太阳能光电建筑一体化实施方案的设计.docx

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太阳能光电建筑一体化实施方案的设计

太阳能光电建筑应用一体化示范项目实施方案的设计

程忠

（安徽颐和新能源科技股份有限公司）

【摘　要】：

太阳能光电建筑应用:

第一位就是要和建筑一体化，要大规模地推广太阳能光伏发电，要把太阳能光伏发电应用到千家万户，一个非常关键的问题是和建筑的一体化。

当前太阳能光电建筑应用主要为太阳能屋顶、光伏幕墙等光电建筑一体化。

其中屋顶太阳能光电建筑应用较为广泛，其主要特点是：

可以调节太阳能电池板与太阳光之间的朝向，我国地处北半球，太阳能电池板要朝南，要朝北就不行，因此光伏幕墙有一定的局限性。

【关键词】：

光电建筑；一体化

0引言

太阳能是用之不尽的环保资源，它的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光电建筑应用一体化已经成为目前最为流行的一种方式，它的实现不但有效的利用了屋顶的建筑面积，同时也节省了占用宝贵的土地资源。

是一种非常好的光伏发电形式。

1项目概况

1.池州地区地理环境

池州地处东经116°38'--118°05'，北纬29°33'--30°51'；气候温暖，四季分明，雨量充足，光照充足无霜期长，属暖湿性亚热带季风气候。

年平均气温16°C，年均降水量1500mm，年均日照率45%，年均无霜期220天，最长286天。

池州每年最热为7月，平均温度为28.3℃，需注意防暑；最冷为一月，平均温度为3.4℃，年平均风速为3.1米/秒。

2.池州地区太阳能资源

根据有关资料,池州地区年太阳辐射总量472.3千焦/平方厘米

年平均晴天数约为300天/年，全年日照时数1934.4小时。

太阳能光伏组件的光伏阵列有一定的倾角,面向太阳,接受到的太阳辐射比水平面上的辐射稍大一些，本电站的光伏阵列设计倾角为：

25°

 池州市位于中国安徽省西南部，北临浩荡长江，南接雄奇黄山，是长江南岸重要的滨江港口城市和省级历史文化名城，也是安徽省"两山一湖"（黄山、九华山、太平湖）旅游区的重要组成部分。

全市生态环境良好，经济与人口、环境协调发展，是实施《中国21世纪议程》试点地区和第一个国家级生态经济示范区所在地。

因此在池州建设一个太阳能电站,同时还可以达到很好的示范与教育作用.具有不可估量的社会效益，也符合城市发展的定位。

2．示范目标及主要内容

1、示范目标

本项目为太阳能光伏并网示范电站工程，建设地址位于安徽省池州经济技术开发区颐和新能源生态产业园。

池州市环境优越，交通便利，通讯发达。

安徽颐和新能源科技股份有限公司负责本工程的投资和筹建，电站建设规模为1MW，所发电量全部上网。

建设规模：

本期建设1MW机组，以后视市场情况确定扩建规模。

2、主要内容

本项目拟投资2380万元，安装地点在颐和新能源生态产业园内，在12,000平方米的厂房和办公楼屋顶之上，顺势附设185Wp太阳电池组件约5,400块。

安装面积约为10,000平方米。

建成总装机容量为1MWp的太阳能光伏局域并网电站。

根据计算可知1MWp的并网发电系统由25串216并，共5,400块太阳电池组件构成。

每8串电池组件接入1台汇流箱，系统共计有27台汇流箱，接入10台100kW并网逆变器，经过逆变后送入400V低压电网。

为了更好地防雷和方便维护，27台汇流箱及低压成套配电柜都带有浪涌保护器。

除太阳能电池组件外，并网控制逆变器是系统的关键设备。

为保证电站工程质量和光伏电站的发电效率，将采用我公司的100KW高效率并网控制逆变器10台，此类设备具有较高的直流输入电压，可最大限度地降低直流电能的线路损耗，并实现直流电逆变、最大功率点跟踪、运行状态监控、电网过压欠压保护、防雷保护、故障判断、运行控制、数据通讯等功能，以确保所输送电力的各项技术参数完全符合国家标准和电网安全。

本系统由太阳电池组件、并网逆变器、运行监控、数据存储显示以及输配电等设备组成，安装面积1万平方米，总装机容量为1MWp，日均发电3,000kWh、年发电大于110万kWh。

拟采用铝合金制作电池组件的支撑架，并通过螺栓紧固。

考虑到长年防腐蚀，铝合金结构件表面均有阳极氧化防护层。

系统采用100kVA集中式高效大型并网逆变器并通过配套的输配电系统接入新能源公司的低压局域交流电网。

在白天阳光充沛且电力紧张的时刻，光伏电站将作为安徽电网的重要来源，不但提供了大量的电力，缓解了用电高峰的供电紧张状态，更可成为国家绿色环保项目的示范工程。

3技术方案

3.1．设计依据及说明

3.1.1太阳能资源状况

全国各地太阳能资源状况一览表

区域划分

丰富区

较丰富区

可利用区

贫乏区

年总辐射量

KJ/㎝2年

≥580

500-580

420-500

≤420

全年日照时数

≥3000小时

2400-3000小时

1600-2400小时

≤1600小时

地域

内蒙西部、甘肃西部、新疆南部、青藏高原

新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧、海南、台湾

东北北端、内蒙呼盟、长江下游、两广、福建、贵州部分、云南、河南、陕西

重庆，四川、贵州、广西、江西部分地区

特征

日照时数≥3300小时，年日照百分率≥0.75

日照时数2600-3300小时，年日照百率0.6-0.75

太阳能丰富区到贫乏区的过渡带

日照时数≤1800小时，年日照百分率≤0.4，建议不使用太阳能的地区

连续阴雨天

2

3

7

15

由以上可以看出，本拟建项目所在地区应该属于太阳能资源可利用地区，推广、利用太阳能资源是可行的。

3.1.2环保清洁、生态示范的设计理念

太阳能光伏发电是利用自然太阳能转变为电能，在生产过程中不消耗矿物燃料，不产生污染物。

颐和新能源太阳能光电建筑应用一体化示范项目坐落于池州经济技术开发区颐和生态产业园内，充分现有生产厂房屋顶12000平方米的面积，不占用园区内工业用地，站址远离居民集中居住区。

同时在中国首个生态旅游城市—池州建设太阳能光电建筑应用一体化工程，对于推动池州生态经济建设和发展，具有良好的宣传示范效应。

3.2、光伏建筑一体化设计

3.2.1设计方案

本工程采用国际上已广泛应用的并网供电系统，较之以往需大量配置蓄电池的独立供电系统，具有效率高、自重轻、造价低、运行可靠、维护简单的优点。

其电气设计原理为：

太阳电池组件由于光伏效应产生光生直流电，各个子阵所产生的直流电经过串联和并联接入逆变器的直流输入端，再由逆变器的交流输出端经交流控制柜输送至公司的局域电网中。

根据计算可知1MWp的并网发电系统由25串216并，共5,400块太阳电池组件构成。

每8串电池组件接入1台汇流箱，系统共计有27台汇流箱，接入10台100kW并网逆变器，经过逆变后送入400V低压电网。

为了更好地防雷和方便维护，27台汇流箱及低压成套配电柜都带有浪涌保护器。

方阵的每一串太阳电池组件首先进入汇流保护装置中的分路输入断路器，然后通过各自的逆止二极管与总断路器的输入端口相连，最后通过总断路器的输出端口将方阵的电能送入并网功率调节器，装置内部输入及输出都设置有电涌保护吸收装置，能够将太阳电池方阵侧产生的高电压脉冲吸收掉，并通过接地线导入大地，以保证发电系统设备的安全使用。

3.2.2电站采取的环保治理措施

a、大气污染防治

本项目无大气污染。

b、废水治理

本工程生产过程中无需工业用水，且本工程厂区采用无人值守的方式，亦不产生生活污水，可实现零排放。

c、噪声治理

太阳能光伏发电运行过程中产生噪声声源的只有变压器，本工程变压器容量小、电压低，运行中产生的噪音较小；同时变压器布置在室内，采取一定措施后，室外噪音分贝远低于国家标准，厂界噪声可高标准达到《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB12348－2008）Ⅲ类标准。

d、电磁辐射

光伏电场升压站远离城镇生活区，且电磁波绝对辐射量极小，因此可认为无电磁波的不利影响。

e、雷击

本工程太阳能光伏发电系统拥有较完善的避雷系统，可避免雷击对设备、人身造成影响。

同时为避免雷雨季节造成人身伤害事故，光伏电场建成后必须安设警示牌，雷雨季节，应注意安全，以防万一。

根据相应设计规程的要求，并网逆变器及变电站内主要电气设备均采取相应的接地方式，能满足防雷保护的要求。

f、光污染

本工程采用多晶硅电池板，电池板内多晶硅表面涂覆一层防反射涂层，同时封装玻璃表面已经过特殊处理，因此太阳能电池板对阳光的反射以散射为主，其镜面反射性置于屋顶之上，几乎不产生光污染，另外本工程厂区远离城镇生活区，周围无居民居住，故本工程光污染不会对周围环境造成影响。

3.3、并网系统设计

3.3.1总平面设计

本工程采用单晶硅太阳能电池组件。

选用185W的单晶硅电池组件5400块，总容量为1000kWp。

划分为10个100kWp子系统，根据计算，每8串电池组件接入一台汇流箱，经过逆变后送入400V低压电话和增压后送入10KV高压电网。

整个工程占用屋顶面积为1万平方米，考虑到示范电站工程的示范效应，整个太阳能板按分区布置，分区之间设置2m宽通道，每排太阳能板之间设置3m宽的检修通道。

总平面图设计如图所示：

全部图片

局部图片

3.4并网系统设计

3.4.1并网系统简介

安徽颐和新能源太阳能光电建筑一体化示范工程使用金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程关键设备入围企业--江阴海润太阳能电力有限公司单晶硅光伏组件（型号为HR-185，电池转换效率为16%），使用单晶硅光伏组件5400块，太阳能光伏列阵使用10台公司的100K（EHE-N100）三相并网逆变器，经过逆变后一方面送入400V低压电网，另一方面通过增压后并入高压电网，即组成三相低压再通过变压器与公共电网系统连接。

该光伏发电站以10kV电压等级接入系统，电站的多个光伏阵列—逆变器组以0.4kV接入光伏发电站升压变压器的低压侧母线，通过主变升压至10kV侧。

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《电力系统电压和无功电力技术导则》，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应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。

本工程中光伏发电系统以10kV电压等级接入系统，系统10kV侧功率因数约在0.98。

为满足无功就地平衡的原则，按太阳能光伏发电系统装机容量的60％配置无功补偿装置。

本工程中单晶硅电池板方案总装机容量约1000KWp，可配置约600kvar的电容器。

3.4.2并网系统原理图

光伏系统局部原理图

整个系统共有1000KW，共10个光伏方阵，系统共有10台EHE100K3逆变器，27个汇流箱，1个交流汇流柜，1台变压器。

光伏系统原理图二

本光伏建筑一体化示范电站在既有建筑的基础上建设以太阳能为能源的资源综合利用项目，是符合国家产业政策的节能环保项目。

该光伏发电站以10kV电压等级接入系统，电站的多个光伏阵列—逆变器组以0.4kV接入光伏发电站升压变压器的低压侧母线，另通过主变升压至10kV侧。

系统采用一台升压变压器，升压到10KV后汇集到中压并网柜中，接入系统条件较好，由于本电站装机容量较小，所发电量可以就近消化。

太阳能电池阵列接线图

整个系统由1000kW的单晶硅光伏组件组成，共计5400块电池板，分成10个阵列，共有10台逆变器，每8串电池组件接入一台汇流箱，合计27台汇流箱。

上图为两个电池板阵列图，分别接到两个直流集线箱中,其余阵列同此。

直流配电柜接线图

整个系统共有10008KW，共10个方阵，共10个直流配电柜，编号为直流配电柜01#~10#，直流配电柜内每条线路均配SPD。

逆变器接线图

逆变器的接线方式，如上图所示。

以逆变器接线为例，根据直流配电柜每一台输出端的线号对应接逆变器的输入端。

逆变器的输出按线号对应接（低压配电柜原理图）相应输入端。

整个系统共有10台逆变器，上图为逆变器接线图。

3.4.3初步结论

太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富，即可免费使用，又无需运输，同时光伏发电作为一种清洁能源既不消耗资源，又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，不会产生废渣堆放、废水排放等问题，有利于周边环境的保护和生态环境的改善。

4、主要产品、部件及性能参数

世界光伏组件在过去15年平均年增长率约15%。

90年代后期，发展更加迅速，最近3年平均年增长率超过30%。

在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。

商品化电池效率从10%-13%提高到13%-16%，生产规模从1-5MW/a发展到5-25MW/a，并正在向500MW甚至1000MW扩大。

国内光伏产业方面，随着上海太阳能科技有限公司、江苏林洋新能源有限公司、无锡尚德太阳能、保定天威英利等中国光伏新建企业产能的逐渐释放，2003和2004年中国光伏产业保持了快速的增长势头，尽管2003年底以来硅片的短缺多少影响了中国光伏产量的进一步放大。

截止2009年底中国光伏电池总产能超过1500MW，组件总产能超过910MW，总体生产规模已经跻身世界五强行列。

但是国际上最大的并网应用光伏市场在国内仍然处于零星示范论证阶段，中国光伏生产规模的增量大部分用于出口市场。

目前国内商业化生产的光伏电池主要以单晶硅电池和多晶硅电池为主，效率在11-17%左右。

为降低投资成本，本工程太阳能光伏电站设备将采用国产设备，光伏电池板、逆变器原则上采用国产。

本项目太阳能光伏发电系统主要设备包括太阳能电池组件、并网逆变器、直流集线箱、变压器等，其性能及参数如下：

4.1光伏组件

目前占主流的太阳电池是单晶硅池、多晶硅和非晶硅等硅太阳电池。

国内几家大型太阳能电池商业化生产的光伏电池主要以单晶硅电池和多晶硅电池为主，其中多晶硅效率在11-15％左右，单晶硅电池效率在12-17％左右。

由于目前国际市场上光伏电池需求量较大，特别是单晶硅电池由于原材料供应紧张，电池转换效率高，使得单晶硅的价格高于多晶硅，按目前市场价格，太阳电池片两者单价相差2元/W左右。

由于单晶硅电池组件在组件面积利用上低于多晶硅电池组件，使得相同面积和功率的太阳能组件价格持平。

本工程根据国内光伏电池产业发展现状，以及场址可供利用的面积的实际情况，光伏电池选型以单晶为主。

选用江阴海润太阳能电力有限公司单晶硅太阳能电池组件，单晶硅的电池单元的效率高达16%，具有良好的性能和使用寿命。

表1：

选用的光伏电池组件参数

类型

单晶硅组件

型号

HR-185

功率

185W

尺寸

1334×9941×40mm

重量

17kg

开路电压Voc

24V

短路电流Isc

8.35A

系统电压

1000V

短路电流温度系数

0.050%/°C

绝缘电阻

≥1000兆欧

开路电压温度系数

-0.34%/°C

功率温度系数

-0.5%/°C

工作温度

-40℃～+90℃

4.2支架设计

根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，通过RETScreen软件分析,倾角等于25°时全年接受到的太阳能辐射能量最大,比水平面的数值高约6.66%。

确定太阳能光伏阵列安装倾角为25°。

支架的安装如下图所示:

支架安装的阵列示意图

4.3汇流装置

为尽量降低系统的系统本身的能耗，将采用专业设计的直流配电箱，作为光伏组件串的汇流箱。

该设备可以直接对输入的组件串进行测量和比较，可靠地检测出各路光伏组件串可能发生的故障。

为减少组件串导线过长而产生的电力损耗，汇流箱可安置在组件支架上，并尽量靠近对应的组件串。

该系统所采用的汇流保护装置外壳的防护等级为IP40，就近设在太阳电池方阵架台上以减少线路损耗。

且采用防水、防尘设计，装置外门的左侧设有门锁，以防止非专业人员随意进行操作，从而保证了系统的安全运行。

其外形尺寸为（宽）500mm×（深）160mm×（高）600mm，重约25Kg。

4.4并网逆变器

除太阳能电池组件外，并网控制逆变器是系统的关键设备。

为保证电站工程质量和光伏电站的发电效率，将采用安徽颐和新能源公司的100KW高效率并网控制逆变器10台，此类设备具有较高的直流输入电压，可最大限度地降低直流电能的线路损耗，并实现直流电逆变、最大功率点跟踪、运行状态监控、电网过压欠压保护、防雷保护、故障判断、运行控制、数据通讯等功能，以确保所输送电力的各项技术参数完全符合国家标准和电网安全。

该设备为落地式安装，内部主要由太阳能并网逆变单元、计量显示单元、输入输出配电单元等组成。

为保证产品的可靠性及一致性。

由逆变器输出的三相交流电进入低压开关柜是光伏发电系统与外电网的连接枢纽。

通过该设备，可实现光伏发电系统与外电网的双向通断、监测、保护以及对输出电力的计量。

该设备由防浪涌保护器、隔离开关、空气开关、电度表、电流表、电压表以及其它元器件组成。

低压开关柜的为室内落地式，电缆进出线为下进、下出线方式，箱内塑料元件应无卤素，CFC，阻燃，自熄。

箱体采用Q235不锈钢板制作，防护等级为IP42。

低压开关柜的设计、制造将满足中国国家标准。

所有元器件均采用著名品牌的产品。

EHE-N100K逆变器原理图

⏹EHE-N100K的输出数据（电网侧）

额定交流输出功率

100KW

总电流波形畸变率

＜3%（50%额定功率下）

功率因数

＞0.99

最大效率

96.5%

欧洲效率

95.3%

允许电网电压范围（单相）

330V-450AC

允许电网频率范围

47.5Hz~51.5Hz/57.5Hz~61.5Hz

交流电网接入方法

冷压端子

夜间自耗电

＜30W

电网监控

符合UL1741标准

保护

极性反接保护、短路保护、孤岛效应保护、过热保护、直流过载保护、接地保护

4.4防雷装置

采用国际先进的[E.S.E]提前放电避雷针，该产品是法国人发明的一种新型避雷针，它的原理是：

在闪电击发至被保护的物体前，提前在空中把雷电流中和消融。

它平时积存能量，在雷电发生的瞬时发出电波。

平时无需动力、电源、也没有放射性物质。

由于提前放电避雷针对直接雷的防护范围是普通富兰克林避雷针的10倍，因此由提前放电避雷针构成的防雷系统能较好地解决防雷安全与密集避雷针遮挡光伏电池的矛盾。

该避雷设施已获我国防雷管理部门认可。

整个支撑架应具有良好的接地回路，以形成一个完整的导电网状结构，每块组件必须用专用铜缆线形成良好的接地状态。

在交、直流电气回路中应逐级设置防雷模块，以防止雷电感应电压的冲击。

4.5变压器

选用SZ9-1250/10KV有载调压电力变压器，适用于10kV,50Hz输配电系统中，可供工矿企业和动力照明之用。

产品适用的各种条件按GB1094《电力变压器》标准。

额定容（KVA）

电压组合

调压范围

连接组标号

空载损耗（W）

负载损耗（W）

空载电流（%）

短路阻抗（%）

总重（KG）

外型尺寸（长x宽x高）

（mm）

轨迹（mm）

高压KV

低压KV）

1250

10.5

0.4

±4x2.5%

Dyn11

1950

13440

0.6

4.5

3560

2000x1200x1750

820x820

选用的变压器的参数

5．系统能效计算分析

5.1、系统效率

5.1.1光电系统效率

系统由太阳能光伏组件，逆变器等组成，整个系统的效率和光伏组件转换效率，逆变器效率，直流传输损耗等相关，系统效率计算如下：

系统效率=光伏组件效率×逆变器效率×（1-直流线损率）×其他效率

系统效率=16%×96.5%×（1-1%）×80%=12.2%

其中电流损耗计算如下：

电池板直流损耗计算

光伏专用电缆长度为12800X4米，线径为4mm2，总共使用4台逆变器，平均每台逆变器使用1394块光伏组件，组件采用17块串联82组并联的方式运行。

每个回路的峰值电流为4.99A，光伏专用电缆的电阻率为4.3Ω/km，线路损耗为：

线路损耗=（回路电流）2×回路电阻

=（回路电流）2×（线缆长度×线缆电阻率）

=4.992×[12800×4×（4.3/1000）]

=5495.1W

配电柜直流损耗计算

电缆长度为838米,线径为16mm2，回路的峰值电流为54.89A，电缆的电阻率为1.15Ω/km，线路损耗为：

线路损耗=（回路电流）2×回路电阻

=（回路电流）2×（线缆长度×线缆电阻率）

=54.892×[838×（1.15/1000）]

=2903.5W

逆变器电流损耗计算

电缆长度为16米,线径为95mm2，回路的峰值电流为204.59A，电缆的电阻率为0.20Ω/km，线路损耗为：

线路损耗=（回路电流）2×回路电阻

=（回路电流）2×（线缆长度×线缆电阻率）

=204.592×[16×（0.20/1000）]

=670.6W

线路损耗在总发电功率当中占到的比率为：

线损率=（线路总损耗/总发电功率）×100%

=[（5.4951+2.9305+0.6706）/1003.68]×100%

=0.91%

考虑电缆接头接触电阻等其他因素的影响，线路总损耗不超过1%，其他效率包括交流配电损耗、灰尘对太阳能电池转换效率的影响等等。

5.1.2、衰减率预测

单晶硅衰减曲线：

第一年内衰减率小于5%，使用十年后功率衰减率不超过10%，组件使用20年输出功率不超过20%，组件使用寿命不低于25年。

5.1.3、发电量

池州地处东经116°38'--118°05'，北纬29°33'--30°51'；气候温暖，四季分明，雨量充足，光照充足无霜期长，属暖湿性亚热带季风气候。

年平均气温16°C，年均降水量1500mm，年均日照率45%，年均无霜期220天，最长286天。

池州每年最热为7月，平均温度为28.3℃，需注意防暑；最冷为一月，平均温度为3.4℃，年平均风速为3.1米/秒。

根据有关资料统计,池州地区年太阳辐射总量472.3千焦/平方厘米。

年平均晴天数约为300天/年，全年日照时数1934.4小时。

5.1.4、最佳倾斜角25°确定计算

从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。

对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

Rβ＝S×[sin（α+β）/sinα]+D

式中：

Rβ——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量

S——水平面上太阳直接辐射量

D——散射辐射量

α——中午时分的太阳高度角

β——光伏阵列倾角

根据当地气象局提供的太阳能辐射数据，通过RETScreen软件分析,倾角等于25°时全年接受到的太阳能辐射能量最大,比水平面的数值高约6.66%，确定太阳能光伏阵列安装倾角为25°。

投标文件给出年均全天总日射量为3.73小时，全年为1349时，折合斜面上峰值日照时间为1458.1小时。

5.2、发电量计算方法

根据光伏电场场址周围的地形图，经对光伏电场周围环境、地面建筑物情况进行考察，建立的本工程太阳能光伏发电场上网电量的计算模型，并确定最终的上网电量。

单位面积电池板水平布置时的年发电量g计算如下：

kW·h/m2

其中：

Eq为多年平均年辐射总量，暂取4900MJ/m2；

η转换效率，根据厂家资料取多晶硅电池片取14.4%，单晶硅电池组件取16.0%。

理论发电量是在理想情况下得出发电量计算，实际上网电量受较多因素影响，估算难度较大。

在光伏电场