天和家太阳能光伏发电系统应用案例研究报告新能源论文毕业文章.pdf

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1、一.项目简介 1.天和家园住宅小区概况 浙江省慈溪市天和家园住宅小区占地面积 64 788m2,总建筑面积 13.4 万 m2。小区住宅整体布置方式为南北朝向，南北均无高大建筑物，无遮阴情况，日照充 分。小区建筑住宅以多层为主，屋顶呈人字形，楼高。计划在天和家园 20 号楼 屋顶装设太阳能电池板，建住宅小区太阳能光伏发电示范电站。20 号楼口前处 于在建状态，-屋顶可利用面积有：西侧平台，面积 87m；斜屋面，W-陥共 7 块，总面积(斜面);露台，LL 共 5 个，总面积。叶 2设计要求 a.该项 H 有一定的公众影响力。美观与否非常重要，要求光伏电池组件的安装 应保持屋顶的风格和美观，并与

2、小区及周用环境相协调。b.该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电，包括：地下车库西区照明 灯352kW,地下车库东区照明灯 21.4kW,智能化设备 2kW 等。要求在阴雨 天气时，应能使用城市电网为公用负荷供电。c光伏电站建设费用计入小区开发成本。建成后随小区移交物业管理，要求节 省投资。维护管理方便。二、光伏发电系统运行方式的选择 太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类。即：独立运行和并网运行。独立运 行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区。山 于必须有蓄电池储能装置，所以整个系统的造价很高。在有公共电网的地区。光 伏发电系统一般与电网连接，即釆用并网运行方

3、式。并网型光伏发电系统的优点 是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元。山于蓄电池在存储和释放电 能的过程中，伴随着能量的损失，且蓄电池的使用寿命通常仅为 58 年，报废 的蓄电池乂将对环境造成污染，所以，省去蓄电池后的光伏系统不仅可大幅度降 低造价，还具有更高的发电效率和更好的环保性能，且维护简单、方便。在建筑 密度很大的城市住宅小区中，能够安装太阳能电池板的面积有限，住宅小区屋顶 光伏发电系统的容量通常远远小于其变压器的容量，即光伏系统的发电功率始终 小于小区负载的功率，没有剩余电能送入上级城市电网。综合考虑，该光伏发电系统拟采用并网运行方式.并在小区内局部并网，不考虑 将电能输入上级

4、城市电网，系统原理图如图 1 所示。采取小区内局部并网运行方 式提高了上级城市电网的安全性。三.系统设计 1 设计依据 该系统的设讣依据有：光伏系统并网技术要求(GB/T19939-2003)；当地气象 资料；建设方提供的相关资料及要求。2.光伏系统太阳能电池组件的配置方案(1)最佳方阵倾角的确定 0.0.00.-121和东经 121 慈溪市介于北纬 30 之间，处于北亚热带 0202-304224南 缘，属季风型气候。平均年日照时数 2038 小时，太阳年辐射量 4 000、4“年日照百分率 47%。查阅相关资料可知，800MJ/m 太阳能电池组件方阵最佳 倾。角为 30(2)太阳能电池组件

5、的选择与布置(a)太阳能电池组件的选择 前，高效晶体硅太阳能电池的光电转换效率已达 21%以上，大批量生产的单 晶硅光伏电池组件的光电转换效率也已达到 14%以上。该系统选用了常州天合 光能有限公司生产的 rlSM 一 175D 型高效单晶硅电池组件.其外形如图 2 所示。TSM-175D 型电池组件技术参数如下，峰值功率：Pm=175WP：开路电压：二；最佳工作电压：U 二；短路电流：I二；最佳工作电流：，nr：重量：G=16kg：尺逊 寸：长 X 宽 X 厚二 1 581 mmX 809mmX 40mm。（b）太阳能电池组件的布置 将太阳能光伏发电应用于城市住宅小区时，与建在边远地区、荒漠

6、地区的独立光 伏电站有很多不同点，不能简单地将太阳能电池方阵按最佳倾角的要求布置，必 须要充分考虑与周圉环境的协调和美观。根据建设方提供的加号楼屋面图参见图（3）以及现场考察情况，电池方阵布置方案如下：”。30 块，方阵倾角为。釆用锯齿型方阵。共安装组件 36 西侧平台面积 d.87m 功率为：175WpX36=6300W。b.斜屋面 W 祁，共 7 块小屋面可安装太阳能组件，总面积（斜面），与斜屋:“。功率为：175WX 87=15 块，方阵倾角为斜屋面坡度 31225Wpo 87 面平行安装组 件 c顶层露台上方装饰性花架有 LL 共 5 个可安装太阳能组件。面积考 虑露台的采光和建筑的整

7、体布局和美观。将露台上方装饰性花架前半部分空出一:安装组件，共安装组件 126 定面积，保持装饰性花架的原貌，后部约有 163 功率为：175WpX126=22050Wp 块，为减少风压及屋顶的美观，方阵倾角为 7。该 布置方案共安装了 TSM-175D 型高效单晶硅太阳能组件 249 块，总功率为 43 575W 配置、计算。43kWpo,设计按典（3）太阳能组件的分组串接 从系统效率考虑，直流电压越高效率就越高，住宅用电电压为 220400Vo 安装 组件时，原则上要在同一日照条件使用串联的组件，否则，其他组件会受输出量 最低组件的影响导致整体输出严重下降。该方案屋面布置的太阳能电池组件在

8、安 装后的光照有两种情况：a.平台、露台上方装饰性花架安装的组件将不会受到建筑物等的挡光影响；b.斜屋面安装的组件在每天的不同时间段，其光照将会受到不同方向建筑的一 定影响。为了将组件串接后的热斑效应损耗降到最低，将受到不同方向建筑物影响的组件 进行分组。将受到相同方向建筑物影响的组件归为一组。并且在系统中采用多组 串逆变器（在后面的逆变器中详述）。为了平衡逆变器的功率，每台多组串逆变器 都接入了多组的组件。山多组串逆变器的每路 MPPT（大功率跟踪）电路对每路 组件进行最大功率点跟踪，从而使因挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。电池组件分组数参见图 3 所示（电池组件被圈的为一组）。3并网

9、逆变器选择和配置方案（a）并网逆变器的选择 并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备其主要功能是把来自太阳能电 池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并把电力输送 给与交流系统连接的负载，同时还具有极大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功 能和异常或故障时的保护功能，即：尽可能有效地获取因天气变化而变动的太 阳能电池方阵输岀所需的自动运行和停机功能，以及最大功率跟踪控制功能：保护电网安全所需的防单独运行功能和自动电压调整功能 电网或并网逆变器 发生异常时，安全脱为南北朝向南北均无高大建筑物无遮阴情况日照充分小区建筑住宅以多层为主屋顶呈人字形楼高计划在天和家园号楼屋顶装设太阳能

10、电池板建住宅小区太阳能光伏发电示范电站号楼口前处于在建状态屋顶可利用面积有西侧平台面积件的安装保持屋顶的风格和美观并与小区及周用环境相协调该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电包括地下车库西区照明灯地下车库东区照明灯智能化设备等要求在阴雨天气时能使用城市电网为公用负荷供电光伏电站建设阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类即独立运行和并网运行独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置主要用于无电网的边远地区山于必须有蓄电池储能装置所以整个系统的造价很高在有公共电网的地区光伏发电系统网或停下逆变器的功能。已进入实用阶段的并网逆变器的回 路方式有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式和无变

11、压器方式 3 种。其中无变压器回路方式因在成本、尺寸、质量和效率等方面具有优势而被广泛采 用。该系统的并网逆变器选用德国艾思玛公司(SMA)生产的 Sunny Mini Central 系列 SMC6000TL 型无变压器集中式逆变器和 Sunny Boy 系列 SB5000TL MultiString 型无变压器多组串逆变器，具有过压保护、对地故障保护、孤岛效 应保护、过载保护、短路故障保护等完善的保护功能，并具有内置逆变采集器和 RS483、RS232 通信接口，可方便地获取逆变器的运行参数(直流输入电压和电流、交流输岀电压和电流、功率、电网频率等)。其技术参数如表1 所示。多组吊逆变器采

12、用了每路独立的最大功率跟踪，可以处理不同朝向和不同型号的 光电组件，也可以弥补不同连接串中的光电组件数量和部分阴影的影响。因而可 以有效地避免屋面安装的组件因阴影引起的功率损失。(b)逆变器与电池组件的分组匹配 逆变器与电池组件的分组串接如图 4 所示。在标准测试条件下逆变器所接入的每 路组件数量、输入电压、功率如表 2 所示。对照表 1 可知，该方案逆变器与电池 组件的配置是合理的，满足要求。4.太阳能光伏发电系统负载的选择 从严格意义上说，并网光伏发电系统是将整个城市的电网系统作为自己的储能单 元，因而，光伏系统所带负载时任意的，不存在选择问题。但山于我国可再生 能源法刚刚于 2006 年

13、 1 月 1 日实施。可再生能源法的“上网电价法”和“全 网平摊”法规尚未实施，这就带来了住宅小区移交物业管理后电费管理上的困难。因而，为了更好地保证上级城市电网的安全，方便管理，太阳能并网光伏系统负 载的选择原则应是使屋顶并网光伏系统的发电功率小于所带负载的用电功率，并 且尽可能使负载的用电时间与光伏系统的发电时间相匹配。2 个箱变，其中天和家园设置了高圧环网站一座，在小区各负荷点设置了 7箱变 1000kV.A.其它均为 630 kV-kV箱变为 800 A,6A。与光伏系统公共接箱变 变压器容量为 630RV-4A,主要供小区公用负荷用电。天和家入点相连的园公用 负载主要有：地下车库西区

14、照明灯 35.2kW,地下车库东区照明灯 21.4kW,智 能化设备 2 kW,以及小区景观灯、围墙灯等。地下车库照明负荷曲线与太阳光 日照曲线接近，因此，选择地下车库照明和智能化设备用电为光伏系统的负荷。总负荷功率为 586kW,大于光伏系统的峰值功率 43kW,且所安装的光伏系统 峰值功率 43kW。不到所连 4#箱变容量的 10%,保证了无电能输入上级城市电网，符合设计要求。四、防雷设计 1.防直击雷措施 直击雷是抬直接落到太阳能电池阵列、低压配电线路、电气设备以及在其旁的雷 击。防直击雷的基本措施是安装避雷针。山于该光伏系统中的外置设备在整把所 有屋顶电池组件的钢结构与屋顶建所以设计为

15、：个环境中不是最高建筑物，筑的防雷网相连，以达防雷击的 L1 的，并符合光伏(PV)发电系统过电压保护-导则(SJ/T1U27)中有关规定。为南北朝向南北均无高大建筑物无遮阴情况日照充分小区建筑住宅以多层为主屋顶呈人字形楼高计划在天和家园号楼屋顶装设太阳能电池板建住宅小区太阳能光伏发电示范电站号楼口前处于在建状态屋顶可利用面积有西侧平台面积件的安装保持屋顶的风格和美观并与小区及周用环境相协调该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电包括地下车库西区照明灯地下车库东区照明灯智能化设备等要求在阴雨天气时能使用城市电网为公用负荷供电光伏电站建设阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类即独立运行和并网运行

16、独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置主要用于无电网的边远地区山于必须有蓄电池储能装置所以整个系统的造价很高在有公共电网的地区光伏发电系统2.防感应雷措施 太阳能光伏发电系统的雷电浪涌入侵途径，除了太阳能电池阵列外。还有配电线 路、接地线以及它们的组合。从接地线侵入是山于近旁的雷击使大地电位上升,相对比电源高，从而产生从接地线向电源侧反向电流引起的。根据 SJ/T11127 中有关规定。该系统主要采取以下措施：a.在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置，并分散安装在防雷接线箱内。屋顶光伏并网发电系统在组件与逆变器之间加入防雷接线箱，不仅对屋顶太阳能 电池组件起到防雷保护作用。还为系统的

17、检测、维修、维护提供了方便。缩小了 电池组件故障检修范用。该设计选用了 IP65 防护等级的 TRI-FL型接线箱。并 随组件方阵直接安装在室外。其接人方式参见图 4。b.在并网接人控制柜中安装避雷元件，以防护从低压配电线侵入的雷电波及浪 涌。并网控制柜原理图参见图 5 所示。五.电缆选择 组件之间的连接电缆和组件与逆变器之间的电缆都使用在户外，直接暴露在阳光 下，因此，该光伏系统直流部分选用耐氧化、耐高温、耐紫外线的 DCEYHR 系列 电缆，以保证系统长时间的安全正常运行。六.支架设计 慈溪地区为沿海地区。在抗风压以及抗腐蚀方面采取了以下措施：a.所有支架采用国标型钢，多点结合，即：增加钢

18、支架与屋面结构和相关承重 结构的连接点，将受力点均匀分布于各承重结构上。按抗 12 级台风要求进行力 学设计计算各连接点选用特制型钢和不锈钢螺栓连接。b.所有支架都采用热镀锌，局部外裸部分喷涂氟碳涂料来有效防腐。七.监控系统设计 该监控系统选用徳国艾思玛公司（SMA）配套生产的 Sunny Boy Contwl Plus 产品，具有强大的监控功能：a.监控系统内置可连接外部传感器的输入测量端口和操作界面。包含 8 个模拟 量（如温度、辐照度、气压、湿度等）和 8 个数字量（如风速、智能电表等）输入接 口。b.通过 RS485 通信总线与逆变采集器相连接，获取每组光伏组件的发电情 况和 每台逆变

19、器的发电功率。.C.监控系统可以存储数据，记录 250 个数据通道，可以显示实时运行状况，分 析运行数据。d.监控系统可以连接外置显示屏昆示户外系统运行情况。也可以与远程监控器 相连，实现无线远程连接，远程管理员通过普通手机即可了解到系统的运行情况。八.总结 a.携殳计方案充分考虑了各种因素和要求，在遵循国家标准 光伏系统并网技 术要求的前提下，充分体现了其科学性、经济性、美观性、示范性、人性化等 特点，选用的高效率单晶硅电池组件、高效率并网逆变器、多组串逆变器、监控 系统（可拓展到远程监控）等也充分反映了这些特点，达到了最佳效果，有着较 好的示范性和影响力。b太阳能是一种清洁、可再生能源，太

20、阳能光伏发电实现了直接将太阳能转化 为电能。我国人 LI 众多。人均能源资源量较低，发展可再生能源是落实科学发 展观的必然选择。其中太阳能发电是最有前景的技术之一，从环境保护和能源战 略上都具有为南北朝向南北均无高大建筑物无遮阴情况日照充分小区建筑住宅以多层为主屋顶呈人字形楼高计划在天和家园号楼屋顶装设太阳能电池板建住宅小区太阳能光伏发电示范电站号楼口前处于在建状态屋顶可利用面积有西侧平台面积件的安装保持屋顶的风格和美观并与小区及周用环境相协调该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电包括地下车库西区照明灯地下车库东区照明灯智能化设备等要求在阴雨天气时能使用城市电网为公用负荷供电光伏电站建设阳

21、能光伏发电系统的运行方式可分为两类即独立运行和并网运行独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置主要用于无电网的边远地区山于必须有蓄电池储能装置所以整个系统的造价很高在有公共电网的地区光伏发电系统重大意义。C.将太阳能光伏发电技术应用于城市住宅小区建设项国内 H 前尚无先例。我国新能源法已从 2006 年 1 月 1 日正式实施，随着“上网电价法”和“全网平 摊”等法规的进一步实施，光伏发电的成本将接近于商业化，这必将极大地推动 我国光伏产业的发展相信不久的将来，我国民用建筑物的屋顶太阳能并网光伏 发电系统将会得到广泛的应用。为南北朝向南北均无高大建筑物无遮阴情况日照充分小区建筑住宅以多层为主屋顶呈人字形楼高计划在天和家园号楼屋顶装设太阳能电池板建住宅小区太阳能光伏发电示范电站号楼口前处于在建状态屋顶可利用面积有西侧平台面积件的安装保持屋顶的风格和美观并与小区及周用环境相协调该光伏电站主要提供天和家园小区公用设施用电包括地下车库西区照明灯地下车库东区照明灯智能化设备等要求在阴雨天气时能使用城市电网为公用负荷供电光伏电站建设阳能光伏发电系统的运行方式可分为两类即独立运行和并网运行独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置主要用于无电网的边远地区山于必须有蓄电池储能装置所以整个系统的造价很高在有公共电网的地区光伏发电系统