新能源作业.docx
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新能源作业
光伏建筑一体化设计可行性研究
为适应逐步发展的经济社会对用电的需求，充分利用地区及其丰富的太阳能资源，开发利用地区屋顶现有建筑进行光伏发电，同时，构建就地发电、就地使用、依存电网、动态平衡、智能调控这一发变供电模式，构建光伏厂房建筑光伏发电系统，探索光伏发电损耗最小化路径，优化能源供给模式具有独特的示范作用和显著的应用优势。
基于光伏组件屋顶，布置区域分布的太阳能电池方阵，采集太阳能发电。
地区建筑内预留配电室，将电池方阵汇流后接入配电室内低压防雷配电柜，后接入逆变器。
逆变器输出400V，通过电缆接入就近配电室低压配电柜内。
接入点配置自动保护装置。
以最大利用太阳能资源为目标，为今后大规模太阳能光电厂房建筑的设计内容和设计模式都提供了有益借鉴，具有积极地示范作用。
依附于光伏组件生产厂房，屋顶至厂房配电室建筑预设穿线钢管，屋顶按照太阳能组件支架安装要求进行钢结构设计，以便与屋顶之间连接固定，楼内外直埋电力电缆和通信控制电缆随土建同步施工，按照设计要求提前预埋，并做好电缆标记，建筑物接地与电力系统接地随土建同期进行，分开布置。
电缆沟、防火墙、电缆支架随土建同期进行，并作好接地处理。
一、光伏系统采用400V并网系统。
400V太阳能光伏并网发电系统分别由光伏组件子系统、直流监测配电系统、并网逆变器系统等组成，各子系统整合以后，以400V三相交流电接至本配电室低压配电柜。
根据工程实际情况，石河子地区屋顶258.5kWp分成2个100kWp系统和1个50kWp的系统；地区屋顶244.4kWp分成2个100kWp系统和1个50kWp的系统，并网逆变器采用输出功率为100kW与50kW的逆变器。
共用235Wp太阳能板1040块，每20块一串，共计52串，石河子地区共用235Wp太阳能板1100块，每20块一串，共计55串，石河子与钟家庄均采用8路输入的汇流箱，每8串电池组件并联接入汇流箱,经汇流箱并联接入直流防雷配电柜，再接入逆变器。
二、离网/并网系统设计
（1）光伏并网发电对电网的影响
由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定性差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大。
1）昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。
由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。
2）降耗问题。
光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。
由于光伏并网发电增加了发电厂发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用机组或热备用机组损失的能量。
光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。
三、并网技术问题
系统电压波动：
太阳能光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。
因此，除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。
根据《电网若干技术原则的规定》，低压400V电压允许偏差值的范围均是+7%～－7%。
现按此标准来计算太阳能光伏发电系统突然切机对系统电压的影响。
谐波：
太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，并入电网。
在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中，会产生大量谐波。
光伏并网发电系统采用并网型逆变器将直流逆变为400V交流。
并网型逆变器逆变后总电压波形畸变率在3.0%～4.0%，基本上能满足国家标准规定。
但是，由于其逆变后总电压波形畸变率本身已接近限值4.0%，并网时与系统接入点的背景谐波叠加后，有可能超过其限值，因此并网时还需进行实际检测。
对于注入公共连接点的谐波电流允许值的规定，由于太阳能光伏发电系统的输出功率比较不稳定，实际注入公共连接点的谐波电流需在发电装置并网时按规定测量方法进行测量。
因此，太阳能光伏发电系统实际并网时需检测其谐波电压、电流是否满足国家标准，如不满足，需采取加装滤波装置等相应措施，滤波装置可与无功补偿装置配合安装。
无功平衡：
太阳能光伏发电系统所发电力功率因数较高，约在0.98以上，基本上为纯有功输出。
根据《电网若干技术原则的规定》，为满足无功补偿按分层分区和就地平衡的原则，太阳能光伏发电系统接入的变电所配置适当的无功补偿装置，以满足电网对无功的要求，提高电压质量，降低线损。
本项目工厂已设计无功补偿设备，故光伏发电项目不另增加相关设计。
短路电流问题：
并网系统一般装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，系统发生故障时，由于逆变器提供的短路电流不会超过1.1倍额定电流，所以对电力系统影响很小，可以忽略不计。
四、并网方案
根据国家金太阳工程电力接入要求太阳能所发电能直接接入用户侧电网，多余电能允许上网的原则，计量方法如下：
企业所用光伏发电量=光伏电站发电表计量电量-双向计量表中的逆流上网电量
五、设备选型
（1）电池组件
光伏发电系统通过将大量的同规格、同特性的太阳能电池组件，经过若干电池组件串联成一串以达到逆变器额定输入电压，再将这样的若干串电池板并联达到系统预定的额定功率。
这些设备数量众多，为了避免它们之间的相互遮挡和维护方便，须按一定的间距进行布置，构成一个方阵，这个方阵称之为光伏发电方阵。
其中由同规格、同特性的若干太阳能电池组件串联构成的一个回路是一个基本阵列单元。
每个光伏发电方阵包括预定功率的电池组件、逆变器和低压配电室配电箱等组成。
若干个光伏发电方阵通过电气系统的连接共同组成一个光伏系统。
（1）太阳能电池分类
目前太阳电池按基体材料主要分为：
（1）硅太阳电池：
主要包括主要包括单晶硅（SingleCrystaline-Si）电池、多晶硅（Polycrystaline-Si）电池、非晶硅（Amorphous-Si）电池、微晶硅（μc-Si）电池以及HIT电池等。
（2）化合物半导体太阳电池：
主要包括单晶化合物电池如砷化镓（GaAs）电池、多晶化合物电池如铜铟镓硒（CIGS）电池、碲化镉（CdTe）电池等、氧化物半导体电池如Cr2O3和Fe2O3等。
（3）有机半导体太阳电池：
其中有机半导体主要有分子晶体、电荷转移络合物、高聚物三类。
（4）薄膜太阳电池：
主要有非晶硅薄膜电池（α-Si）、多晶硅薄膜电池、化合物半导体薄膜电池、纳米晶薄膜电池等。
目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶硅体材料制造的，随着晶硅体太阳电池生产能力和建设投资力度的不断增长，一些大型新建、扩建的项目也陆续启动。
我国的太阳能光伏发电产业发展迅猛。
目前我国共有500多家光伏企业和研发单位，年生产太阳能光伏电池组件已达3000MWp左右。
（2）太阳电池性能技术比较
结合目前国内太阳电池市场的产业现状和产能情况，选取目前市场上主流太阳电池（即晶体硅电池和非晶硅薄膜电池）进行技术性能比较。
（1）晶体硅太阳电池
单晶硅电池是发展最早，工艺技术也最为成熟的太阳电池，也是大规模生产的硅基太阳电池中，效率最高的电池，目前规模化生产的商用电池效率在14%~20%，曾经长期占领最大的市场份额；规模化生产的商用多晶硅电池的转换效率目前在13%~15%，略低于单晶硅电池的水平。
和单晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是生产成本也较单晶硅太阳电池低，具有节约能源，节省硅原料的特点，易达到工艺成本和效率的平衡，目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电池。
晶体硅类太阳电池在二十一世纪的前20年内仍将是居主导地位的光伏器件，并将不断向效率跟高、成本更低的方向发展。
（2）非晶硅薄膜电池（α-Si）
薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。
在薄膜类电池中，非晶薄膜电池所占市场份额最大。
其主要具有如下特点：
用材少，制造工艺简单，可连续大面积自动化批量生产，制造成本低；
制造过程消耗电力少，能量偿还时间短；
基板种类可选择；
弱光效应好，温度系数低，发电量多；
售价较低。
目前约比晶体硅电池售价低1/3-1/2。
紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标，世界各国均在进行各种新型太阳电池的研究开发工作。
目前，晶硅类高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳电池研究开发的两大热点和重点。
已进行商业化应用的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池主要特性如表3-1所示。
表3-1主要商用太阳电池特性表
电池种类
晶硅类
薄膜类
单晶硅
多晶硅
非晶硅
碲化镉
铜铟镓硒
商用效率
14%～20%
13%～15%
5%～9%
5%～8%
5%～8%
实验室效率
24%
20.30%
12.80%
16.40%
19.50%
使用寿命
25年
25年
25年
25年
25年
组件层厚度
厚层
厚层
薄层
薄层
薄层
规模生产
已形成
已形成
已形成
已形成
已证明可行
环境问题
中性
中性
中性
有（使用镉）
除使用镉外为中性
能量偿还时间
2～3年
2～3年
1～2年
1～2年
1～2年
主要原材料
中
中
丰富
镉和碲化物都是稀有金属
铟是昂贵的稀有金属
生产成本
高
较高
较低
相对较低
相对较低
主要优点
效率高
效率较高
弱光效应好
弱光效应好
弱光效应好
技术成熟
技术成熟
成本较低
成本相对较低
成本相对较低
根据上表可知，晶硅类太阳能电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，北广泛应用于大型并网光伏电站项目。
非晶硅薄膜太阳能电池尽管转化效率较低、占地面积较大，但其成本亦较晶硅电池低，且在弱光条件下性能好于晶硅类太阳能电池。
因此，其在兆瓦级太阳能光伏电站的应用中具备一定的竞争力。
两种晶硅电池最大的差别是单晶硅的光电转化效率略高于多晶硅电池，也就是相同功率的电池组件，单晶硅电池组件的面积小于多晶硅电池组件的面积。
两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，若仅考虑技术性能，再工程实际应用过程中，无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。
非晶硅薄膜电池与晶硅电池相比，制造工艺相对简单、成本低、不需要高温过程、能源消耗少、单片面积大、组装简单、易于大规模生产等特点，其所占的市场份额组件增加。
但目前相对效率较低、稳定性不佳，考虑到工程场址区的气候特点，同时由于非晶硅薄膜电池自身封装特点，其顶电极与背电极距离较近，在电池互联处容易发生电池短路情况；另外针孔及电池材料的腐蚀或损坏的区域也可能会导致短路概率更大。
在技术性能上考虑，非晶硅薄膜电池有一定的优势，但产品稳定性和适应性方面目前缺点相对明显，需要更多实际工程的检验。
（3）太阳电池类型的确定
石河子地处中亚腹地，属典型大陆性气候。
夏季酷热，冬季严寒，采暖期155天。
日照时间长，热量较丰富。
年平均无霜冻期173天，最大年平均降水量：
160.9㎜，年均气温6.7度，极端高温42.1度，极端低温42.3度。
本项目工程代表年太阳总辐射量为5279.1MJ/m²，年日照时数为2935h。
从太阳辐照特征和环境条件的角度来说，本工程场址区内各种类型的太阳电池均可应用，但在具体应用时应进行合理的系统设计，以达到最佳运行效果。
对市场上所占份额最大的两类电池（晶硅太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池）的技术经济进行综合比较后，考虑到晶硅电池成熟度较高，效率稳定，国内外均有交大规模应用的实例，太阳电池市场占有率最大，目前市场多晶硅电池价格相对又有所下降，趋于合理。
故本工程推荐全部选用多晶硅电池组件。
表3-2235W电池板主要技术参数表
名称
参数
标准测试条件下峰值功率（Wp）
235
最佳工作电流（A）
8.0
最佳工作电压（V）
29.2
短路电流（A）
8.4
开路电压（V）
36.7
工作温度（℃）
-40～+85
最大系统电压（V）
1000
组件效率
14.40%
短路电流温度系数（%/℃）
（0.065±0.015）
开路电压温度系统（%/℃）
-（0.36±0.05）
峰值功率温度系统（%/℃）
-（0.5±0.05）
组件尺寸（mm）
1631×1000×50
重量（kg）
19.4
注：
上述组件功率标称在标准测试条件（STC）下：
1000W/m2、太阳电池温度25℃
本工程电池组件数量的确定如下：
电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、开路电压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压的影响来分析：
电池组件组合计算如下：
计算公式：
N≤Vdcmax/Voc×96％
N≥Vdcmin/Vmp×96％
式中：
Vdcmax——逆变器绝对最大输入电压；
Vdcmin——逆变器绝对最小输入电压；
Voc——电池组件开路电压；
Vmp——电池组件最佳工作电压。
经计算：
得出串联光伏电池数量N为：
17≤N≤25。
根据运行经验及工作环境等因素，现分析18组串、19组串、20组串、21组串、22组串如下：
组件串联数量
开路电压（V）
工作电压（V）
18
660.6
525.6
19
697.3
554.8
20
734
584
21
770.7
613.2
22
807.4
642.4
本工程根据逆变器最佳输入电压以及电池板工作环境等因素进行修正后，最终确定太阳能电池组件的串联组数为20（串）。
（4）太阳能电池组件的计算
为了使光伏方阵表面接收到更多太阳能量，电池组件应该倾斜安装，对于该项目来说，由于所产生的电能全部为农八师钟家庄所利用，因此只要使组件面上全年接收到最大辐射量即可。
根据建站地区纬度，并网太阳能系统的太阳能板倾角按30度考虑。
本工程中每20块电池组件组成一串，每串电池板的输出功率为4700Wp，输出电压为584V。
钟家庄可以布置太阳能电池板的建筑总共有7个，其装机容量为244.4kWp。
现就当倾角为30度时钟家庄实际装机容量分析如下：
由于可装机功率是244.4kW，故选用两台100kW的逆变器和一台50kW的逆变器。
100kW逆变器串联组总数为100,000÷4700≈21.3，考虑到电池组件的布置受地区建筑面积的限制，故100kW逆变器的串联总数取21串，100kW逆变器共需要3个8路输入的汇流箱，其中三个汇流箱均为7路输入，组件数量为20×21=420块。
容量为44.4kW时串联组总数为44,400÷4700≈9.5，考虑到实际建筑面积取串联组数为10串，考虑到汇流箱为8路输入，50kW逆变器共需要两个8路输入的汇流箱，每个汇流箱均为5路输入，电池组件数量为20×10=200块；
钟家庄地区的实际装机容量计算如下为：
电池组件数量为：
420×2+200=1040块；
实际装机容量为：
235×1040=244.4kWp
布置太阳能电池板的建筑总共有3个，其可装机容量为258.50kWp。
现就当倾角为30度时实际装机容量分析如下：
由于可装机功率是258.5kW，故选用两台100kW的逆变器和一台50kW的逆变器。
其中100kW逆变器串联组总数为21串，需用3个8路输入的汇流箱，其中三个汇流箱均为7路输入，组件数量为20×21=420块。
容量为58.5kW时串联组总数为58,500÷4700≈12.5，考虑到屋顶的实际面积，串联组数取13串,50kW逆变器共需要两个8路输入的汇流箱，一个汇流箱为6路输入，另一个汇流箱为7路输入，电池组件数量为20×13=260块；
实际装机容量计算如下为：
电池组件数量为：
420×2+260=1100块；
实际装机容量为：
235×1100=258.5kWp
实际装机容量、使用电池板、汇流箱的数量如下表：
类别
地区名称
使用电板数量（块）
汇流箱数量（个）
实际装机容量（kWp）
逆变器数量（个）
直流配电柜数量（个）
石河子区
1100
8
258.5
3
3
钟家庄区
1040
8
244.4
3
3
合计
2140
16
502.9
6
6
（5）并网逆变器
合理的逆变器配置方案和合理的电气一次主接线对于提高太阳能光伏系统发电效率，减少运行损耗，降低光伏并网电站运营费用以及缩短电站建设周期和经济成本的回收期具有重要的意义，合理的电气一次主接线可以简化保护配置、减少线路损耗、提高运行可靠性。
逆变器参照某厂家资料，其特性参数特性如下。
输出功率为100kW的逆变器的主要技术参数
输入数据（直流侧）
参数描述
参考值
最大直流电压
900Vdc
启动电压
470V
满载MPPT电压范围
450V～820V
最低电压
450V
最大直流功率
110kWp
最大输入电流
250A
隔离变压器
有
输出数据（电网侧）
额定输出功率
100kW
最大交流输出电流
158A
额定电网电压
400Vac
允许电网电压范围（三相）
310～450Vac
额定电网频率
50Hz/60Hz
允许电网频率
47～51.5Hz/57～61.5Hz
总电流波形畸变率
<3%（额定功率）
直流电流分量
<0.5%（额定输出电流）
功率因数
0.95（超前）～0.95（滞后）
系统数据
最大效率
97%
欧洲效率
96.4%
防护等级
IP20
夜间自耗电
<30W
允许环境温度
-25℃～＋55℃
冷却方式
风冷
允许相对湿度
0～95%（无冷凝）
允许最高海拔
6000m
输出功率为50kW的逆变器的主要技术参数
输入数据（直流侧）
参数描述
参考值
最大直流电压
900Vdc
启动电压
470V
满载MPPT电压范围
450V～820V
最低电压
450V
最大直流功率
55kWp
最大输入电流
130A
隔离变压器
有
输出数据（电网侧）
额定输出功率
50kW
最大交流输出电流
80A
额定电网电压
400Vac
允许电网电压范围（三相）
310～450Vac
额定电网频率
50Hz/60Hz
允许电网频率
47～51.5Hz/57～61.5Hz
总电流波形畸变率
<3%（额定功率）
直流电流分量
<0.5%（额定输出电流）
功率因数
0.95（超前）～0.95（滞后）
系统数据
最大效率
96.3%
欧洲效率
95.3%
防护等级
IP20
夜间自耗电
20W
允许环境温度
-25℃～＋55℃
冷却方式
风冷
允许相对湿度
0～95%（无冷凝）
允许最高海拔
2000m
（6）电缆
系统中电缆的选择主要考虑如下因素：
电缆的绝缘性能；
电缆的耐热阻燃性能；
电缆的防潮，防光；
电缆的敷设方式；
电缆芯的类型（铜芯）；
电缆的大小规格。
光伏系统中不同的部件之间的连接，因为环境和要求的不同，选择的电缆也不相同。
以下分别列出不同连接部分的技术要求：
组件与组件之间的连接：
必须进行UL测试，耐热90℃，防酸，防化学物质，防潮，防曝晒。
方阵内部和方阵之间的连接：
可以露天或者埋在地下，要求防潮、防曝晒。
建议穿管安装，导管必须耐热90℃。
逆变器之间的接线：
可以使用通过UL测试的多股软线，或者使用通过UL测试的电焊机电缆。
室内接线（环境干燥）：
可以使用较短的直流连线。
电缆大小规格设计，必须遵循以下原则：
室内设备的短距离直流连接，选取电缆的额定电流为计算电缆连续电流的1倍。
交流负载的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1倍。
逆变器的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.25倍。
方阵内部和方阵之间的连接，选取的电缆额定电流为计算所得电缆中最大连续电流的1.56倍。
考虑温度对电缆的性能的影响。
考虑电压降不要超过2％。
适当的电缆尺径选取基于两个因素，电流强度与电路电压损失。
线损=电流×电路总线长×线缆电压因子
六、节能量计算
光伏发电是将太阳能直接转化为电能的过程，生产过程不产生任何有害物质及噪声，因此示范电站的建设和运行对周围环境无不利影响。
钟家庄区电站建成后预计每年可为电网提供电量321501.54kw.h，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤102.88t（以平均标准煤煤耗为320g/kW.h计），相应每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化碳（C02）约0.03万t,二氧化硫（S02）约0.87t，氮氧化物（N0X）约0.76t；
石河子区电站建成后预计每年可为电网提供电量330882.46kw.h，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤105.88t（以平均标准煤煤耗为320g/kW.h计），相应每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化碳（C02）约0.03万t,二氧化硫（S02）约0.90t，氮氧化物（N0X）约0.78t；
光伏发电是环境效益最好的电源之一，是我国鼓励和支持开发的可持续发展的新能源。
示范电站的建设代替燃煤电站的建设，将减少对周围环境的污染，并起到利用清洁可再生资源、节约不可再生的化石能源、减少污染及保护生态环境的作用，具有明显的社会效益和环境效益。
七、社会环境效益分析
太阳能是一种可再生的清洁能源，其节能效益、环境效益和社会效益均十分显著。
太阳能光伏发电工程作为一种清洁能源项目，属可再生能源开发工程，符合国家产业政策，同时满足社会的可持续发展，环境效益、社会效益显著。
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