某居民楼顶3KW并网光伏电站设计光伏发电技术课程设计.docx
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某居民楼顶3KW并网光伏电站设计光伏发电技术课程设计
某居民楼顶3KW并网光伏电站设计
（光伏发电技术课程设计）
第一章绪论
1.1研究背景
目前各东部沿海地区主要是能源供应力依然不足，能源安全保障体系不够完备、能源利用效率与国际先进水平还有较大差距、能源价格形成机制有待于进一步完善、环保治理措施相对滞后等。
目前，国际能源形势总体上比较复杂，能源价格波动的局面仍将持续。
我国能源供应将面临着资源、环境、运输和安全生产等多重制约。
从资源的潜力和长远来看，光伏发电是最具有潜力的可再生能源的发电技术；从资源的合理开发利用来说，在居民楼屋顶修建太阳能电站进行发电具有得天独厚的优势，可以有效利用土地资源、合理的分配电力，实现可持续性发展。
2009年12月18日在丹麦首都哥本哈根气候大会达成的《哥本哈根协议》，虽未明确各国在何时实现那些减排指标。
但是我国在会议上的减排承诺和会议倡导的低碳经济，已经深入人心，将对我国的经济发展模式起到引导作用。
所谓的低碳经济指改变高碳排放的发展模式，实现绿色的低能耗、低污染、低排放的可持续健康发展。
低碳经济实现方式可概括为两种：
一是改变能源使用结构，二是提高能源使用效率。
具体来讲，改变能源结构是指降低度化石能源的依赖，提高一次能源使用中太阳能、风能、核能、生物质能、水能等非化石能源的占比，达到减少碳排放的目的。
其中，太阳能、风能和核能将是未来发展的重点。
1.2选题意义
在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻找新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。
该光伏电站最大特点是源源不断的将光能转化为电能，使用寿命过程中几乎不会排放出粉尘、气体等，对环境的影响微乎其微。
从环境角度讲，太阳能发电被认为是目前排放量（二氧化碳）最少的一种发电技术之一。
世界自然基金会的资料表明，太阳发电是目前排放量最少的一种发电技术，在一个生命周期内它所排放的煤炭量只有每瓦55克。
永康市是以煤为主要能源的城市，因此，空气污染的主要原因是煤在燃烧后产生的燃料废气。
据有关资料表明，永康空气质量愈来愈趋恶化。
而永康市属于太阳能资源丰富的地区，大力发展太阳能利用技术，对于改善永康市的能源结构和生态环境具有特别重要的意义。
随着经济的高速发展，城镇工业开发区的建设，屋顶的空间利用十分必要。
过去居民楼屋顶几乎没有利用，在现有结构的条件下，根据计算对屋顶增加相应的支撑体系，利用屋顶空间将会对资源的利用能够探索出全新的思路[1]；同时在今后新建房屋中，考虑利用太阳能进行建设也将对新能源产业是一个积极的推广意义。
第2章系统总体设计方案
2.1系统概况
本系统利用永康市某居民楼顶可利用屋顶面积约30平方米新建分布式光伏电站，采用260Wp光伏组件12块组成，共计建设3.12KWp屋顶分布式光伏发电系统。
系统采用1台3KW光伏逆变器将直流电逆变为220V交流电，接入220V线路送入户业主原有室内进户配电箱，再经由220V线路与业主室内低压配电网进行连接，即可送电进入市电网。
本系统采用自发自用，余电上网模式。
2.2地理位置及太阳能资源
浙江省金华市永康市是县级市，隶属于浙江省地级市金华市，位于浙江省中部的低山丘陵地区。
地理坐标为北纬28°45′，东经119°53′，总面积1049平方千米。
永康市境内的地貌形态主要为低山、丘陵、平原三种。
低山占全境面积的约17%，与磐安交界处海拔930米的黄寮尖为永康最高峰。
丘陵占约44.3%，主要成因分为构造-剥蚀地貌和火山-剥蚀地貌两种。
平原主要分布于永康江水系的两岸，为永康地势最低的一级，占全境面积的约38.7%，以永康江流出永康境处最低，海拔72米。
永康气候温和，四季分明，气候类型为亚热带季风气候。
年平均气温17.5℃，年平均日照时数为1909小时，无霜期245天，年平均降水量1387毫米。
项目地址水平面年总辐射量约在1181.34KWh/m2左右，太阳能资源丰富，根据中华人民共和国气象行业标准QX/T89-2008《太阳能资源评估方法》，可判定本项目地址处太阳能资源丰富程度等级为资源丰富区域，有较好地开发利用价值，适宜建设并网光伏电站。
2.3目标
（1）我国能源消耗中，建筑能耗占了1/4的份额。
与建筑结合的光伏发电系统是一种主动的节能方式应当受到重视。
该项目的实施也能反映出永康市落实节能减排的信心；
（2）通过实际并网发电运行，累积各项数据，为测算太阳能并网电站实际费效比、节电、省煤、CO2减排等提供实际数据，为确定适合该地区实际情况的分布式光伏电站提供理论依据；
（3）提供光伏并网发电示范，为广大民众树立节能减排的榜样，普及光伏发电知识；提高群众的环保意识；
（4）为促进浙江省永康市现有屋顶利用，发展低碳经济。
2.4设计原则
（1）合理性
由于分布式光伏发电系统也是属于光伏电站的一种，所以其设计、施工均需满足国标《GB50797-2012光伏发电站设计规范》的要求，将根据其对项目站址选址、太阳能发电系统、电气部分、接入系统进行合理性设计[2]。
（2）安全性
设计的光伏系统需安全可靠，防止意外情况造成的人身意外伤害与公共财产的损失。
光伏系统的安装施工纳入建筑设备安装施工组织设计，并制定相应的安装施工方案和特许安全措施；
（3）美观性
对光伏方阵与地面上的土建房屋等进行统一设计，美观大方，实现整体协调。
（4）高效性
本系统属于并网光伏电站，如果在25年内能够产生更多的电能带来更多的利益，因此系统在较高的效率下运行十分必要。
设计过程中应对系统进行优化，最大限度降低损耗，提高系统发电效率。
（5）先进性
光伏发电技术在国内属于新兴高新技术，在进行本系统设计的过程中，我们通过优化系统配置、优化选择国内先进的关键设备，实现智能控制，以保证系统的先进性。
（6）经济性
作为光伏项目，在满足光伏系统外观效果和各项性能指标的前提下，最大限度的优化设计方案，合理选用各种材料，把不必要的浪费消除在设计阶段，降低工程造价，为业主节约投资。
2.5光伏组件选型
2.5.1太阳能电池种类
（1）晶体硅太阳能电池
单晶硅电池是最早出现，工艺最为成熟的太阳能电池，也是大规模生产的硅基太阳能电池中，效率最高的。
单晶硅太阳能电池是将单晶硅锭进行切割、打磨制成的单晶硅片，在单晶硅片上进一步经过制绒、扩散、镀减反射膜、印刷电极、烧结等工艺流程制成的。
目前，大规模生产的单晶硅电池效率可以达到19.5-20.5%。
多晶硅电池的生产主要有两种方法，一种是通过浇铸、定向凝固的方法，制成多晶硅的晶锭，再经过切割、打磨等工艺制成多晶硅片，进一步经过制绒、扩散、镀减反射膜、印刷电极、烧结制成电池。
浇铸方法制造多晶硅片不需要经过单晶拉制工艺，消耗能源较单晶硅电池少，并且形状不受限制，可以做成方便光伏组件布置的方形；除不需要单晶拉制工艺外，制造单晶硅电池的成熟工艺都可以用在多晶硅电池的制造中得到应用。
另一种方法是在单晶硅衬底上采用化学气相沉积（CVD）等工艺形成无序分布的非晶态硅膜，然后通过退火形成较大晶粒，以提高发电效率[3]。
目前，多晶硅电池的效率能达到18-19%，略低于单晶硅电池的水平。
但和晶硅电池相比，多晶硅电池虽然效率有所降低，但是节约能源，节省硅原料，达到工艺成本和效率的平衡。
晶体硅电池组件如下图2-1所示：
图2-1单晶硅（右）、多晶硅（左）组件外形结构
（2）非晶硅电池和薄膜光伏电池
非晶硅电池是在不同衬底上附着非晶态硅粒制成的，工艺简单，硅原料消耗少，衬底廉价，并且可以方便的制成薄膜，并且具有弱光性好，受高温影响小的特性。
自上个世纪70年代发明以来，非晶硅太阳能电池，特别是非晶硅薄膜电池经历了一个发展的高潮。
80年代，非晶硅薄膜的市场占有率一度高达20%，但受限于较低的效率，非晶硅薄膜电池的市场份额逐步被晶体硅电池取代，非晶硅薄膜太阳能电池是在廉价的玻璃、不锈钢或塑料衬底上附上非常薄的感光材料制成，比用料多的晶体硅技术造价更低，其价格优势可抵消低效率的问题[4]。
非晶薄膜电池组件如下图2-2所示：
图2-2非晶硅薄膜太阳能电池组件外形结构
（3）数倍聚光太阳能电池
数倍聚光太阳能电池片本身与其它常规平板光伏电池并无本质区别，它是利用反射或折射聚光原理将太阳光汇聚后，以高倍光强照射在光伏电池板上达到提高光伏电池的发电功率[5]。
国外已经有过一些工业化尝试。
比如利用菲涅尔透镜实现3~7倍的聚光，但由于投射聚光的光强均匀性较差、且特制透镜成本降低的速度赶不上高反射率的平面镜，国外开始尝试通过反射实现聚光，比如德国ZSW公司发明了V型聚光器实现了2倍聚光，美国Falbel发明了四面体的聚光器实现了2.36倍聚光。
尽管实现2倍聚光也可以节省50%的光伏电池，但是对于聚光器所增加的成本，总体经济效益并不明显。
目前国内聚光太阳能电池研究尚处于示范运行阶段，聚光装置采用有多种形式，有：
高聚光镜面菲涅尔透镜、槽面聚光器、八面体聚光器等[6]。
由于聚光装置需要配套复杂的机械跟踪设备、光学仪器、冷却设施，且产品尚处于开发研究期，其实际的使用性能及使用效果尚难确定。
数倍聚光太阳能电池组件如下图2-3所示：
图2-3聚光太阳能电池组件外形结构
2.5.2几种太阳能电池组件的性能比较
对于单晶硅、多晶硅、非晶硅和多倍聚光这四种电池类型就转换效率、制造能耗、成本等方面进行了比较如下表2-1太阳能电池技术性能比较表。
表2-1单晶硅、多晶硅、非晶硅和多倍聚光四种电池的比较
序号
比较项目
多晶硅
单晶硅
非晶硅薄膜
数倍聚光
1
技术成熟性
目前常用的是铸锭多晶硅技术，70年代末研制成功
商业化单晶硅电池经50多年的发展，技术已达到成熟阶段
70年代末研制成功，经过30多年的发展，技术日趋成熟
发展起步较晚，技术成熟性相对不高
2
光电转换效率
商业用电池片一般18%-19%
商业用电池片一般19.5%-20.5%
商用电池一般5%-115
能实现2倍以上聚光
3
价格
材料制造简便，节约电耗，总的生产成本比单晶硅低
材料价格及繁琐的电池制造工艺，使单晶硅成本价格居高不下
生产工艺相对简单，使用原材料少，总的生产成本较低
需要配套复杂的机械跟踪设备、光学仪器、冷却设施等，未实现批量生产，总的生产成本较高
4
对光照、温度等外部环境适应性
输出功率与光照强度成正比，在高温条件下效率发挥不充分
同多晶硅电池
弱光响应好。
高温性能好，受温度的影响比晶体硅太阳能电池要小
为保证聚光倍数，对光照追踪精度要求高，聚光后组件升温大，影响输出功率和使用寿命
5
组件运行维护
组件故障率极低，自身免维护
同多晶硅电池
柔性组件表面易积灰，清理困难
机械跟踪设备、光学仪器、冷却设施需要定期维护，故障率大
6
组件使用寿命
经实践证明寿命期长，可保证20年使用期
同多晶硅电池
衰减较快，使用寿命只有10-15年
机械跟踪设备、光学仪器、冷却设施使用期限较难保证
7
外观
不规则深蓝色，可作表面弱光着色处理
黑色、蓝黑色
深蓝色
表面为菲涅尔透镜
8
安装方式
利用支架将组件倾斜或平铺于地面建筑、屋面或开阔场地，安装简单，布置紧凑，节约场地
同多晶硅电池
柔性组件重量轻，对屋面强度要求低，可附着于屋面表面，刚性组件安装方式同晶硅组件
带机械跟踪设备，对基础抗风强度要求高，阴影面大，占用场地大
9
国内自动化生产情况
产业链完整，生产规模大，技术先进
同多晶硅电池
2007年底2008年初国内开始生产线建设，起步晚，产能没有完全释放
尚处于研究论证阶段，使用较少
据上表可知，单晶硅、多晶硅太阳能电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化率相对较高的特点，被广泛应用于并网光伏电站项目。
光伏电站太阳能电池种类应选用技术成熟、转化效率高、已规模化生产、市场供应充足且在国内有工程应用市里的太阳能电池组件作为光电转换的核心器件。
因此，本系统选用晶硅类太阳能电池组件。
多晶硅组件与单晶硅组件最大的差别是单晶硅组件的光电转化效率略高于多晶硅组件，也就是相同功率的组件，单晶硅组件的面积小于多晶硅组件的面积。
两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大，执行的标准也相同，但单晶硅组件的价格比多晶硅组件的价格高10%左右[7]。
在实际应用过程中，单晶硅和多晶硅电池都可选用。
2.5.3组件选用
太阳能电池组件要求具有非常好的耐候性，能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，同时具有高的转换效率和廉价。
太阳能电池组件的功率规格较多，从50Wp到300Wp国内均有生厂商生产，且产品应用也较为广泛[8]。
因此综合上述考虑，该系统拟选用多晶硅太阳能电池组件。
根据对目前几种太阳能电池组件的比较，并结合建筑情况和性价比，本系统彩钢瓦屋面采用单晶硅260W组件，额定功率260Wp。
其主要性能参数如下表所示：
表2-2组件参数表
电池类型
多晶硅太阳能电池组件
组件最大功率（Wp）
260
组件工作电压（V）
31.2
组件工作电流（A）
8.36
组件开路电压（V）
38
组件短路电流（A）
8.95
最大功率温度系数TK（Pm）
-0.54%K
开路电压温度系数TK（Voc）
-0.35%K
短路电流温度系数TK（Isc）
=0.060%K
组件尺寸大小（mm）
1640x992x35
组件效率（含边框）
15.98%
重量（Kg）
18
2.6光伏并网逆变器选型
逆变是指将直流电通过变换装置转换为交流电的过程，而完成逆变过程的装置称为逆变器。
由于光伏发电系统可以分为离网型和并网型，逆变器也可以分为离网逆变器和并网逆变器。
根据逆变器输出交流电的相数可以分为单相交流逆变器和三相交流逆变器
根据本项目业主为居民分布式，电网入户电压为AC220V,故选用单相光伏并网逆变器。
其主要性能参数如下表所示：
表2-3逆变器参数
产品
技术参数
最大直流输入功率
3.4KV
最大直流输入电压
550VDC
输入电压范围MPPT
70V-550V
MPPT路数
1路/1并
单路输入电流
13A
额定交流输出功率
3KW
额定输出电压
220V
电网频率
50HZ
交流连接类型
单相
MPPT效率
99.5%
欧洲加权效率
96.5%
2.7光伏阵列运行方式选择
2.7.1阵列倾斜角与安装方式
光伏组件的安装，考虑其可安装性和安全性，目前技术最为成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定安装。
又因为该项目屋顶为彩钢瓦屋顶，因此，本项目组件采用固定安装方式，顺屋顶坡势进行固定。
2.7.2光伏阵列设计
2.7.2.1太阳能电池方阵设计原则
（1）太阳能电池组件串联形成的组串，其输出电压的变化范围必须在逆变器正常工作的允许输入电压范围内。
（2）逆变器直流输入侧连接的太阳能电池组件的总功率应大于该逆变器的额定功率，且不应超过逆变器的最大允许输入功率。
（3）太阳能电池组件串联后，其最高输出电压不允许超过太阳组件自身最高允许系统电压。
（4）各太阳能电池板至逆变器的直流部分电缆通路应尽可能短，以减少直流损耗[9]。
2.7.2.2光伏方阵串并联设计
分布式光伏发电系统中太阳能电池组件电路相互串联组成串联支路。
串联接线用于提升集电系统直流电压至逆变器电压输入范围，应保证太阳能电池组件在各种太阳辐射照度和各种环境温度工况下都不超出逆变器电压输入范围[10]。
考虑到适用于晶体硅电池的逆变器最大直流电压（最大阵列开路电压）为550V，最大功率电压跟踪范围为70~550V,MPPT路数为1路/1并。
对于本项目选用12块260W多晶硅太阳电池组件，每个太阳电池组件额定工作电压为31.2V，开路电压为38V，串联支路太阳电池数量初步确定为12个。
在环境温度为25±2℃、太阳辐射照度为1000W/m2的额定工况下，12个太阳电池串联的串联支路额定工作电压为374.4V，开路电压456V，均在逆变器允许输入范围内，可确保正常工作。
在工况变化时考虑在平均极端环境温度为-10℃时，太阳能电池组件串的最大功率点工作电压为12×31.2×（0.35%×35+1）=420.3V，满足550V最高满载MPPT点的输入电压要求；在极端最高环境温度为42℃时，太阳能电池组件的工作电压为12×31.2×（-0.35%×17+1）=352.1V，满足70V最低MPPT点的输入电压要求。
考虑系统电压线损为2%，可以看出上述方案完全满足使用要求。
经上述校核，确定串联支路太阳电池数量为12。
2.7.3防雷接地设计
太阳能光伏并网发电系统的基本组成为：
太阳电池方阵、光伏汇流箱、箱变和逆变器等。
太阳电池方阵的支架采用金属材料并占用较大空间且一般放置在开阔地，在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳电池组件和逆变器比较昂贵[11]，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，有效的防雷和电涌保护是必不可少的。
太阳能光伏并网电站防雷的主要措施如下图：
图2-4-1主要防雷措施
外部防雷装置主要是避雷针、避雷带和避雷网等，通过这些装置可以减小雷电流流入建筑物内部产生的空间电磁场，以保护建筑物和构筑物的安全[12]。
太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接，在焊接处也要进行防腐防锈处理，这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面，显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。
水平接地极铺设在至少0.5m深的土壤中（距离冻土层深0.5m），使用十字夹相互连接成网格状[13]。
同样，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀带包裹起来。
针对本案光伏发电系统，防雷设计包括外部防雷装置（接地引下线）和内部防雷装置（浪涌保护），如下图所示：
图2-4-2本系统防雷措施
防雷设计说明：
外部防雷：
将露天安装的光伏方阵构件（方阵支架、组件等金属外壳部件）利用接地水平接地极与屋顶原有防雷带有效连接。
内部防雷：
将光伏并网逆变器交流输出端，零线、火线与地线之间加装Ⅱ级浪涌保护器，浪涌保护器接地端利用接地水平接地极与接地网（原有或新建）有效连接[14]。
第3章节能降耗及经济效益分析
3.1系统发电效率分析
系统效率主要考虑的因素有：
灰尘及雨雪遮挡引起的效率降低、温度引起的效率降低、逆变器的功率损耗、交直流部分线缆功率损耗、其它杂项损失等。
（1）灰尘及露水遮挡引起的效率降低
考虑可人工清洗方阵组件的情况下，采用数值4%
（2）温度引起的效率降低
太阳能电池组件会因温度变化而使输出电压降低、电流增大，组件实际效率降低，发电量减少，因此，温度引起的效率降低是必须要考虑的一个重要因素，考虑各月辐照量计算加权平均值，可计算得到加权平均值为3%。
（3）并网逆变器的功率损耗
根据逆变器的技术资料及工程实际测试结果表明，逆变器的功率损耗远远低于3%，考虑气候条件因素，本项目按3%计算并网逆变器的功率损耗。
（4）电缆的功率损耗
本系统按2%的线路损耗设计。
（5）组件串联不匹配产生的效率降低
由于生产工艺问题，导致不同组件之间功率及电流存在一定偏差，单块电池组件对系统影响不大，但光伏并网电站是由很多电池组件串并联以后组成，因组件之间功率及电流的偏差，对光伏电站的发电效率就会存在一定的影响[15]。
组件串联因为电流不一致产生的效率降低，选择该效率为3%的降低。
通过以上分析得到本系统效率的修正系数如下表：
表3-1系统效率估算修正系数统计表
序号
效率损失项目
修正系数
电站的系统效率
1
灰尘及雨水遮挡引起的效率降低
96%
83%
2
温度引起的效率降低
97%
3
并网逆变器的功率损耗
97%
4
电缆的功率损耗
98%
5
组件串联不匹配产生的效率降低
97%
6
其它损耗
97%
经计算，本系统的综合效率为约83%。
3.2发电量计算
光伏组件首年发电量=组件功率X峰值日照时数X系统效率X365/1000（单位：
千瓦时）
设定永康市平均峰值日照时数为3.5h
则首年发电量=260X12X3.5X83%X365/1000=3308.214kw/h
由于太阳能电池组件的转换效率呈逐年递减状态，因此随着时间的推移，实际发电量不断减少。
根据《光伏制造行业规范条件（2015年本）》中要求，本文首年衰减2.5%、次年0.7%，10年衰减10%,25年衰减20%取值。
根据以上要求，最终计算得到25年发电量如表3-2所示
表3-2发电量统计表
3.12KW光伏电站发电量统计
年份
衰减率（%）
年发电量（KWh）
1
2.5
3208.214
2
0.7
3128.009
3
0.7
3106.113
4
0.7
3084.370
5
0.7
3062.779
6
0.7
3041.340
7
0.7
3020.050
8
0.7
2998.910
9
0.7
2977.918
10
0.7
2957.072
11
0.7
2936.373
12
0.7
2915.818
13
0.7
2895.407
14
0.7
2875.140
15
0.7
2855.014
16
0.7
2835.028
17
0.7
2815.183
18
0.7
2795.477
19
0.7
2775.909
20
0.7
2756.477
21
0.7
2737.182
22
0.7
2718.022
23
0.7
2698.996
24
0.7
2680.103
25
0.7
2661.342
25年累计发电量：
72536.224KWh
年均发电量：
2901.449KWh
本项目总装机容量3.12KWp,25年累计发电量63690KWH,年均发电量：
2901.449KWh。
3.3节能减排分析
每节约1度（千瓦时）电，就相应节约了0.36千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。
该项目减排效果见下表
表3-3节能减排分析表
发电量（KWh）
节约标准煤（kg）
减少CO2排放（kg）
减少SO2排放（kg）
减少NO2排放（kg）
年均发电量（2901.449）
1004.521
2892.745
87.043
17.408
25年发电量（72536.224）
26113.041
72318.616
2176.087
435.217
本项目运行25年共节约标准煤26T，减少CO2排放72.3T，较少SO2排放2T，减少NOS排放0.4T。
3.4经济效益分析
本项目静态投资按8元/W计算为2.5万元，运行期为25年，经济效益见下表：
表3-4主要经济指标汇总表
序号
项目
单位
指标
1
装机容量
KWp
3.12
2
25年总发电量
KWh
72536.224
3
静态投资
万元
2.5
4
借贷资金
万元
无
5
自用电价
元/KWh
0.53
6
国家补贴
元/KWh
0.42（20年）
7
浙江省补贴
元/KWh
0.1（20年）
8
永康市补贴
元/KWh
0.3（5年）
9
25年发电总收入
万元
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