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屋顶光伏发电与储能的设计

发布时间:2019-03-13 15:33所属分类:理工论文浏览:1

摘要:文章通过理论分析与计算,对屋顶光伏系统和并网电气设备进行选型。采用多晶硅太阳电池,根据光伏发电原理,通过汇流、逆变、升压、储能等步骤,将光伏电站系统接入公共电网,实现电能的自产、自用、自销。 关键词:光伏发电,并网,电能 引言 太阳能作为

  摘要:文章通过理论分析与计算,对屋顶光伏系统和并网电气设备进行选型。采用多晶硅太阳电池,根据光伏发电原理,通过汇流、逆变、升压、储能等步骤,将光伏电站系统接入公共电网,实现电能的自产、自用、自销。

  关键词:光伏发电,并网,电能

 

  引言

  太阳能作为一种新型能源,具有清洁、环保,可再生等特点,是人类开发的重要绿色能源之一。其中,光伏发电是利用光生伏特效应,将光能转化为电能的技术。如今光伏发电已进入规模化发展阶段,其应用十分广泛,如为无电区提供电力;并网发电;生产太阳能电子产品,在交通上使用的路灯等。屋顶分布式光伏发电是常见的太阳能发电技术,合理选择发电的相关设备,设置发电系统的关键参数,可提高对太阳能资源的利用率。本文就屋顶光伏发电系统做项目设计,接入公共电网,实现电能的自产、自用、自销。

  1设备与安装的选择

  1.1光伏电池

  屋顶光伏发电系统中的光伏电池,主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池等[1]。太阳电池的材料决定着制作成本和光电转换效率,目前单晶硅太阳电池的光电转换效率可达26%,但其制作工艺复杂、加工繁琐,导致单晶硅太阳电池成本一直远远大于其他太阳电池。就制作工艺而言,多晶硅太阳电池在生产过程中能量消耗低,材料制造相对简单,制造时不污染环境,比单晶硅太阳电池更经济环保。而且,经德国研究人员的努力,其转换效率也突破20.3%[2,3]。

  此外,文献[4-5]研究发现光强与温度对单晶硅、非晶硅电池输出电流与电压的影响规律相同,但对非晶硅电池的工作影响较大,在光照强度或温度条件相同时,晶硅太阳电池的转换效率高于非晶硅太阳电池。因此,综合光电转换效率、制作成本、经济环保等因素,本次设计选择多晶硅太阳电池。

  1.2布局方式

  光伏发电系统中最小的发电单元是每个光伏组件。通常在安装底座上将多个光伏组件串联或并联,形成固定的直流发电单元,进而组成光伏发电方阵。屋顶光伏组件固定摆放方式可大幅降低工程建设成本、减少维护和检查费用,其中,条形基础施工简单,场地平坦时可直接放置于地面,屋顶面积使用率高、施工速度快。

  因此本文采用钢筋混凝土条形基础安装方式。此外,设计时,要确保光伏系统全年高效运行。光伏电池要以最佳倾角来安装,以便采集更多的太阳辐射量。为简便,取北回归线为北纬N23°,扬州经纬度取北纬N32°,东经E119°。根据规范[6]得出独立系统安装时组件倾角为37°,并网系统安装倾角为28°,斜面日均辐射量14207kJ/m2,日辐射量13400kJ/m2。

  1.3光伏板与逆变器

  屋顶总面积为6125m2,尺寸24.5m×250m,位于扬州市。光伏组件均采用XHGD-300W多晶硅组件,功率为300W,转换效率为17.5%,结构尺寸为1950mm×990mm×40mm。系统中逆变器是把光伏方阵产生的直流电转换为交流电,并入配电网。根据本次设计光伏发电系统总装机容量,综合分析各项指标及安全要求,确定选用30kWh组串式逆变器方式。此型号的光伏并网逆变器支持六路组串检测,可快速定位故障发生位置,有保护功能和发生短路、过载、电网等异常故障时的报警功能,且无谐波污染供电。

  1.4组件排布

  光伏方阵各排、列的布置间距应保证全年包括夏至日和冬至日9:00am-15:00pm内各个方位互不遮挡。间距可由下列公式计算[7]:为减少支架购买费用,将两块光伏组件横向叠加摆放,每个光伏方阵由2行9列,共18块光伏组件串联而成,长17.55m,宽1.984m。取L=1.984m,根据公式(1)计算,方阵间距取D=3.62m。本次设计共65个光伏方阵,5行13列,1170块光伏组件。每行的方阵间隔0.33m,每列的方阵由计算所得的D值再多0.556m过道宽。

  2并网

  2.1并网方式

  并网光伏发电系统主要由光伏方阵、逆变器及输配电系统三大部分组成,根据本光伏电场规划容量,本次设计将光伏组件串联组成光伏方阵,然后与逆变器连接,所发电量通过逆变、低压交流汇流接入配电系统,实现400V低压并网接入。之后通过升压变压器将电压升至10kV,再经过线路接入变电站10kV的母线其他配电设施上。

  2.2部分电气设备的选择

  2.2.1汇流箱的选择

  汇流箱在光伏发电系统中负责有序汇合光伏组件产生的电流。它能保证在光伏系统维护、检查时方便切断电路以及当光伏系统发生故障时缩小被影响的范围。本文采用组串式逆变器,为了减少逆变器后端的电缆接线、提高系统的可靠性和易维护性,设计选择上海新驰SHLX-AC8交流汇流箱。

  2.2.2并网柜的选择

  并网柜是连接光伏电站和低压母线的配电装置,负责分离光伏系统和母线,使电能更安全地接入电网。对于低压并网的光伏发电系统,本设计还需增加光参考计量及一定的保护功能。光伏并网柜作为光伏发电系统的电流总出口,必不可少。本设计选择爱斯凯最大功率500kW交流并网柜,尺寸800×2200×800mm。

  2.2.3蓄电池的选择

  该设计要求配备合适容量的储能装置,即蓄电池,并能够向负载提供持续稳定的电力。容量可由下面计算公式得到:CC=DFP0UKa(4)式中最长无日照期间用电时数D=240h,储能电池放电效率修正系数F=1.05,平均负荷容量P0=0.13kW,储能电池的放电深度U=0.7,逆变器等交流回路的损耗率Ka=0.8。

  可得CC=60kWh,继而可计算出需要50块蓄电池(12V,100Ah)。由于蓄电池和低压母线不能直接连接,本文中连接蓄电池的装置选择PCS储能逆变器,多用于储能,可进行双向逆变,是一种具有特殊功能并网逆变器。当电能充足时,通过PCS将电能存储于蓄电池;当电能不足时,将存储的电能通过PCS供应母线。

  3经济效益

  3.1屋顶光伏站的优势

  目前国内光伏产业逐渐成熟完整,光伏发电系统的安装成本随光伏组件和逆变器价格的下降而下降。屋顶光伏发电能很好地顺应光伏产业发展大潮流,实现电能自产自销、自产自用,很大程度上节约用电成本,且获得投资收益。

  3.2光伏发电量的计算

  3.2.1发电量收益

  本次设计在屋顶安装光伏容量350kWp,场地总面积约6125平方米,尺寸24.5m×250m,场址位于扬州市,本光伏电站为工厂自建。系统发电量由下面公式计算得到:

1

      H=Q1000W/m2(5)L=W×H×η(6)式中,L是光伏电站年发电量,Q是倾斜面年总辐射量,W是光伏电站装机容量,η是光伏电站系统总效率,H是峰值小时数。因此,可得首年发电量L=350kWp×4.3h×365×80%=42.92万kWh(7)考虑到光伏电站10年衰减10%,25年衰减20%,25年平均的年发电量约为38.6万kWh。江苏省最新的光伏上网电价调整为0.75元/kWh,若电站每年的电量全部上网,每年平均可获收益约为29万元。

  3.2.2电站成本

  主要电气设备数量及价格如表1所示。此外,通信和监控系统设备费用约为10万元;建筑工程方面有屋面处理、基础安装及接地工作、电缆敷设、并网接入、设备运输及仓储等需花费约45万元;其他屋面租用、勘察设计、建造管理等费用约20万元。另外,设备安装及场地建造的人工费用约30万元。电站总成本约为285万元,若每年正常运作发电,约9年收回成本,后期即可获益。

表1

  4结束语

  本文对屋顶光伏发电的基础部件、电气设备进行选择,同时系统分析了光伏发电系统的社会经济收益。当然,建造光伏系统中的细节还有所欠缺,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,怎样减少成本,让利益最大化等等,都是今后需要努力的地方。

  参考文献:

  [1]王聪,代蓓蓓,于佳玉,等.太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[J].硅酸盐学报,2017,45(11):1555-1568.

  [2]JiangY,ShenH,PuT,etal.Highefficiencymulti-crystallinesiliconsolarcellwithinvertedpyramidnanostructure[J].SolarEnergy,2017,142:91-96.

  [3]P.Bellanger,M.Traoré,B.S.Sunil,A.Ulyashin,C.Leuvrey,C.Maurice,S.Roques,A.Slaoui.Polycrystallinesiliconfilmsob-tainedbycrystallizationofamorphoussilicononaluminiumbasedsubstratesforphotovoltaicapplications[J].ThinSolidFilms,2017,636(8):150-157.

  [4]肖文波,吴华明,傅建平,等.光强和温度对硅光伏电池输出特性的影响[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017,45(01):108-112.

  [5]JiHoonKim,KookJooMoon,JongManKim,etal.Effectsofvariouslight-intensityandtemperatureenvironmentsonthepho-tovoltaicperformanceofdye-sensitizedsolarcells[J].SolarEner-gy,2015,113:251-257.

  [6]GB50797-2012.光伏发电站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2012.

  [7]段培明,许美娜,柳杨雨,等.屋顶分布式光伏发电设计分析[J].科技与创新,2017(24):108-109.

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