太陽能光伏建筑一體化電站設計

范文升1張宇2
（1. 淄博市規劃設計研究院 山東淄博255000
2.安科瑞電氣股份有限公司  上海201801）

摘要：光伏發電項目作為新能源的代表，是我國可持續發展能源戰略規劃，光伏建筑一體化同時對推進太陽能利用及光伏電池組件產業的發展進程具有非常重大的示范意義，可充分促進光伏行業的發展，大規模帶動就業，其經濟、環保等效益顯著。以實際項目工程為例簡要介紹了整套光伏電站的系統組成，對光伏電站的發電量和經濟效益進行分析，同時對項目風險進行了分析。
關鍵詞：光伏發電；光伏系統；項目發電量；項目收益分析

1.引言
   光伏建筑一體化是應用太陽能發電的一種新概念，簡而言之，就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。光伏電池組件與建筑物完美結合，所發電能并入電網，節約資源并能獲得經濟效益，而且光伏電站投資省、見效快、運行成本低、資金風險小。
   本設計項目是利用江陰某工廠辦公樓空閑屋頂建設屋頂太陽能光電建筑項目。依據最先進的光伏建筑一體化的技術，將太陽能發電站與建筑本身完美地結合在一起。
   項目總的裝機容量為66.3kWp（即光伏電站電池組件的峰值功率），采用的是高效的多晶硅組件電池板,使用壽命在25年以上；光伏系統所發的電全部并入最近的400V變電站，并網使用（配置雙向計量電表）。
   項目實際裝機容量為66.3kWp，25年均發電量為6.33萬度電，年均節約標準煤24.64噸，年CO2節排8.84噸。
2.項目概述
2.1地理位置
   江陰市位于北緯31°、東經120°附近，屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，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。一年中太陽輻射月總量以7月和8月最多，分別為13.5千卡/平方厘米和13.7千卡/平方厘米；12月和1月最少，均為6.3千卡/平方厘米。
2.2 建筑類型和電站規模
   本設計項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、南側均無明顯高大的近距離建筑物遮擋，屋面載重符合要求，完全可以在屋頂架設太陽能光伏組件。
   根據客戶提供的相關圖紙和實地勘察，其廠房屋頂上建設分布式光伏電站可安裝總容量為66.3kWp。
3.技術方案設計
3.1系統構成

圖1 并網點光伏電站系統原理構架

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不同，現場光伏組件以25度左右的傾角安裝在水泥屋頂上。
3.3系統主要元器件
   光伏并網發電系統由太陽電池組件、組串式光伏并網逆變器、交流匯流箱、交流并網柜和系統的通訊監控裝置組成。
   66.3kWp并網光伏發電站主要組成如下：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；光伏并網逆變器采用3臺逆變器；交流匯流箱采用1臺AZX-H匯流箱；交流并網柜采用一臺AZG-B并網柜；系統的通訊監控裝置設計采用光伏電站綜合監控系統。
3.3.1 組件
   根據總裝機容量和各區屋面實際情況本期光伏電站為66.3kWp，應該選取260塊255WP組件。太陽能電池組件應具有非常好的耐侯性，能在室外嚴酷的條件下長期穩定可靠運行，應同時具有高的轉換效率和廉價。選擇優質高效的太陽能電池組件是并網光伏電站可靠運行且提高發電量的關鍵之一。
   本項目組件采用HR-255Wp系列：此款組件外觀勻稱，結構輕巧堅固，具有良好的抗風雪功能。邊框帶流水槽，可防止組件積水，避免邊框結冰爆裂。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系列光伏并網逆變器。ASI系列采用高效率、小型化低頻隔離變壓器設計以及高性能低功耗功率器件，更安全可靠。

   ASI系列光伏并網逆變器參數見表1。
3.3.3交流匯流箱
   在光伏發電系統中，數量龐大的光伏電池組件進行串并組合達到需要的電壓電流值，以使發電效率達到最佳。AZX-H系列智能光伏匯流箱主要作用就是對光伏電池陣列的輸入進行一級匯流，用于減少光電池陣列接入到逆變器的連線，優化系統結構，提高可靠性和可維護性。
3.3.4計量裝置
   計量裝置有供電局提供專用計量，帶通訊功能，需要數據上傳。計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系統的通訊監控裝置
   并網型光伏發電系統監控軟件是安科瑞電氣股份有限公司面向并網光伏發電的遠程監控軟件，它以現場總線技術、以太網技術、無線通訊技術、計算機技術為基礎，采用先進技術開發的監測、控制和管理系統，具有組態功能、控制功能、報警功能、調試診斷、報表及曲線功能，系統拓展方便。該軟件集成光伏發電系統和電能管理系統監控功能，對光伏發電系統進行遠程實時監控、統計分析、歷史事件記錄，同時還可直接將配電監控系統接入，進行集中監控。
   本項目可在辦公室安裝后臺監控系統。通過光伏發電系統監控軟件對太陽能發電系統進行監測、控制和管理。
4.安裝設計
   光伏組件安裝之前，標示好基座預制件的位置，安放好基座預制件。將光伏支架安裝固定在基座預制件上。光伏支架按10級臺風和50年一遇雪載荷要求設計。結合本地的太陽能輻射情況最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。項目采用20塊255W組件接成一串，總計13串光伏組串，其中2臺20KW逆變器各接入4串組件。1臺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作為保護。防止太陽電池板方陣設備遭直接雷擊。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裝置可有效地避免雷擊導致設備的損壞。
   配電房主要實現各種保護和計量、接入變壓器，通過低壓室中的交流配電柜進行并網。配電室應該保持整齊清潔，及良好的通風散熱環境，設備上的灰塵和污物應及時清理。變壓器低壓柜邊增加交流并網柜。交流并網柜母排與變壓器低壓柜母排拼接，柜內安裝一只進線斷路器，用于線路保護。
5.項目發電量及社會效益分析
5.1系統效率
   光伏發電系統效率受很多因素的影響，包括：當地溫度、污染情況、光伏組件安裝傾角、方位角、光伏發電系統年利用率、太陽電池組件轉換效率、周圍障礙物遮光、逆變損失以及光伏電站線損等。將計算方法簡化后，光伏發電并網系統的總效率以下幾個部分組成。
   1）光伏電廠占地面積大，直流側電壓高，電流小，導線有一定的損耗，根據規范本工程此處損耗值按2%設計。
   2）大量的太陽能電池組件之間存在一定的特性差異，不一致性損失系數為3%。
   3）考慮太陽能電池組件表面即使清理仍存在一定的積灰，遮擋損失系數為4%。
   4）光伏并網逆變器轉換效率：光伏并網逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，效率取96%計算。
   5）早晚不可利用太陽能輻射損失系數為4%。
   6）光伏電池的溫度影響系數按1.8%考慮。
   7）并考慮當地氣候變化及各種不利因素的影響，根據經驗此處不可預見因素損失系數為6.8198%。
   8）系統總效率為：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 發電量計算
5.2.1太陽能月輻射量
   根據《中國氣象輻射資料年冊》提供的資料，江蘇地區各月太陽能輻射量資料見表2：

5.2.2年發電量計算
   首年的發電量=裝機容量X輻照量 X系統效率
   以日射量來估算發電量。
   a、光伏陣列效率η1：
   光伏陣列在1000W/m2太陽能輻射強度下，實際的直流輸出功率與標稱功率之比。
   光伏陣列在能量轉換與傳輸過程中的損失包括：① 組件匹配損失：對于精心設計、精心施工的系統，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 偏離最大功率點損失：如溫度的影響、最大功率點跟蹤（MPPT）精度等。取值2-4%；
   ④ 直流線路損失：按有關規定，應小于1-3%。
   取：η1=96%×95%×98%×98%=87.6%
   b、逆變器的轉換效率η2：
   一般并網逆變器效率在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、交流并網效率η3：
   若不經過高壓電網的傳輸，效率可取η3=1
   系統總效率η=η1×η2×η3=87.6%×94%×1=82.3%
   系統第一年發電量（EP）=PAS×HA×η×365
   PAS：太陽光伏陣列容量
   HA：當地平均日射量（kwh/㎡/day）
   η: 系統總效率
   本項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年計算，考慮到光伏電池板及相關部件的損耗，剩下24年按照每年0.8%遞減計算。本工程年平均發電量為6.33萬度,25年總發電量約158.28萬度。
5.2.3  項目產生經濟效益和系統環境效益
   根據上述發電量情況，結合公司的工業用電價格及國家補貼等，本項目在25年的使用周期內，具有可觀的經濟效益，具體為：項目總投資約8元/W，總投資金額約53萬元。按光伏發電的90%自用，10%上網。每年的年總收入為8.61萬元。年投資收益率為16.24%。
   經濟效益方面：根據發電量和投入的建設成本結合實際用電情況、在不考慮電費上漲、設備維護更換等因數的基礎上，預計6.16年左右收回投資成本，25年產生經濟效益約為203.83萬元。
   環境效益方面：根據目前我國發電煤耗為平均390克標煤/度計算。預計25年總節約標煤：158.25萬度×390克/度=616噸標準煤。預計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，具有較大的環境和社會效益。
5.3社會效益
   江陰地區太陽能資源儲量豐富，大力發展太陽能具有顯著的社會效益。不僅可改善能源結構的不合理，增加新能源在電網中的份額。同時能緩解當地電力供需的緊張狀況，帶動當地的勞動就業，對發展當地經濟具有深遠的意義。
6、項目風險分析
   光伏系統主要設備品質優良，其中太陽板壽命25年以上，控制器、逆變器壽命10年以上。并網逆變器和配電系統，具有完善的各類故障與事故的保護功能確保人身與電網和光伏系統的設備安全。系統的設備可以采用焊接、專用螺栓連接，只有專業工具才能打開，可以起到一定的安全和防盜作用。對于電氣安全，因為帶電部位密封，線纜暗敷，關鍵部位帶有警示標識，因此只要安裝操作手冊規范使用，就不會出現其它安全問題。
   本太陽能光伏屋頂系統由專業電力系統專業機構聯合優化設計，具有很高的可靠性和性價比。故光伏屋頂系統穩定可靠，不會對人身及房屋構成任何危險，安全可靠。具體有以下幾點：
   1）屋頂安裝太陽能光伏系統，支撐系構件及基礎有效安裝在承重墻上，同時光伏系統對屋面的承重能力要求較小，由于光伏組件及支撐系統的載荷≤25kg/m2，該建筑屋面鋪設光伏組件完全能滿足該屋面原設計承重要求。
   2）考慮到在屋頂安裝太陽能光伏系統時，對支撐系構件及基礎有效安裝在承重墻上，并對屋面的防水層進行必要的處理，確保在屋頂安裝上太陽能光伏系統，屋面不會出現滲漏等問題。
   3）在屋面安裝光伏組件時，充分考慮和屋檐有足夠的安全距離，確保在安裝、施工及大風天氣的影響，采取有效的防護措施安裝結構，防止組件脫落。
   4）考慮建筑物的整體建筑外觀要求，實現與建筑的有效結合，使其不影響建筑物的整體外觀形象。
7、結語
   本項目工程按選定的地址利用既有廠區辦公樓建筑屋頂，以25度傾角方式架設多晶硅電池組件裝機總容量為66.3kWp。工程動態總投資約為53萬元，25年經濟壽命期內年平均年上網電量約為6.33萬kW2h。
本工程的建設對優化能源結構、保護環境，減少溫室氣體排放、推廣太陽能利用和推進光伏產業發展具有非常積極的示范意義，同時也具備較好的社會和環境效益。
   文章來源：《綠色建筑》2017年3期。