站.20 5.4 上海太陽能工程中心 MW 級光伏電站 .21 3 一、太陽能光電建筑介紹 1.1 太陽能光電建筑的應(yīng)用太陽能光電建筑是指將光伏發(fā)電與建筑物相結(jié)合，在建筑物的外圍結(jié)構(gòu)表面上布設(shè)光伏器件產(chǎn)生電力，從而使“建筑物產(chǎn)生綠色能源”。光伏與建筑的結(jié)合有如下兩種方式，都可以通過并網(wǎng)逆變器、控制裝置與公共電網(wǎng)聯(lián)接起來組成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。（1）一種是建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合（如圖1），把封裝好的的光伏組件（平板或曲面板）安裝在居民住宅或建筑物的屋頂上，組成光伏發(fā)電系統(tǒng)；（2） 另外一種是建筑與光伏器件相結(jié)合（如圖 2），是將光伏器件與建筑材料集成化，用光伏器件直接代替建筑材料，即光伏建筑一體化（BIPV），如將太陽光伏電池制作成光伏玻璃幕墻、太陽能電池瓦等，這樣不僅可開發(fā)和應(yīng)用新能源，還可與裝飾美化合為一體，達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果，是今后的發(fā)展光伏建筑一體化的趨勢。 1.2太陽能光電建筑的優(yōu)點從建筑、技術(shù)和經(jīng)濟角度來看，太陽能光電建筑有以下諸多優(yōu)點：（1）可以有效地利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用寶貴的土地資源，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；（2）可原地發(fā)電、原地用電，在一定距離范圍內(nèi)可以節(jié)省電站送電網(wǎng)的投資。對于聯(lián)網(wǎng)戶用系統(tǒng)，光伏陣列所發(fā)電力既可供給本建筑物負(fù)載使用，也可送入電網(wǎng)；（3） 能有效地減少建筑能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在白天陽光照射時發(fā)電，該時段也是電網(wǎng)用電高峰期，從而舒緩高峰電力需求；（4） 光伏組件一般安裝在建筑的屋頂及墻的南立面上直接吸收太陽能， 因此建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅提供了電力，而且還降低了墻面及屋頂?shù)臏厣唬?） 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有噪音、沒有污染物排放、不消耗任何燃料，具有綠色環(huán)保概念，可增加樓盤的綜合品質(zhì)。 1.3 光伏與建筑結(jié)合的幾種安裝方式 財政補貼將重點支持太陽能光電建筑一體化安裝且發(fā)電主要用于解決建筑用能的項目，從項目類型上主要包括三類：一是建材型，指將太陽能電池與瓦、磚、卷材、玻璃等建筑材料復(fù)合在一起成為不可分割的建筑構(gòu)件或建筑材料， 如光伏瓦、光伏磚、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墻、光伏采光頂?shù)?；二是?gòu)件型，指與建筑構(gòu)件組合在一起或獨立成為建筑構(gòu)件的光伏構(gòu)件，如以標(biāo)準(zhǔn)普通光伏組件或根據(jù)建筑要求定制的光伏組件構(gòu)成雨篷構(gòu)件、遮陽構(gòu)件等；三是與屋頂、墻面結(jié)合安裝型，指在平屋頂上安裝、坡屋面上順坡架空安裝以及在墻面上與墻面平行安裝等形式。二、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案介紹 2.1 并網(wǎng)發(fā)電方式介紹目前，太陽能光電建筑的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計容量可以從幾千瓦到幾百千瓦，甚至上兆瓦，由于國內(nèi)的光伏與建筑結(jié)合形式各種各樣， 設(shè)備的選型需根據(jù)光伏陣列安裝的實際情況（如組件規(guī)格、安裝朝向等）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大致可分為兩種并網(wǎng)發(fā)電方式。（1）集中式并網(wǎng)發(fā)電這種并網(wǎng)方式適合于在建筑物上安裝朝向相同且規(guī)格相同的光伏陣列， 在電氣設(shè)計時，采用單臺逆變器集中并網(wǎng)發(fā)電方案實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，如圖 3 所示。 （2） 分布式并網(wǎng)發(fā)電這種并網(wǎng)方式適合于在建筑物上安裝不同朝向或不同規(guī)格的的光伏陣列， 在電氣設(shè)計時， 可將同一朝向且規(guī)格相同的光伏陣列通過單臺逆變器集中并網(wǎng)發(fā)電， 采用多臺逆變器分布式并網(wǎng)發(fā)電方案實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，如圖 4 所示。 2.2 光伏陣列的設(shè)計并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列設(shè)計需要考慮以下幾點： （1）光伏陣列朝向：光伏陣列正向赤道是其獲得最多太陽輻射能的主要條件之一。一般情況下，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為 0）。系統(tǒng)的光伏陣列處于北半球，一般應(yīng)按正南偏西，方位角（一天中負(fù)荷的峰值時刻（24 小時制）12）15（經(jīng)度116）。 （2）光伏陣列傾角：在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列相對于水平面的傾斜角度一般應(yīng)該按照使陣列獲得全年最多太陽輻射能的設(shè)計原則。電池板廠商將根據(jù)不同地區(qū)的地理位置及氣象環(huán)境，會提供最佳的安裝角度。 （3） 光伏組件串聯(lián)數(shù)量的設(shè)計依據(jù)：逆變器在并網(wǎng)發(fā)電時，光伏陣列必須實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，以便光伏陣列在任何當(dāng)前日照下不斷獲得最大功率輸出。 在設(shè)計光伏組件串聯(lián)數(shù)量時，應(yīng)注意以下幾點： 1) 接至同一臺逆變器的光伏組件的規(guī)格類型、串聯(lián)數(shù)量及安裝角度應(yīng)保持一致。 2) 需考慮光伏組件的最佳工作電壓（Vmp）和開路電壓（Voc）的溫度系數(shù)，串聯(lián)后的光伏陣列的Vmp應(yīng)在逆變器MPPT 范圍內(nèi)，Voc應(yīng)低于逆變器輸入電壓的最大值。首先，要了解太陽電池結(jié)溫和日照強度對太陽電池輸出特性的影響， 如下圖所示： 從圖5可知，溫度上升將使太陽電池開路電壓Voc下降，短路電流Isc則輕微增大，總體效果會造成太陽電池的輸出功率下降。從圖6可知，日照強度在極大的程度上影響太陽電池的輸出電流，導(dǎo)致太陽電池輸出功率的變化。對于單晶硅和多晶硅太陽電池，工作電壓（Vmp）的溫度系數(shù)約為-0.0045/（折合 70時的系數(shù)為 0.8）；開路電壓（Voc）的溫度系數(shù)約為-0.0034/（折合-10時的系數(shù)為 1.12）。對于非晶硅薄膜電池，工作電壓（Vmp）的溫度系數(shù)約為-0.0028/（折合 70時的系數(shù)為0.874）；開路電壓（Voc）的溫度系數(shù)約為-0.0028/（折合-10時的系數(shù)為1.1）。 3) 針對目前常見的晶體硅光伏組件，結(jié)合本公司產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，給出各款型號逆變器的推薦 Voc 和 Vmp 配置，用戶可根據(jù)實際光伏組件的參數(shù)進(jìn)行計算和匹配。對于單晶硅和多晶硅光伏組件以某公司的多晶硅170Wp為例（STC條件下，25，Vmp35V，Voc44.5V，Pm=270W），給出各款型號逆變器的推薦 Voc 和 Vmp 配置，以及光伏組件的串聯(lián)推薦數(shù)量： 用戶實際計算方法如下： 串聯(lián)數(shù)最小值 n1=V1/Vmp，使用進(jìn)一法進(jìn)行取整，V1 為推薦MPPT范圍的下限值； 串聯(lián)數(shù)最大值 n2=V2/Voc，使用舍去法進(jìn)行取整，V2為推薦Uoc 范圍的上限值。其中：Vmp 和Voc為廠家提供的在STC條件下（STC: lrradiance1000W/, Module temperature25, AM=1.5）的數(shù)據(jù)。對于非晶硅薄膜光伏組件以某公司的非晶硅組件 40Wp型號為例（STC條件下，Vmp46V，Voc61V ，Pm40W），給出各款型號逆變器的推薦 Voc 和 Vmp 配置，以及光伏組件的串聯(lián)推薦數(shù)量： 用戶實際計算方法如下： 串聯(lián)數(shù)最小值 n1=V1/Vmp，使用進(jìn)一法進(jìn)行取整，V1 為推薦 MPPT 范圍的下限值。 串聯(lián)數(shù)最大值 n2=V2/Voc，使用舍去法進(jìn)行取整，V2 為推薦 Uoc 范圍的上限值。其中：Vmp 和 Voc 為廠家提供的在 STC 條件下（STC: lrradiance 1000W/m2, Module temperature 25, AM=1.5）的數(shù)據(jù)。（4）光伏系統(tǒng)的避雷技術(shù)要求對于光伏系統(tǒng)的避雷設(shè)計，主要考慮直擊雷和感應(yīng)雷的防護(hù)：1)光伏陣列安裝在室外，當(dāng)雷電發(fā)生時可能會受到直擊雷的侵入，直擊雷的防護(hù)通常都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或金屬物件作為接閃器，將雷電流接收下來，并通過作引下線的金屬導(dǎo)體導(dǎo)引至埋于大地起散流作用的接地裝置再泄散入地。2) 感應(yīng)雷的防護(hù)需要考慮太陽能電池板四周鋁合金框架與支架應(yīng)等電位接地，以及交直流輸電線路和逆變器等感應(yīng)雷的防護(hù)，防護(hù)措施可采用防雷保護(hù)器。 3) 防雷防護(hù)國家現(xiàn)在還沒有專門針對光伏系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，在項目設(shè)計時是要委托專業(yè)的設(shè)計單位來設(shè)計。 2.3 光伏陣列匯流的設(shè)計為了減少直流側(cè)電纜的接線數(shù)量，提供系統(tǒng)的發(fā)電效率，大型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常需要設(shè)計光伏陣列匯流裝置，該裝置就是將一定數(shù)量的電池串列匯流成1路直流輸出。本公司根據(jù)光伏系統(tǒng)的特點，設(shè)計了SPVCB系統(tǒng)光伏陣列匯流箱，該匯流箱的每路電池串列輸入回路配置了耐壓為1000V 的高壓熔絲和光伏專用防雷器，并可實現(xiàn)直流輸出手動分?jǐn)喙δ埽鐖D 7 所示。2.4 接入電網(wǎng)方案光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)接入有低壓接入和高壓接入兩種方案。 （1）低壓電網(wǎng)接入并網(wǎng)系統(tǒng)接入三相 400V 或單相 230V 低壓配電網(wǎng)， 通過交流配電線路給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余的電力饋入公用電網(wǎng)。 根據(jù)是否允許向公用電網(wǎng)逆向發(fā)電來劃分，分為可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)和不可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)。1) 可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)對于可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，一般發(fā)電功率不能超過配電變壓器容量的 30%，并需要對原有的計量系統(tǒng)改裝為雙向表，以便發(fā)、用都能計量，如圖 7 所示。 2) 不可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)對于不可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，一般有兩種解決方案：系統(tǒng)安裝逆功率檢測裝置，與逆變器進(jìn)行通訊，當(dāng)檢測到有逆流時，逆變器自動控制發(fā)電功率，實現(xiàn)最大利用并網(wǎng)發(fā)電且不出現(xiàn)逆流，如圖 8 所示。采用雙向逆變器+蓄電池組，實現(xiàn)可調(diào)度式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如圖 9 所示。 可調(diào)度式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，配有儲能環(huán)節(jié)(目前一般采用蓄電池組)。光伏陣列經(jīng)雙向逆變器給蓄電池充電，同時并網(wǎng)發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電功率由測控裝置根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù)荷的實際功率來調(diào)整，在光照能量不足時，可由蓄電池提供能量。（2）高壓電網(wǎng)接入并網(wǎng)系統(tǒng)通過升壓變壓器接入 10KV 或 35KV 高壓電網(wǎng)， 升壓并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)采用單獨的上網(wǎng)變壓器，向上級電網(wǎng)輸電。 10KV 電網(wǎng)接入 35KV 電網(wǎng)接入 高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)由供電部門進(jìn)行接入系統(tǒng)的設(shè)計，高、低壓開關(guān)柜應(yīng)設(shè)有開關(guān)保護(hù)、計量和防雷保護(hù)裝置，實際并網(wǎng)的發(fā)電量應(yīng)在高壓側(cè)計量。 2.5 并網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控通訊方式 目前光伏并網(wǎng)逆變器常見的通訊方式有三種：RS485 Ethernet GPRS設(shè)備通訊原理示意圖如下：采用RS485/Ethernet/GPRS實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能，通過上位機監(jiān)控軟件，方便直觀地監(jiān)控當(dāng)前逆變器的運行數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，以及歷史數(shù)據(jù)記錄和故障信息，同時可和環(huán)境監(jiān)測儀進(jìn)行實時通訊，了解現(xiàn)場的日照強度、風(fēng)速、風(fēng)向和溫度等情況。 2.6 系統(tǒng)的安全性設(shè)計太陽能光電建筑設(shè)計時，安全性設(shè)計有幾點需要注意：屋頂和建筑作為安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的場所， 要有荷重（自重、 積雪、 風(fēng)壓）的承重能力。陣列的安裝考慮到漏雨的問題，確保不給房屋系統(tǒng)造成破壞。支架等安裝材料的耐用性。太陽能組件到室內(nèi)的配線性能及保護(hù)方法。施工作業(yè)的安全防護(hù)。系統(tǒng)的防雷安全保護(hù)措施。 三、逆變控制設(shè)備選型針對此次財建2009129 號文件關(guān)于印發(fā)太陽能光電建筑應(yīng)用財政補助資金管理暫行辦法的通知，本公司就容量為 50KWp1000KWp 的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供逆變控制設(shè)備選型方案。備注：上表中，匯流箱的數(shù)量是按照單塊光伏組件的功率為180Wp左右計算的，僅供參考在實際應(yīng)用中，可能會有些差異。對于光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)常需要考慮建筑美觀因素，導(dǎo)致光伏組件規(guī)格和朝向不一致，從而需要配置不同規(guī)格的逆變器，針對這種情況，需要綜合考慮實際情況，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)由供電部門進(jìn)行接入系統(tǒng)的設(shè)計。 四、申報指南為了明確太陽能光電建筑應(yīng)用示范項目申報的實施細(xì)則， 財政部和建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)了太陽能光電建筑應(yīng)用示范項目申報指南詳細(xì)的內(nèi)容參考下面的網(wǎng)址：http:/jjs.mof.gov.cn/jinjijianshesi/zhengwuxinxi/zhengcefagui/200904/t20090420_134425.html 在實際項目申報是重點專注以下幾點： （1）安裝類型和補貼對應(yīng)的補貼標(biāo)準(zhǔn)（2） 優(yōu)先支持項目已出臺并落實光電發(fā)展扶持政策的地區(qū)項目；并網(wǎng)式太陽能光電建筑應(yīng)用項目；太陽能光伏組件與建筑物實現(xiàn)構(gòu)件化、一體化項目；學(xué)校、醫(yī)院、政府機關(guān)等公共建筑應(yīng)用光電項目。（3） 申報材料的準(zhǔn)備 指南第四條中要求的證明材料；指南第六條中要求的申報材料；（4） 申報程序申報的具體的程序在指南 中有詳細(xì)的介紹， 在具體申報時有一下幾點需要提醒注意：申報材料在省級相關(guān)部門立項批復(fù)后要向省電力公司申報接入許可，在這一過程中一般省電力公司要組織相關(guān)機構(gòu)對申報材料中的接入部分進(jìn)行評估，主要是電能質(zhì)量，對電網(wǎng)的安全性影響等方面。評估后給出批復(fù)。系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，向電網(wǎng)提供能量時計量和收費問題。在系統(tǒng)設(shè)計時就要考慮到運營后的監(jiān)視、計量、交易等相關(guān)方案。目前部分省份已出臺新能源相關(guān)的政策（包括電力系統(tǒng)），要求全額接納光伏并網(wǎng)的電量，上網(wǎng)電價執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如國家沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則會以地方性政策標(biāo)準(zhǔn)給予補貼。五、合肥陽光并網(wǎng)逆變器在國內(nèi)光伏建筑一體化的應(yīng)用案例 5.1 上海臨港新城兆瓦級光伏電站系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：1.06MWp安裝面積：約 15000m2電網(wǎng)接入：10KV年發(fā)電量：約 100 萬千瓦時20 5.3 奧運鳥巢 105kW 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：105kWp安裝面積：約 1100m電網(wǎng)接入：400/230V年發(fā)電量：約 12 萬千瓦時21 5.4 上海太陽能工程中心 MW 級光伏電站 系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：1MWp 安裝面積：約 11000m 電網(wǎng)接入：10KV 年發(fā)電量：約 100 萬千瓦時 5.2 上海世博會園區(qū)中國館和主題館 MW 級光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：3MWp安裝面積：約 30000m2電網(wǎng)接入：10KV年發(fā)電量：約 300 萬千瓦時5.3 奧運鳥巢 105kW 光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：105kWp安裝面積：約 1100m2電網(wǎng)接入：400/230V年發(fā)電量：約 12 萬千瓦時5.4 上海太陽能工程中心 MW 級光伏電站系統(tǒng)介紹：系統(tǒng)容量：1MWp安裝面積：約 11000m2電網(wǎng)接入：10KV年發(fā)電量：約 100 萬千瓦時