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范文升1張宇2
(1. 淄博市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 山東淄博255000
2.安科瑞電氣股份有限公司 上海201801)
摘要:光伏發(fā)電項(xiàng)目作為新能源的代表,是我可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃,光伏建筑體化同時(shí)對(duì)推進(jìn)太陽能利用及光伏電池組件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程具有非常重大的示范意義,可充分促進(jìn)光伏行業(yè)的發(fā)展,大規(guī)模帶動(dòng)就業(yè),其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等效益顯著。以實(shí)際項(xiàng)目工程為例簡要介紹了整套光伏電站的系統(tǒng)組成,對(duì)光伏電站的發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;光伏系統(tǒng);項(xiàng)目發(fā)電量;項(xiàng)目收益分析
1.引言
光伏建筑體化是應(yīng)用太陽能發(fā)電的種新概念,簡而言之,就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。光伏電池組件與建筑物結(jié)合,所發(fā)電能并入電網(wǎng),節(jié)約資源并能獲得經(jīng)濟(jì)效益,而且光伏電站投資省、見效快、運(yùn)行成本低、資金風(fēng)險(xiǎn)小。
本設(shè)計(jì)項(xiàng)目是利用江陰某工廠辦公樓空閑屋頂建設(shè)屋頂太陽能光電建筑項(xiàng)目。依據(jù)先進(jìn)的光伏建筑體化的技術(shù),將太陽能發(fā)電站與建筑本身地結(jié)合在起。
項(xiàng)目總的裝機(jī)容量為66.3kWp(即光伏電站電池組件的峰值功率),采用的是的多晶硅組件電池板,使用壽命在25年以上;光伏系統(tǒng)所發(fā)的電全部并入zui近的400V變電站,并網(wǎng)使用(配置雙向計(jì)量電表)。
項(xiàng)目實(shí)際裝機(jī)容量為66.3kWp,25年均發(fā)電量為6.33萬度電,年均節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤24.64噸,年CO2節(jié)排8.84噸。
2.項(xiàng)目概述
2.1地理位置
江陰市位于北緯31°、東經(jīng)120°附近,屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年平均氣溫16.7℃,年降雨量1040.7毫米。全境地勢平緩,平均海拔6米左右。太陽年輻射總量115.7千卡/平方厘米。年中太陽輻射月總量以7月和8月zui多,分別為13.5千卡/平方厘米和13.7千卡/平方厘米;12月和1月zui少,均為6.3千卡/平方厘米。
2.2 建筑類型和電站規(guī)模
本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的辦公樓整體南北走向,樓頂屋面為混凝土水泥上人屋面,東、西、南側(cè)均無明顯高大的近距離建筑物遮擋,屋面載重符合要求,*可以在屋頂架設(shè)太陽能光伏組件。
根據(jù)客戶提供的相關(guān)圖紙和實(shí)地勘察,其廠房屋頂上建設(shè)分布式光伏電站可安裝總?cè)萘繛?6.3kWp。
3.技術(shù)方案設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)構(gòu)成
圖1 并網(wǎng)點(diǎn)光伏電站系統(tǒng)原理構(gòu)架
3.2組件安裝方式
組件安裝傾角不同,每平方米的輻射度也會(huì)不同,現(xiàn)場光伏組件以25度左右的傾角安裝在水泥屋頂上。
3.3系統(tǒng)主要元器件
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件、組串式光伏并網(wǎng)逆變器、交流匯流箱、交流并網(wǎng)柜和系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置組成。
66.3kWp并網(wǎng)光伏發(fā)電站主要組成如下:太陽能電池組件采用260塊HR-255Wp晶體硅組件;支架采用陽極氧化的鋁合金材料;光伏并網(wǎng)逆變器采用3臺(tái)逆變器;交流匯流箱采用1臺(tái)AZX-H匯流箱;交流并網(wǎng)柜采用臺(tái)AZG-B并網(wǎng)柜;系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)采用光伏電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
3.3.1 組件
根據(jù)總裝機(jī)容量和各區(qū)屋面實(shí)際情況本期光伏電站為66.3kWp,應(yīng)該選取260塊255WP組件。太陽能電池組件應(yīng)具有非常好的耐侯性,能在室外嚴(yán)酷的條件下長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行,應(yīng)同時(shí)具有高的轉(zhuǎn)換效率和廉價(jià)。選擇的太陽能電池組件是并網(wǎng)光伏電站可靠運(yùn)行且提高發(fā)電量的關(guān)鍵之。
本項(xiàng)目組件采用HR-255Wp系列:此款組件外觀勻稱,結(jié)構(gòu)輕巧堅(jiān)固,具有良好的抗風(fēng)雪功能。邊框帶流水槽,可防止組件積水,避免邊框結(jié)冰爆裂。邊框氧化膜較厚,能滿足惡劣條件下的使用要求,特別是鹽霧氣候的使用要求。
3.3.2 逆變器
選用ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器。ASI系列采用率、小型化低頻隔離變壓器設(shè)計(jì)以及高性能低功耗功率器件,更可靠。
技術(shù)參數(shù) | ASI-20KTL | ASI-25KTL |
zui大輸入功率 | 22KWp | 27.5KWp |
zui大輸入電壓 | 900Vdc | 1000Vdc |
MPPT電壓范圍 | 460~800Vdc | 280~800Vdc |
zui大輸入電流 | 22./22. | 28A/28A |
zui大輸入路數(shù) | 2*3路 | 2*4路 |
額定輸出功率 | 20KW | 25KW |
額定電網(wǎng)電壓 | 三相400V (-15%,+10%)
| |
額定電網(wǎng)頻率 | 50Hz,±0.5Hz | |
電網(wǎng)諧波總畸形率 | <2%(額定功率) | |
功率因素(cosΦ) | ≥0.995 | |
防護(hù)級(jí)別 | IP65(戶外) | |
zui大效率 | 98.2% | |
使用環(huán)境溫度 | -25℃~+60℃ | |
使用環(huán)境濕度 | 0~100%,無凝露 | |
通訊接口 | RS485 | |
寬*高*深(mm) | 653mmX685mmX246mm | |
重量(kg) | 50kg |
ASI系列光伏并網(wǎng)逆變器參數(shù)見表1。
3.3.3交流匯流箱
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,數(shù)量龐大的光伏電池組件進(jìn)行串并組合達(dá)到需要的電壓電流值,以使發(fā)電效率達(dá)到。AZX-H系列智能光伏匯流箱主要作用就是對(duì)光伏電池陣列的輸入進(jìn)行級(jí)匯流,用于減少光電池陣列接入到逆變器的連線,化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高可靠性和可維護(hù)性。
3.3.4計(jì)量裝置
計(jì)量裝置有提供計(jì)量,帶通訊功能,需要數(shù)據(jù)上傳。計(jì)量裝置安裝于交流配電柜中。交流配電柜中留好安裝位置及二次接線和通信線。
3.3.5系統(tǒng)的通訊監(jiān)控裝置
并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件是安科瑞電氣股份有限公司面向并網(wǎng)光伏發(fā)電的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,它以現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),采用先進(jìn)技術(shù)開發(fā)的監(jiān)測、控制和管理系統(tǒng),具有組態(tài)功能、控制功能、報(bào)警功能、調(diào)試診斷、報(bào)表及曲線功能,系統(tǒng)拓展方便。該軟件集成光伏發(fā)電系統(tǒng)和電能管理系統(tǒng)監(jiān)控功能,對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、歷史事件記錄,同時(shí)還可直接將配電監(jiān)控系統(tǒng)接入,進(jìn)行集中監(jiān)控。
本項(xiàng)目可在辦公室安裝后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理。
4.安裝設(shè)計(jì)
光伏組件安裝之前,標(biāo)示好基座預(yù)制件的位置,安放好基座預(yù)制件。將光伏支架安裝固定在基座預(yù)制件上。光伏支架按10級(jí)臺(tái)風(fēng)和50年遇雪載荷要求設(shè)計(jì)。結(jié)合本地的太陽能輻射情況zui大限度的利用好太陽能,本期工程光伏組件安裝角度為25度。項(xiàng)目采用20塊255W組件接成串,總計(jì)13串光伏組串,其中2臺(tái)20KW逆變器各接入4串組件。1臺(tái)25KW逆變器接入5串光伏組件。組串全部接入逆變器后,由逆變器輸出端的電纜進(jìn)行匯入交流匯流箱。
太陽能電池板金屬固定架上連接屋頂原有避雷網(wǎng)作為保護(hù)。防止太陽電池板方陣設(shè)備遭直接雷擊。太陽電池方陣通過電纜接入組串式逆變器,逆變器采用壓敏保護(hù)裝置可有效地避免雷擊導(dǎo)致設(shè)備的損壞。
配電房主要實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)和計(jì)量、接入變壓器,通過低壓室中的交流配電柜進(jìn)行并網(wǎng)。配電室應(yīng)該保持整齊清潔,及良好的通風(fēng)散熱環(huán)境,設(shè)備上的灰塵和污物應(yīng)及時(shí)清理。變壓器低壓柜邊增加交流并網(wǎng)柜。交流并網(wǎng)柜母排與變壓器低壓柜母排拼接,柜內(nèi)安裝只進(jìn)線斷路器,用于線路保護(hù)。
5.項(xiàng)目發(fā)電量及社會(huì)效益分析
5.1系統(tǒng)效率
光伏發(fā)電系統(tǒng)效率受很多因素的影響,包括:當(dāng)?shù)販囟取⑽廴厩闆r、光伏組件安裝傾角、方位角、光伏發(fā)電系統(tǒng)年利用率、太陽電池組件轉(zhuǎn)換效率、周圍障礙物遮光、逆變損失以及光伏電站線損等。將計(jì)算方法簡化后,光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的總效率以下幾個(gè)部分組成。
1)光伏電廠占地面積大,直流側(cè)電壓高,電流小,導(dǎo)線有定的損耗,根據(jù)規(guī)范本工程此處損耗值按2%設(shè)計(jì)。
2)大量的太陽能電池組件之間存在定的特性差異,不致性損失系數(shù)為3%。
3)考慮太陽能電池組件表面即使清理仍存在定的積灰,遮擋損失系數(shù)為4%。
4)光伏并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換效率:光伏并網(wǎng)逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比,效率取96%計(jì)算。
5)早晚不可利用太陽能輻射損失系數(shù)為4%。
6)光伏電池的溫度影響系數(shù)按1.8%考慮。
7)并考慮當(dāng)?shù)貧夂蜃兓案鞣N不利因素的影響,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)此處不可預(yù)見因素?fù)p失系數(shù)為6.8198%。
8)系統(tǒng)總效率為:η總=η1×η2×η3×η4×η5×η6×η7、
=(1-2%)×(1-3%)×(1-4%)×96%×(1-4%)×(1-1.8%)×(1-6.8198%)
≈77%
5.2 發(fā)電量計(jì)算
5.2.1太陽能月輻射量
根據(jù)《中氣象輻射資料年冊(cè)》提供的資料,江蘇地區(qū)各月太陽能輻射量資料見表2:
月份 | 日輻射量kwh/m2/day | 月輻射量kwh/m2 |
1月 | 1.83 | 56.73 |
2月 | 2.17 | 60.67 |
3月 | 4.03 | 124.93 |
4月 | 4.17 | 125.1 |
5月 | 4.61 | 142.91 |
6月 | 3.68 | 110.4 |
7月 | 5.22 | 161.82 |
8月 | 3.89 | 120.59 |
9月 | 4.67 | 140.1 |
10月 | 3.78 | 117.18 |
11月 | 2.52 | 75.6 |
12月 | 1.42 | 44.02 |
5.2.2年發(fā)電量計(jì)算
年的發(fā)電量=裝機(jī)容量X輻照量 X系統(tǒng)效率
以日射量來估算發(fā)電量。
a、光伏陣列效率η1:
光伏陣列在1000W/m2太陽能輻射強(qiáng)度下,實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。
光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過程中的損失包括:① 組件匹配損失:對(duì)于精心設(shè)計(jì)、精心施工的系統(tǒng),約有4%的損失;
② 太陽輻射損失:包括組件表面塵埃遮擋及不可利用的低、弱太陽輻射損失,取值5%;
③ 偏離zui大功率點(diǎn)損失:如溫度的影響、zui大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)精度等。取值2-4%;
④ 直流線路損失:按有關(guān)規(guī)定,應(yīng)小于1-3%。
?。?eta;1=96%×95%×98%×98%=87.6%
b、逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2:
般并網(wǎng)逆變器效率在94%以上,取94%;逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。
C、交流并網(wǎng)效率η3:
若不經(jīng)過高壓電網(wǎng)的傳輸,效率可取η3=1
系統(tǒng)總效率η=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%
系統(tǒng)*年發(fā)電量(EP)=PAS×HA×η×365
PAS:太陽光伏陣列容量
HA:當(dāng)?shù)仄骄丈淞浚╧wh/㎡/day)
η: 系統(tǒng)總效率
本項(xiàng)目光伏電站組件在水泥屋面正南25度安裝,按光伏板使用25年計(jì)算,考慮到光伏電池板及相關(guān)部件的損耗,剩下24年按照每年0.8%遞減計(jì)算。本工程年平均發(fā)電量為6.33萬度,25年總發(fā)電量約158.28萬度。
5.2.3 項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)環(huán)境效益
根據(jù)上述發(fā)電量情況,結(jié)合公司的工業(yè)用電價(jià)格及家補(bǔ)貼等,本項(xiàng)目在25年的使用周期內(nèi),具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益,具體為:項(xiàng)目總投資約8元/W,總投資金額約53萬元。按光伏發(fā)電的90%自用,10%上網(wǎng)。每年的年總收入為8.61萬元。年投資收益率為16.24%。
經(jīng)濟(jì)效益方面:根據(jù)發(fā)電量和投入的建設(shè)成本結(jié)合實(shí)際用電情況、在不考慮電費(fèi)上漲、設(shè)備維護(hù)更換等因數(shù)的基礎(chǔ)上,預(yù)計(jì)6.16年左右收回投資成本,25年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為203.83萬元。
環(huán)境效益方面:根據(jù)目前我發(fā)電煤耗為平均390克標(biāo)煤/度計(jì)算。預(yù)計(jì)25年總節(jié)約標(biāo)煤:158.25萬度×390克/度=616噸標(biāo)準(zhǔn)煤。預(yù)計(jì)25年減排CO2:1582500kWh×1.4kg CO2/kWh=221噸、減少排放SO2約12.37噸、減少排放NOx約4.29噸,具有較大的環(huán)境和社會(huì)效益。
5.3社會(huì)效益
江陰地區(qū)太陽能資源儲(chǔ)量豐富,大力發(fā)展太陽能具有顯著的社會(huì)效益。不僅可改善能源結(jié)構(gòu)的不合理,增加新能源在電網(wǎng)中的份額。同時(shí)能緩解當(dāng)?shù)仉娏┬璧木o張狀況,帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐膭趧?dòng)就業(yè),對(duì)發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)的意義。
6、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析
光伏系統(tǒng)主要設(shè)備品質(zhì)良,其中太陽板壽命25年以上,控制器、逆變器壽命10年以上。并網(wǎng)逆變器和配電系統(tǒng),具有完善的各類故障與事故的保護(hù)功能確保人身與電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)的設(shè)備。系統(tǒng)的設(shè)備可以采用焊接、螺栓連接,只有專業(yè)工具才能打開,可以起到定的和防盜作用。對(duì)于電氣,因?yàn)閹щ姴课幻芊?,線纜暗敷,關(guān)鍵部位帶有警示標(biāo)識(shí),因此只要安裝操作手冊(cè)規(guī)范使用,就不會(huì)出現(xiàn)其它問題。
本太陽能光伏屋頂系統(tǒng)由專業(yè)電力系統(tǒng)專業(yè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合化設(shè)計(jì),具有很高的可靠性和性價(jià)比。故光伏屋頂系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,不會(huì)對(duì)人身及房屋構(gòu)成任何危險(xiǎn),可靠。具體有以下幾點(diǎn):
1)屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng),支撐系構(gòu)件及基礎(chǔ)有效安裝在承重墻上,同時(shí)光伏系統(tǒng)對(duì)屋面的承重能力要求較小,由于光伏組件及支撐系統(tǒng)的載荷≤25kg/m2,該建筑屋面鋪設(shè)光伏組件完滿足該屋面原設(shè)計(jì)承重要求。
2)考慮到在屋頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)時(shí),對(duì)支撐系構(gòu)件及基礎(chǔ)有效安裝在承重墻上,并對(duì)屋面的防水層進(jìn)行必要的處理,確保在屋頂安裝上太陽能光伏系統(tǒng),屋面不會(huì)出現(xiàn)滲漏等問題。
3)在屋面安裝光伏組件時(shí),充分考慮和屋檐有足夠的距離,確保在安裝、施工及大風(fēng)天氣的影響,采取有效的防護(hù)措施安裝結(jié)構(gòu),防止組件脫落。
4)考慮建筑物的整體建筑外觀要求,實(shí)現(xiàn)與建筑的有效結(jié)合,使其不影響建筑物的整體外觀形象。
7、結(jié)語
本項(xiàng)目工程按選定的地址利用既有廠區(qū)辦公樓建筑屋頂,以25度傾角方式架設(shè)多晶硅電池組件裝機(jī)總?cè)萘繛?6.3kWp。工程動(dòng)態(tài)總投資約為53萬元,25年經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)年平均年上網(wǎng)電量約為6.33萬kW²h。
本工程的建設(shè)對(duì)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境,減少溫室氣體排放、推廣太陽能利用和推進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常積極的示范意義,同時(shí)也具備較好的社會(huì)和環(huán)境效益。
文章來源:《綠色建筑》2017年3期。