南通紫琅学院光伏发电项目技术方案.docx
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南通紫琅学院光伏发电项目技术方案
一、概况
1.1、项目概况
本项目计划在南通市紫琅职业技术学院内建设分布式并网光伏发电站，系统安装在教学楼屋顶，总装机容量为50KW,安装面积500㎡，预计项目总投资为106万元，建成后年均发电量在6万度以上，年光伏发电量将超过该栋教学楼全年用电量的70%。
紫琅职业技术学院是2000年6月经江苏省人民政府批准创建、教育部备案、由江苏省教育厅直属教育发展投资中心与江苏江海科教开发有限公司共同举办的全日制民办普通高等职业院校，是江苏省第一批民办事业单位法人高校。
学院座落于风景秀丽、经济发达的我国首批14个对外开放沿海城市——南通。
学院占地693亩，建筑面积21万平方米。
1.2、项目提出的背景
太阳能作为一种重要的可再生能源，其开发和利用已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。
国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。
这是因为光伏发电有无可比拟的优点 ：
·充分的清洁性；
·绝对的安全性；
·相对的广泛性；
·确实的长寿命和免维护性；
·初步的实用性；
·资源的充足性及潜在的经济性等。
世界不少发达国家在可再生能源规划中，均重点考虑太阳能电池发电。
美国能源部每年投入约1亿美元光伏研究发展基金，日本“新阳光计划”，欧盟“可再生能源白皮书”都把光伏作为首先发展项目。
德国、丹麦、法国、西班牙等国采取优惠的固定电价收购可再生能源发电量，英国、澳大利亚、日本等国实行强制性市场配额政策，美国、巴西、印度等国实行投资补贴和税收优惠等政策。
大力发展太阳能产业。
目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。
随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长。
增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。
在我国现有能源供给的约束条件下，我国面临着能源供需结构性矛盾，能源自给安全压力以及巨大的环保压力。
发展替代能源，实现传统能源之间、传统能源和新能源之间的替代是解决我国能源供需瓶颈，供需结构性矛盾以及减轻环境压力的有效途径。
我国政府对新能源和可再生能源的发展十分重视，2006年2月9日，国务院出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确提出：
到2020年，可再生能源在我国能源结构中的比重将达到16%。
2007年9月5日国家发改委颁布了《可再生能源中长期发展规划》规划在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能光伏发电装置，扩大城市可再生能源的利用量，并为太阳能光伏发电提供必要的市场规模。
到2010年，太阳能发电总容量达到30万千瓦，到2020年达到180万千瓦。
光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，根据电力科学院的预测，到2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。
近期，国家新能源发展规划进行调整，预计到2020年，我国新能源发电装机2.9亿千瓦，约占总装机的17%。
其中，太阳能发电装机将达到2000万千瓦。
该政策将明确规定：
“光伏电价将根据不同光照条件给予1.09-1.20元/千瓦时的固定电价。
”
在今后的十几年中，太阳能电池的市场走向将发生很大的改变，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。
光伏发电将作为战略能源的主要角色进入能源和电力供应领域，在不久的将来，中国的光伏发电必然会起到越来越重要的作用。
1.3、项目建设的必要性
1.3.1、符合我国国家产业、宏观经济政策及国民经济发展规划
项目符合《产业结构调整指导目录（2005年）》目录中鼓励类第四款第5条“风力发电及太阳能、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源开发利用”规定。
2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》规定：
第二条本法所称可再生能源，是指太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。
第四条国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域……. 第十七条国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。
2006年2月9日，国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中规定：
高性价比太阳光伏电池及利用技术为重点领域中的优先发展主题之一。
2007年9月5日国家发改委颁布的《可再生能源中长期发展规划》指出：
发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势，在偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决无电人口的供电问题。
在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能光伏发电装置，扩大城市可再生能源的利用量，并为太阳能光伏发电提供必要的市场规模。
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出：
大力发展可再生能源，实行优惠的财税、投资政策和强制性市场份额政策，鼓励生产与消费可再生能源。
1.3.2、我国太阳能资源丰富
我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达960万平方公里。
有着丰富的太阳能资源。
全国各地的年太阳辐射总量为928－2333KWh/m2，中值为1626kWh/m2。
中国绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/m2.天以上，西藏最高达7 kWh/m2.天。
与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。
约占全国总面积的2/3 以上地区，年太阳辐射总量高于5000 MJ/m2，年日照时数大于2000h，具有利用太阳能的良好条件。
1.4、项目建设的意义
1.4.1、节能改造效果示范效应
学校已经在绿色建筑节能改造方面积累了丰富的经验，尤其是太阳能热水系统和建筑能耗分项计量系统的投运，为学校整个用能系统的计量、分析、统筹管理打下了良好的基础。
同时，D楼是学校的实训教学楼，负荷较为集中，即能够消化光伏发电所产生的电能，又能通过分项计量进行实时监测，使能耗监测系统与光伏发电系统有效的结合运用，进一步起到节能改造效果示范作用。
1.4.2、保护环境
紫琅学院教学D楼能源消耗主要为电，年用电量为9万度左右，折标煤总能耗为29.7吨。
本项目安装光伏发电系统装机总量达到50KW，首年年发电量为6.87万度，折标煤总能耗为22.67吨，可再生能源年发电量将超过该栋建筑年用电总量的70%。
在25年的光伏发电系统使用寿命内共发电153.65万度，节约标煤507.045吨，共减少排放二氧化碳1328.458吨、二氧化硫4.310吨、氮氧化合物3.752吨。
二、项目建设的可行性
2.1、南通市日照资源
南通市现辖区域在东经120°12′至121°55′、北纬31°41′至32°42′之间，年峰值日照小时数为1379.7h，平均每日的峰值日照小时数为3.78h，日照资源丰富，非常适合光伏发电的应用。
南通市22年平均峰值日照小时数如下：
MonthlyAveragedInsolationIncidentOnHorizontalSurface（KWh/㎡/day）
Lat31.89
Lon120.89
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Annual
Average
22-yearAverage
2.69
3.14
3.33
4.25
4.78
4.58
5.05
4.71
3.9
3.40
2.81
2.68
3.78
（数据来源于NASA气象数据库）
2.2、技术可行性
目前，光伏发电系统已经在国内为得到许多成功的应用，光伏建筑一体化并网发电系统的技术已经成熟，图列展示了国内外两个光伏建筑一体化项目的成功例子。
2.3、经济可行性
系统在25年的使用寿命内共发电153.65万度，假设能源成本为1元/度，则该项目总共节约能源成本153万元左右，同时考虑到政府的财政补贴，项目投资回收期为15年左右。
此外，使用太阳能光伏发电将减少火力发电所导致的环境污染，从而减少国家治理污染的支出，具有难以估量的间接收益。
综上所述，本项目在经济上是可行的。
2.4、项目建设条件
本项目位于紫琅学院D栋教学楼楼顶，建筑面积10403㎡，地上四层，局部五层，高度17.25米。
建筑为全现浇钢筋混凝土框架结构，屋面承重200KG/㎡，光伏组件的总量在12KG/㎡,因此该屋顶能够承受光伏组件的重量。
建筑物坐北朝南，四周空旷无遮挡，采光良好，且屋顶表面平整，无任何障碍物，非常适合安装光伏发电系统。
综上所述，紫琅学院D栋教学楼适合建设光伏发电系统。
三、项目方案设计
3.1、供电要求
·装机容量：
50kWp
·安装类型：
屋顶光伏系统（BIPV）
·工作电压：
三相AC380V50Hz
·发电类型：
用户侧并网发电
3.2、设计原则
3.2.1、视觉美观性
由于本项目有极强的公众影响力，具有示范效应，因此我们在设计整个发电系统的时候，充分考虑了建筑视觉美观性，在不影响原有建筑整体设计效果的情况下设计安装光伏发电系统。
3.2.2、太阳辐射量
为了增加并网光伏电站的输出能量，我们在设计时尽可能地将更多的太阳能电池板（组件）普照在阳光下，并且避免太阳电池板之间的相互遮光，以及房屋屋顶边缘、周围可能的建筑物以及其它障碍物遮挡阳光。
3.2.3、电缆长度
减少电缆长度，可以减小线路上的电压降损失，提高系统的输出能量；减小电缆尺寸，可以降低成本，同时减轻屋顶负荷并增加灵活性。
所以我们在设计时考虑从太阳电池到接线箱、接线箱到电源逆变器以及电源逆变器到并网交流配电柜的电力电缆保持在最短距离。
3.3、设计执行标准
·GB4208《外壳防护等级（IP代码）》
·GB/T20321.1-2006《离网型风能、太阳能发电系统用逆变器》
·GB/T3859.3《半导体变流器变压器和电抗器》
·GB/T1980《标准频率》
·GB/T2423.1-2001《电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验A：
低温》
·GB/T2423.2-2001《电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验B：
高温》
·GB/T2423.10-1995《电工电子产品环境试验第二部分：
试验方法试验Fc和导则：
振动（正弦）》
·GB7947《人机界面标志标识的基本和安全规则》
·GB7251.1《低压成套开关设备和控制设备第一部分型式试验和部分型式试验》
·GB/T16935.1《低压系统内设备的绝缘配合》
·GB/T17625.1-1998《低压电器及电子设备发出的谐波电流限值（设备每项电流不大于6A）》
·GB/T17625.6-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流限值》
3.4、设计方案
3.4.1、系统构成：
本工程设在紫琅职业技术学院D栋教学楼屋顶。
电池组件安装在该屋顶上，此屋顶为水泥平屋顶，组件采用15度倾角固定方式铺设。
屋顶安装的组件容量为50KW。
用250W多晶硅组件，总共需铺设200块组件。
电池组件经过汇流箱汇流后到逆变器，逆变器将直流电变为交流电，交流电经过交流配电柜后接入用户侧380V电压并网。
本并网光伏系统主要由太阳能电池方阵、光伏汇流箱、并网逆变器、交流配电柜组成。
3.4.1.1、系统接线图如下：
3.4.1.2、系统配置如下表：
设备名称
型号参数
数量
备注
太阳能电池组件
250Wp
200块
多晶硅
太阳能安装支架
/
1套
与光伏组件配套
防雷汇流箱
SPV-10/1
1台
光伏组件采用20串
并网逆变器
SPG-50K3
1台
带并网隔离变压器
交流配电柜
/
1台
含计量
光伏电缆等附件
/
1套
详情见下表
安装、调试、施工等
/
1套
3.4.1.3、系统电缆选型如下表：
序号
设备名称
规格
1
组件至汇流箱线缆
VV22-1*4mm
2
组件至汇流箱线缆PVC护管
φ15
3
汇流箱至并网逆变器线缆
VV22-2*35mm
4
并网逆变器到交流配电柜线缆
YJV-1kV-3*50mm
3.4.2、光伏组件选型
太阳能电池板方阵的设计（查询安装地区逐月辐照强度随倾角变化规律、倾角计算、支架设计或选取、电池板容量计算、电池板型号选择及数量确定并列出基本技术参量表、布局）。
本项目采用多晶硅电池组件，具体参数如下表：
直流功率
250W
电池片最大工作温度
48℃±2℃
单组件电池片数量
60Pcs
最大功率电压（Vmp）
29.8V
最大电流（Imp）
8.38A
开路电压（Voc）
38.0V
短路电流（Isc）
8.6A
组件效率
15.1%
功率偏差
±3%
机械尺寸
1630*976*40
重量
19kg
效率温度影响系数
-0.50%/K
开路电压温度系数
-0.35MV/K
短路电流温度系数
0.04%/K
设计风压
120km/h
设计雪压
3200Pa
太阳能电池系统标准
IEC61730
3.4.3、防雷光伏汇流箱设计选型
直流防雷汇流箱的作用是根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联组成1个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏阵列防雷汇流箱进行汇流，通过防雷器与断路器后输出，便于逆变器的接入。
将每1个光伏组件串列的正负极分别与光伏专用直流保险丝相连，再通过汇流端子与断路器后输出，向逆变器提供直流电压输入。
雷电分为直击雷和感应雷。
直击雷是指雷电直接落到太阳能电池组件阵列、交直流配电线路、电气设备以及配线等处。
感应雷是指由静电感应或电磁感应形成的雷。
光伏发电系统的防雷分为防直击雷、防感应雷。
3.4.3.1、防直击雷设计
太阳能光伏阵列的结构件通过接地体接地防止直击雷，即太阳能光伏阵列的金属支架及其它金属构件均应与屋面避雷带或防雷引下线可靠连接。
一般情况下防雷接地电阻应小于30Ω，对于大型比较重要的供电系统要求接地电阻小于10Ω。
D栋教学楼属于重要公共设施，供电安全和供电可靠性要求较高，建议接地电阻小于10Ω。
而且光伏系统对接地电阻值要求比较严格，要求通过电阻测量仪器对接地电阻进行实测，建议采用复合接地体。
3.4.3.2、防感应雷设计
为防止感应雷对光伏发电系统的设备器件造成损坏，需在光伏阵列的直流输出端安装光伏专用高压防雷模块，模块安装在直流汇线盒或直流配电柜内，采用串接断路器再并入主电路的正负极的连接方式。
3.4.3.3、直流汇流箱结构图
3.4.3.4、功能特点
·防护等级为IP65，满足室外使用要求。
·满足同时接入多路太阳电池组串，每个正、负极接线端子接一路光伏专用熔断丝。
·采用光伏专用高压直流熔断丝对正负极同时保护。
·采用光伏专用高压防雷器能满足正极对地、负极对地，工作电压达到直流1000V。
·汇流箱能够接入最大太阳电池组串开路电压（最大直流电压）为1000V。
·实现光伏阵列电流量的独立测量。
·分析电流量、对有故障的光伏阵列报警。
·系统绝缘应满足以下要求：
A、绝缘电阻：
各带电回路与地之间的绝缘电阻应不小于10MΩ；
B、绝缘强度：
带电回路两导体之间及任一导体与机壳（或地）之间，按照其额定绝缘电压分级，应能承受规定的50Hz正弦试验电压1min．不出现击穿和飞弧现象，漏电流不大于10mA。
3.4.3.5、技术参数
光伏阵列电压范围
200～1000Vdc
光伏阵列输入路数
1~10路
每路输入最大电流
1～20A
工作电源
dc自供电
环境温度
-40～+85℃
环境湿度
0～95％
3.4.4、光伏并网逆变器选型
3.4.4.1、产品特点：
·逆变效率高；
·MPPT精度高，跟踪范围宽；
·多语种触摸屏监控界面；
·纯正弦波输出，电流谐波含量极小；
·互补输出模式：
有功、补偿、滤波可选；
·完善的保护和报警功能；
·低电压穿越功能；
·模块化设计，扩容方便，维护简单；
·适应高海拔应用≤6000m（超过3000米需降容使用）。
3.4.4.2、技术参数：
技术参数
SPG-50K3
直流侧参数
最大直流电压Vdc
880
最大直流功率KW
56
最大输入路数
2
MPPT电压范围Vdc
420-850
最大直流输入电流
130A
交流侧参数
额定输出功率KW
50
额定电网电压Vac
400
电网频率
50HZ
电网频率范围HZ
47-51.5HZ
输出电流谐波（THDi）
＜3%（10%-100%Pe）
功率因数
＞0.99
系统特性
最大效率%
96.8
欧洲效率%
96.2
MPPT精度%
99.9
待机功耗W
＜100
夜间损耗W
＜20
防护等级
IP20
冷却方式
风冷
使用环境
使用环境温度
-35～+55℃
使用环境湿度
95%无凝露
使用海拔高度
≤6000米（超过3000米需降容使用）
显示与通讯
显示与通讯
显示方式
LCD
通讯接口
RS458（标准）/以太网
环境传感器
温度/光照/湿度/风速等
执行标准
光伏系统并网标准
GB/T19939-2005
IEC62109
CNCA/CTS004-2009
机械参数
柜体尺寸（宽*高*深）
800*2000*600
重量KG
650
3.4.5、交流配电柜
3.4.5.1、功能特点
交流防雷配电柜主要用于对前端光伏逆变器输出的支路进行汇流，根据对应逆变器的容量，将一定数量的光伏逆变器输出进行并联，交流防雷配电柜输出给对应的低压侧电网，柜体面板设有对应的表计装置。
防雷配电柜内部含有计量装置、交流断路器、防雷模块等。
四、发电量预测与节能减排分析
4.1、理论发电量
根据所选工程代表年最佳平面上各月平均太阳总辐射量可得出本工程月及年峰值日照小时数。
峰值日照小时数：
将太阳能电池组件所在平面上某段时间中能接收到的太阳辐射量转化为1000W/m²条件下的等效小时数称峰值日照小时数。
江苏省南通市的峰值日照小时数如下：
MonthlyAveragedInsolationIncidentOnHorizontalSurface（KWh/㎡/day）
Lat31.89
Lon120.89
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Annual
Average
22-yearAverage
2.69
3.14
3.33
4.25
4.78
4.58
5.05
4.71
3.9
3.40
2.81
2.68
3.78
数据来源于NASA气象数据库
若太阳能电池组件在1h中接收到的太阳能辐射量为1MJ/m²，由以上峰值日照小时定义可得：
若太阳能电池组件在1h中接收到的太阳辐射量为1MJ/m²，则在1000W/m²条件下的等效小时数为1/3.6h。
由于太阳能电池组件的峰值功率均在1000W/m²条件下的标定，因此采用峰值日照小时数乘以光伏电站的装机容量即为光伏电站的最大理论发电量。
50kW固定安装运行方式电池阵列峰值日照小时数及发电量统计见下表：
月份
光伏电站功率（kW）
多年月平均峰值日照小时数（h）
月发电量（kWp.h）
1月
50
83.39
4169.5
2月
50
87.92
4396.0
3月
50
103.23
5161.5
4月
50
127.5
6375.0
5月
50
148.18
7409.0
6月
50
137.4
6870.0
7月
50
156.55
7827.5
8月
50
146.01
7300.5
9月
50
119.7
5985.0
10月
50
105.4
5270.0
11月
50
84.3
4215.0
12月
50
83.08
4154.0
合计
--
1382.66
69133.0
经计算，得出本工程50kW电池阵列理论年发电量为69133度电。
年峰值日照小时数为1379.7h，平均每日的峰值日照小时数为3.78h。
4.2、逐年发电量统计
并网光伏发电系统的能量转换主要包括：
能量来源环节，能量转化环节，能量输出环节等。
上述各环节中均存在不同的能量损失。
能量来源环节的主要损失为不可利用的太阳能辐射损失（包括早晚阴影遮挡引起的损失及光线通过玻璃的反射、折射损失）、灰尘积雪遮挡损失等。
能量转化环节的的主要损失为欧姆损失（直流、交流线路，保护二极管，线缆接头等）、逆变器效率损失、变压器效率损失以及系统故障及维护损耗等。
光伏电站的第一年理论发电量为光伏电站的最大理论发电量乘以太阳电池组件第一年的衰减系数。
本工程所选多晶硅太阳电池组件第一年的衰减系数为0.995，故光伏电站的第一年理论发电量为68787.3度。
光伏电站使用寿命按25年计算，根据选用的多晶硅电池组件各年的衰减系数乘以光伏电站最大理论发电量得到光伏电站逐年理论发电量，按电价0.8元/度计算，25年的光伏系统发电量如下表：
50kW电池阵列逐年理论发电量统计表
年
组件衰减系数
逐年理论发电量
（万度）
可省电费（元）
第1年
99.50%
6.87
54960
第2年
98.60%
6.77
54160
第3年
97.72%
6.71
53680
第4年
96.84%
6.65
53200
第5年
95.97%
6.59
52720
第6年
95.10%
6.53
52240
第7年
94.25%
6.47
51760
第8年
93.40%
6.42
51360
第9年
92.56%
6.36
50880
第10年
91.72%
6.30
50400
第11年
90.90%
6.24
49920
第12年
90.08%
6.19
49520
第13年
89.27%
6.13
49040
第14年
88.47%
6.08
48640
第15年
87.67%
6.02
48160
第16年
86.88%
5.97
47760
第17年
86.10%
5.92
47360
第18年
85.32%
5.86
46880
第19年
84.56%
5.81
46480
第20年
83.80%
5.76
46080
第21年
83.04%
5.70
45600
第22年
82.29%
5.65
45200
第23年
81.55%
5.60
44800
第24年
80.82%
5.55
44400
第25年
80.09%
5.50
44000
4.3、节能减排量分析
序号
项目
指标量
备注
1
发电量
153.65万度
按照25年计算
2
节约标煤
507.045吨
3
减少二氧化碳排放
1328.458吨
4
减少二氧化硫排放
4.310吨
5
减少氮氧化物排放
3.752吨
光伏系统利用太阳能进行发电。
光伏发电过程不消
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