尼泊尔总理府光伏发项目技术方案.docx
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尼泊尔总理府光伏发项目技术方案
尼泊尔总理府分布式光伏发电系统项目
技术方案
中国新时代国际工程公司
二〇一五年十二月
1技术方案设计依据
受中华人民共和国商务部委托，中国新时代国际工程公司组织专家于2014年1月18日至27日赴尼泊尔对援尼泊尔总理府分布式屋顶光伏发电项目进行了实地考察。
根据委托要求，考察重点为：
对光伏储能发电站项目建设的必要性、技术可行性、经济合理性以及对环境的影响等进行综合分析论证，做出可行性研究结论，提出项目是否可行的意见。
受中华人民共和国商务部委托，中国新时代国际工程公司组织专家于2015年12月1日至10日赴尼泊尔对援尼泊尔总理府分布式屋顶光伏发电项目再次进行了实地考察。
考察重点为：
对两次地震中受损的拟建光伏发电系统的建筑物进行结构检测，同时根据结构检测的结果，核减无法继续安装光伏发电系统建筑物的装机容量，同时提出修改方案，以满足该项目1.008MWp的装机容量的要求。
本方案的设计依据为考察单位编制的《尼泊尔总理府分布式光伏发电系统项目可行性考察报告》、《尼泊尔总理府分布式光伏发电系统项目立项建议书》、“尼泊尔总理府分布式光伏发电系统项目可行性考察会谈纪要”、“援尼泊尔总理府分布式光伏发电系统初步方案确认书”及考察组现场收集的其它相关资料。
2尼泊尔地理概况
尼泊尔北临中国，其余三面与印度接壤。
国土面积147,181平方千米。
国境线全长2,400千米。
尼泊尔境内山峦重叠，珠穆朗玛峰（尼泊尔称萨加玛塔峰）位于中尼边界上，地势北高南低，相对高度差之大为世界所罕见。
大部分属丘陵地带，海拔1千米以上的土地占全国总面积的一半。
东、西、北三面群山环绕，因此尼泊尔自古有"山国"之称。
河流多而湍急，大都发源于中国西藏，向南流入印度恒河。
南部是土壤肥沃的冲积平原，分布着茂密的森林和广阔的草原，是尼泊尔重要的经济区。
中部是河谷区，多小山，首都加德满都就坐落在加德满都河谷里。
尼泊尔全国共分为5个发展区（DevelopmentRegion），14个专区（Zone），36个市（Town），75个县（District），3,995个村（VillageDevelopmentCommittee）。
尼泊尔其他主要城市还有博卡拉（Pokhara）、伊拉姆（Ilam）、尼泊尔干吉（NepalGanj）和比尔干吉（Birganj）等。
尼泊尔全国分北部高山、中部温带和南部亚热带三个气候区。
北部冷季最低气温为-41°C，南部夏季最高气温为45°C。
全国在同一时间里，当南部平原上酷热异常的时候，首都加德满都和博卡拉谷地区，依然百花吐艳、春意盎然，而北部山区却是雪花飞舞的寒冬。
3尼泊尔电力系统现状
尼泊尔主要依靠水力发电，但由于水电站建设不足，电力供应仍十分紧张，全国仅40%的人口能用上电。
尤其进入冬季，尼泊尔缺电现象非常严重。
2012年12月至2013年3月，首都加德满都每周停电的时间最多可达近百小时。
尼泊尔水力资源丰富，水电蕴藏量为8,300万千瓦，约占世界水电蕴藏量的2.3%，其中，4,300万千瓦可用于发展水电，但目前已开发比例不足2%。
2010年，尼泊尔能源部发布了一份二十年水电规划，提出到2030年将尼泊尔的发电能力提高到2,500万千瓦。
目前，尼泊尔政府正在计划建设装机容量为140MW的Tanahun水电站，并已与日本协力合作集团、欧洲投资银行签署了软贷款投资协议，亚洲开发银行也承诺将为该项目提供软贷款。
预计该项目2014年开工，2020年建成，总投资约400亿卢比，建成后将是尼泊尔第二大水电站。
2012年2月29日，中国长江三峡集团与尼泊尔能源部签署了关于West-Seti水电站项目的投资开发谅解备忘录（MoU）。
West-Seti水电站项目位于尼泊尔西部的Seti河上，设计装机容量750MW，年平均发电量33.3亿千瓦时，是目前尼泊尔设计装机容量最大的水电站项目。
该项目为拦河坝式可调节水电站，它的建成将极大缓解尼泊尔冬季电力短缺的问题。
2011-2012财年，尼泊尔可用电量共4,178.63GWh，其3,432.56GWh来自国内生产，746.07GWh从印度进口。
根据尼泊尔与印度的协议，每年丰水期电力生产充足的时候，尼泊尔向印度出口一部分电力。
国内发电量中，1,073.57GWh来自私营电力供应商，2,358.99GWh来自国家电网（其中水电2,357.43GWh，热电1.56GWh）。
水电开发仍是尼泊尔重点发展的领域之一。
4太阳能资源
尼泊尔是世界上太阳能较丰富的地区之一，根据尼泊尔政府提供的气象数据资料以及我们借助NASA数据核实，最近25年，加德满都地区年日照时间达2,190小时以上，年平均太阳能总辐射量约6,888.9MJ/㎡，位居世界各国前列。
根据尼方提供的气象条件资料（1981-2012年度），加德满都全年最高平均温度29.2°（8月），全年极端最高温度为32°（6月）；全年最低平均温度10.2°C（1月），全年极端最低温度为0.2°C（1月）。
因此，比较适合建设太阳能光伏发电站和光热发电站。
尼泊尔总理府大院位于尼泊尔首都加德满都坐标地点为：
东经85°19'28″，北纬27°41'52″。
5场址区地质条件
5.1基本工程地质条件
选定拟建光伏电站的建筑基本无建筑结构施工图，屋面情况见下图5-2，屋面平整。
场址区未发现有较大规模断裂通过的迹象，硬化地面无大面积开裂沉降情况。
建筑物场地区地形较平缓，出露地层以耕植土为主。
尼泊尔加德满都总理府区域屋面放置太阳能电池板时，首先已对尼方表明将来有可能影响原建筑立面，尼方表示不用考虑此因素。
其次由于大部分屋面加装太阳能电池板组件较低（1.2m），且组件距屋面边缘1m，以视角45°投影，对原有建筑物立面影响较小，满足尼方要求。
新加太阳能电池板系统未对原有屋面排水系统进行修改，故利用原有建筑屋面排水系统进行雨水排放。
部分现有建筑及其屋面照片见下附图5-1。
总理办公大楼
能源部办公大楼
财政部办公大楼
农业研究署
图5-1部分现有建筑主立面照
图5-2部分现有建筑屋面照片
5.2场地稳定性及适宜初步评价
场地区地形开阔，地震基本烈度为9度，出露地层以砾石层为主，地基土属有砾石土，在抗震地段划分上属抗震有利地段，场地抗震类别为Ⅱ类。
场地地震基本烈度为9度，地基土中无砂土、软弱土分布，不存在砂土地震液化及震陷问题。
场地地下水埋藏较深，地基土渗透性强，地下水对建筑物基础影响小。
场地地形较平坦，无明显的水流侵蚀地貌，地面径流不强烈；地基土主要由砾石土和人工填土渣组成，地基较均匀；场区及附近区域无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象分布，已建建筑未也发现有沉陷、裂缝等地基破坏特征，初步分析认为无影响场地稳定的不良地质体，无发生场地滑移、大变形及破坏的地质条件，属稳定性好的场地。
5.3建筑物屋面工程条件及评价
根据当地尼泊尔结构设计规范采用IndianStandardIS:
875-1987（CODEOFPRACTICEFORDESIGNLOADS（OTHERTHANEARTHQUAKE）FORBUILDINGSANDSTRUCTURES）规范，根据规范《IS:
875（Part2）-1987》第4.1条原有建筑屋面荷载最低荷载考虑值为，均布荷载1.5kN/m2（当为上人屋面），均布荷载0.75kN/m2（当为不上人屋面）。
第一种方案：
屋面压块法，根据太阳能电池板组件国内厂家普遍资料，每平米荷载为0.15～0.20kN/m2（仅组件），屋面支撑和基础重量大概为0.1～0.20kN/m2，总重为0.25～0.4kN/m2。
经对比我国和尼泊尔的建筑结构荷载规范，我国规范要求高于尼泊尔建筑结构荷载规范要求，按照我国的建筑结构荷载规范进行设计计算，按国内建筑结构荷载规范GB50009-2012第5.3.1条文解释中所说，不上人屋面荷载为维修时所考虑的必须荷载。
运行和维护时，不上人屋面均布荷载为0.75kN/m2和上人屋面均布荷载为1.5kN/m2可以满足所需荷载0.25～0.4KN/m2，并且大于我国规范的不上人屋面0.5kN/m2。
光伏电站的建设时要求施工单位进行合理的施工工艺安排，屋面施工和堆积荷载不得大于0.75kN/m2，基本满足原建筑设计时荷载要求。
并且在下一阶段专业考察时再进一步细化核实，复核荷载，如发现不满足荷载要求的屋面位置，采取屋顶加固，加固方案根据现实情况进行选择。
见下图。
第二种方案：
柱头承重支架法，在原有柱头上植筋，做支架，荷载通过柱头传至基础。
因原有建筑屋面承载力满足新加太阳能电池板安装要求。
故不需要再进行建筑物加固。
图5-3屋面压块做法
5.4建筑材料
工程区由于处于尼泊尔首都加德满都市区，可以提供到工程需要的混凝土和钢筋等建筑材料，满足工程需要。
5.5初步结论
（1）工程区在大地构造单元上位于欧亚板块和印度板块的接合处，属地震活动较强的区域。
在《全球地震危险性图》上工程区位于地震危险性较高的地区。
场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.24～0.4cm/s2，相应地震基本烈度为8度～9度。
此次设计以9度为准。
（2）场地地下水埋藏较深，地基土渗透性强，地下水对建筑物基础影响小。
场地地形较平坦，无明显的水流侵蚀地貌，地面径流不强烈；地基土主要由人工填土和耕植土组成，地基较均匀；场区及附近区域无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象分布，已建建筑也未发现有沉陷、裂缝等地基破坏特征。
初步分析认为无影响场地稳定的不良地质体，无发生场地滑移、大变形及破坏的地质条件，属稳定性好的场地。
（请土建专业核该段）
（3）根据规范《IS:
875（Part2）-1987》第4.1条原有建筑屋面荷载最低荷载考虑值为，均布荷载1.5kN/m2（当为上人屋面），均布荷载0.75kN/m2（当为不上人屋面）。
光伏电站的建设时要求施工单位进行合理的施工工艺安排，屋面施工和堆积荷载不得大于0.75kN/m2，基本满足原建筑设计时荷载要求。
并且在第二次考察时通过结构检测，初步结果显示拟加装光伏发电系统的20栋建筑物能够满足荷载要求。
（4）工程区由于处于尼泊尔首都加德满都市区，可以提供到工程需要的混凝土和钢筋等建筑材料，满足工程需要。
6工程任务与规模
6.1工程任务
根据项目所在地的地区经济发展状况及电力等产业的发展规划，结合本工程的自然条件、资源特征、建设条件等，本工程的开发任务以光伏发电为主，实现自发自用、余量上网。
6.2工程规模
根据尼方提供建筑物资料，总理府院区及周边相关政府建筑，共计40座建筑物屋顶可供选择。
经过对40座屋顶的实地现场踏勘，对屋面结构、屋面占用情况、建筑物管理单位对屋面加层计划等信息进行了详细的收集和分析，经评估后，选择的具备安装条件的建筑物为20栋建筑物屋面，供本工程建设总装机容量1.008MW光伏电站项目使用，20栋建筑物均为混凝土结构。
对于斜屋面建筑和地面可能利用的场区，考察后因结构单薄、屋面漏水、有加层计划以及建筑物遮挡等原因，决定予以放弃，并且得到尼方的认同。
尼泊尔总理府分布式1.008MWp分布式光伏发电项目位于加德满都市中心，周围交通便利。
所选场址为总理府及其周边20栋建筑物屋顶，屋面平坦，周围无高建筑或其它遮挡物遮挡。
项目范围内光照充足，面积可满足光伏电站要求。
电站用水由总理府区域水源取得。
施工用电从总理府用电系统取得。
经调查，场地周边政府建筑，无名胜古迹、文物保护区、自然保护区、军事设施及地下矿藏等，工程建设用地符合当地土地使用政策，项目也不会对这些政府建筑造成损害。
本项目由20栋建筑物屋顶组成，在相关建筑物屋顶铺设太阳能光伏组件，本项目装机总容量考虑建筑物屋顶安装面积、当地纬度、太阳能资源条件、安装条件等因素，共装设3,600块280Wp型单晶硅光伏组件，总装机容量为1.008MWp。
根据屋顶的已占用设备情况、建筑物朝向并结合阴影模拟等因素，建筑物屋面采用倾角为30度，方位朝向与建筑物一致为正南偏西12度的组件安装方式。
根据场地实际探勘情况结合尼方提供的建筑物资料，各建筑物安装容量如下：
各建筑物组件布置统计表
序号
建筑物名称
容量（kWp）
逆变器（台）
交流汇流柜数量（面）
并网计量开关柜数量（面）
1
财政部
55.44
2（20kW）
1（15kW）
1
1
2
外事部
65.52
3（20kW）
1（5kW）
1
1
3
能源部
75.6
3（20kW）
1（15kW）
1
1
4
联邦制事务和地方发展部
65.52
3（20kW）
1（5kW）
1
1
5
教育部
70.56
3（20kW）
1（10kW）
1
1
6
科学、技术环境部
126
6（20kW）
1（5kW）
1
1
7
K-3变电所
50.4
2（20kW）
1（10kW）
1
1
8
尼泊尔广播电台
10.08
1（10kW）
1
1
9
地区发展署
50.4
2（20kW）
1（10kW）
1
1
10
保险公司
40.32
2（20kW）
1
1
11
南亚区域中心（现国家农业研究发展基金）
35.28
1（20kW）
1（15kW）
1
1
12
公共服务委员会
50.4
2（20kW）
1（10kW）
1
1
13
财政部计算机控制中心
20.16
1（20kW）
1
1
14
地区邮局
10.08
1（10kW）
1
1
15
妇女儿童中心
25.2
1（15kW）
1（10kW）
1
1
16
国家安全委员会（现国家计划委员会）
60.48
3（20kW）
1
1
17
国家信息技术中心
35.28
1（20kW）
1（15kW）
1
1
18
加德满都地区法院
30.24
1（20kW）
1（10kW）
1
1
19
农业发展银行（含计划部楼、A栋和C栋）
85.68
4（20kW）
1（5kW）
1
1
20
班尼亚银行
45.36
2（20kW）
1（5kW）
1
1
21
合计
1008
41（20kW）
5（15kW）
8（10kW）
5（5kW）
20
20
7光伏系统总体方案设计及发电量计算
7.1设计原则
主要考虑设计原则为：
（1）合理利用建筑物可安装面积；
（2）减少逆变和输电损失；
（3）直流接口部分与方阵和并网逆变器的电气匹配；
（4）电气接线简洁、可靠；
（5）适用标准为中国标准。
7.2光伏并网系统总体方案设计
7.2.1太阳电池组件选型
太阳电池组件的选择主要考虑两个方面：
首先是在技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站自然环境、施工条件、交通运输状况，选用行业内的主流太阳电池组件类型；其次是组件的价格要有经济性。
我们通过综合比选确定最最适合本项目的太阳电池组件为峰值功率为280Wp的单晶硅组件。
原因在于：
晶硅类电池组件分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件。
两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，执行的标准也相同。
在工程实际应用中，2种组件均有应用。
由于本工程建筑物面积有限，考虑到尼方的装机容量需求，本工程选用单晶硅电池组件，经过综合考虑后，采用与多晶硅组件尺寸相近中国产品，峰值功率为280Wp的单晶硅太阳能电池。
7.2.2太阳能电池阵列支架
国内外光伏电站较为成熟的阵列跟踪模式主要类型有固定倾斜面式、水平单轴跟踪式以及双轴跟踪式三种支架。
但是屋顶项目考虑安装、安全、对原建筑物破坏的实际情况均采用固定方式，因此本工程选择固定斜面式支架方案。
为了不破坏原有建筑的防水及保温结构，安装方式为两种安装方案：
第一种压块式，即采用的支架安装方法为在屋顶铺设钢梁，钢梁上安装支架及电池板组件，采用混凝土负重块将其固定。
整个支架结构形成网状连接，即前排与后排通过纵向的底部钢梁相连接，横向也通过底部钢梁相连接，使其成为一体。
底梁放置预制的混凝土负重块为300×300×200mm，负重块压在间隔1.95m的承重梁上，每个交叉点用一块负重块来固定支架结构，每个负重块下有四根立柱支撑，以保证其受力点均布，现有楼面由于排水做成波浪状，所以网状支架下部需要用立柱找平。
立柱下面焊接一块80×80×4mm的铁板增加立柱同防水层接触面，同时防水层和铁板中间加橡胶垫再次保护防水层，立柱尺寸现场加工确定，立柱与主梁可以焊接，焊后做防锈处理。
第二种方案：
柱头承重支架法，在原有柱头上植筋，做支架，荷载通过柱头传至基础。
因原有建筑屋面承载力满足新加太阳能电池板安装要求。
故不需要再进行建筑物加固。
7.2.3逆变器选型
光伏并网逆变器是光伏电站的核心设备之一，其基本功能是将光伏电池组件输出的直流电转换为交流电；此外，它还有自动运行/停止功能、最大功率跟踪控制功能、防孤岛运行功能等。
根据项目现场情况考虑采用户外型逆变器，安装于建筑物屋顶，减少直流损耗。
根据建筑物组件容量的不容，匹配不同功率逆变器，以实现发电最大化。
因此本工程拟采用高效率、户外型国产逆变器，逆变器参数暂按国产5kW、10kW、15kW、20kW户外型逆变器参数进行设计，逆变器参数如下：
输出额定功率
5、10、15、20kW
最大交流电流
33AAC
最高转换效率
98%
欧洲效率
97.3%
最大开路电压
1000VDC
最大功率跟踪（MPP）范围
480VDC-800VDC
最大直流输入电流
42ADC
交流输出电压范围
310~450VAC
输出频率范围
50Hz
允许电网频率范围
45Hz~55Hz
待机功耗/夜间功耗
<1W
输出电流总谐波畸变率
<3%
功率因数可调范围
0.9（超前）~0.9（滞后）
隔离变压器（有/无）
无
接地点故障检测（有/无）
有
过载保护（有/无）
有
反极性保护（有/无）
有
过电压保护（有/无）
有
其它保护
交流欠压、超频、高温及交流和直流过流保护，防孤岛效应，浪涌保护等
工作环境温度范围
-25℃到65℃
相对湿度
95%无冷凝
满功率运行的最高海拔高度
2000m
防护类型/防护等级
IP65
散热方式
温控强制风冷
重量
55kg
机械尺寸（宽×高×深）
648×686×246mm
7.3太阳能电池方阵设计
7.3.1太阳能电池倾角的选择
本工程尼方虽然提供太阳能辐射数据但不详实，我们以往光资源分析均采用NASA气象数据，因此对本工程采用NASA卫星气象数据并结合PVSyst5.71进行测算。
根据建筑物朝向和建筑场地实际布置考虑，光伏组件方位朝向与建筑物一致为正南偏西12度的组件安装方式。
光伏组件请教不同角度上全年辐射量如下：
当地不同倾角接受的辐射量
倾角角度（°）
斜面上的年辐射量（kWh/m2）
27
2,154
28
2,156
29
2,157
30
2,158
31
2,158
32
2,518
33
2,157
34
2,156
根据计算比较，并综合考虑组件前后间距的需求，本项目采用光伏组件方位朝向与建筑物一致为正南偏西12度方向布置，倾斜角为30°。
7.3.2太阳能电池方阵布置
组件的电参数均是在标准测试条件下的数值，即1,000W/m2、电池片温度25℃和AM1.5。
太阳电池组件的输出功率呈负温度特性。
当温度升高时，电压下降、电流升高、功率下降；在温度降低时，电压升高、电流下降、功率升高。
在夏季气温高的时候，由于组件工作电压Vmppt下降，如果组串的串联数量偏少，会造成组串串联的工作电压低于并网逆变器MPPT电压的最低限值，造成逆变器低压保护不能发电。
在冬季气温低的时候，由于组件开路电压Voc升高，如果组串的串联数量偏多，会造成组串串联的工作电压高于并网逆变器直流输入端电压的最高限值，造成逆变器高压保护不能发电。
在设计组串串联数量N时，需要考虑下面两组数值：
考虑场址极端最高气温Tmax及逆变器直流侧最低MPPT电压值Vmin
计算公式：
N1＝Vmin/（Vmppt×（1-（25-（Tmax+30））×β））
计算公式：
N2＝Vmax/（Voc×（1-（25-Tmin）×β））
组串数N取值
计算公式：
N＝（N1＋N2）/2取值
根据尼泊尔总理府区域所在地的气象资料，特别是历史上的极端最高气温和极端最低气温，经计算得出：
组串在17-19个之间，均满足要求。
综合PVSYS5.71软件模拟、逆变器输入电压、安装布置等多方面因素考虑，确定单晶硅280Wp的组串方式为18块组件为1路组串。
7.3.3太阳能电池间距设计
尼泊尔总理府大厦屋顶组件间距设计。
方阵间距根据下面的公式计算：
D=cosA×H/tan[sin-1（sinφsin+cosφcoscosh）]
式中：
D——遮挡物与阵列的间距，m；
H——遮挡物与可能被遮挡组件底边的高度差，m；
φ——当地纬度，deg；
A——太阳方位角，deg；
h——时角，deg；
——太阳赤纬角，deg
根据该公式计算，取方阵中心点南北间距2m。
使用PVSYST5.71软件进行阴影模拟，结果间距取为2m，主要发电时间基本无遮挡，如图
图7-1尼泊尔总理府大楼屋顶阴影模拟示意图
7.3.4太阳能电池布置设计
屋顶光伏组件的布局如下图：
图7-255.44kWp财政部屋顶布局图
图7-365.52kWp外事部屋顶布局图
图7-475.6kWp能源部屋顶布局图
图7-565.52kWp联邦制事务和地方发展部屋顶布局图
图7-670.56kWp教育部屋顶布局图
图7-7126kWp科技环境部屋顶布局图
图7-850.4kWpK3变电站屋顶布局图
图7-910.08kWp尼泊尔广播电台屋顶布局图
图7-1050.4kWp地区发展署屋顶布局图
图7-1140.32kWp保险公司屋顶布局图
图7-1235.28kWp南亚区域中心屋顶布局图
图7-1350.4kWp公共服务委员会屋顶布局图
图7-1420.16kWp财政部计算机控制中心屋顶布局图
图7-1510.08kWp地区邮局屋顶布局图
图7-1625.2kWp妇女、儿童及社会福利部屋顶布局图
图7-1760.48kWp国家安全委员会屋顶布局图
图7-1835.28kWp国家信息技术中心屋顶布局图
图7-1930.24kWp加德满都地区法院屋顶布局图
图7-2085.68kWp农业发展银行屋顶布局图
图7-2145.36kWp班尼亚银行屋顶布局图
以上共20个建筑物屋顶，单体建筑物的北侧根据现场情况计划屋顶南侧为30°倾角固定支架横向单排布置，南侧部分区域搭建30°倾角钢架在钢架上方横向铺设光伏组件。
合计由200个组串构成，每串18个组件，共有3,600块组件组成。
7.4发电量计算
7.4.1光伏阵列第一年理论发电量
利用PVSYST软件模拟，可以得到固定阵列22.4kWp在投产后的发电量测算结果如下：
图7-2222.4kWp系统发
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