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屋顶分布式光伏发电系统方案设计

摘要： 随着我国“双碳”目标的提出，越来越多的企业对屋顶分布式光伏项目的认知度和接收度在提高。尤其在“整县推进”政策的推动下，我国的分布式光伏也迎来爆发式发展的新契机。在工商业屋顶建设分布式光伏，具有强大的社会以及经济效益。本文介绍了分布式光伏的背景、政策、系统的组成以及上网模式。最后以某工业屋顶分布式光伏电为例，阐述分布式光伏的方案设计。
关键词：分布式光伏 清洁能源 双碳
1. 研究背景及政策
2021年3月我国提出力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，所谓“碳达峰”，是指二氧化碳的排放达到峰值不再增长，意味着中国要在2030年前，使二氧化碳的排放总量达到峰值之后，不再增长，并逐渐下降。“碳中和”，是指在2060年前，中国通过植树造林、节能减排、产业调整等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放。
在碳中和、碳达峰背景下，国家能源局综合司于2021年6月下发了《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，并于9月14日正式印发《公布整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点名单的通知(国能综通新能(2021)84号)》，公布了各地报送的试点县(市、区)名单。根据通知内容，全国共报送的676个试点县(市、区)全部列为整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点。
2、分布式光伏发电系统组成
分
布式光伏发电系统包括光伏组件、逆变器、汇流箱等设备组成[1]，见下图2-1所示。
图2-1 分布式光伏发电系统组成
2.1光伏组件
光伏组件目前最常见的有单晶硅、多晶硅以及非晶硅，各类型电池主要性能如表2-1所示。
表2-1 各光伏组件性能表
电池类型
晶体硅类
单晶硅
多晶硅
非晶硅
商用效率
17%～22%
15%～20%
6%～8%
使用寿命
25年
25年
25年
组件层厚度
厚层
厚层
薄层
规模生产
已形成
已形成
已形成
主要原材料
硅
硅
材料多样
能量偿还时间
2～3年
2～3年
1～2年
生产成本
高
较高
较低
主要优、缺点
效率高技术成熟
效率高技术成熟
弱光效应好成本较低
2.2逆变器
逆变器是把直流电能转化为交流电能的设备，目前屋顶分布式光伏主要使用到的是组串式逆变器。对于逆变器的选型，涉及到多种参数计算，主要从以下几个指标进行论述：
1. 直流输入电压的范围：光伏电池组串的输出电压受外界环境影响较大，例如日照强度、辐射量、天气情况以及负载大小等。因此高性能逆变器需要在较大的直流输入电压范围内正常工作，来获得稳定的交流输出电压。
2. DC/AC转换效率：一般要求大功率逆变器最大转换效率不低于99%，欧洲效率不低于98.3%，中国效率不低于98.2%。在满载时，效率必须在90%或95%以上。
3. 输出波形：由于光伏组件产生的直流电经过逆变器后向公共电网中提供电能，则要求逆变出的电压需和公共电网保持一致，包括电压波形的幅值、频率、相位等。
4. 监控和数据采集：逆变器需配置多种通信接口，以实现后台对逆变器数据的采集和监控，目前逆变器的通讯方式有无线和有线两种形式。逆变器控制器可与外部传感器相连，监控实时的外界环境数据，通过发电量和外界环境的分析，监控整个电站情况。
5. 逆变器其他技术指标还有：输入额定电压、输出额定电压、功率公差、最佳工作电压、最佳工作电流、开路电压、短路电流、输出功率等。下面总结组串型逆变器的特点。

2.3汇流箱
在分布式光伏发电系统中，汇流箱分为直流汇流箱和交流汇流箱，直流汇流箱用在光伏组件后，汇流后接入逆变器。交流汇流箱用来逆变器后，将一定数量的逆变器并联接入汇流箱，汇流箱内配置若干个逆变器接入交流汇流箱。在汇流箱里根据电流大小配置了光伏专用防雷模块、熔断器和断路器等，合理配置汇流箱，能极大的提高分布式光伏项目的经济性。
2. 分布式光伏典型上网模式
上网模式一般分为余电上网模式与全额上网模式[2]。两者具体的区别如下：
1. 自发自用，余电上网模式
余电上网模式又指自发自用，余电上网。在这种模式下光伏发的电优先供给自用，多余的电能再向公共电网供能，这种模式下需要把用户的计量点换成双向计量表，经济效益主要体现在峰谷套利以及向电网售电获得的效益。
2. 全额上网模式
全额上网模式是指光伏发电系统所发的电能不经过自身的任何荷载，直接全部接入公共电网中[3]，将光伏所发电能通过上网标杆电价向电网售电，这个模式下的效益比较单一。
4、实际工程案例
项目拟利用某工厂屋面建设光伏电站约5000万平方米， 共布置540Wp单晶硅组件1036个，组件装机容量559.44kWp。预计首年上网电量可达70.55万kW.h，25年年均上网电量65.79万kW.h，25年总发电量1644.64万kW.h。
4.1接入方案
本工程装机规模559.44kWp。，根据《电力系统技术导则》，宜选择10kV或者0.4kV电压等级接入，考虑项目配电房实际情况，建议本项目的初步接入系统方案按照接入主变低压侧考虑。一次接线图如下所示:

图4-1 低压接入一次主接线图
4.2设备选型
1. 光伏组件:单晶硅太阳能电池组件的功率规格较多，组件功率范围较大，从5Wp到500Wp国内均有生产厂商生产，应该场合也较为广泛。由于本工程装机容量达到559.44kWp。设计优先选用单位面积功率大的电池组件，可以实现采用更少的组件达到相同的装机容量，相应的也节省了支架、支架基础、直流电缆、汇流电缆、支架接地材料等设备材料 费用，有利于降低工程造价。对于本工程而言，采用该型组件可节约用地，节省工程投资。根据组件发展趋势及未来一年内产能情况，本工程推荐采用540Wp的单晶硅组件。
2. 逆变器选型：逆变器的正确选型意义重大，合理的配置逆变器以及选择合适的电气一次主接线对于提高发电效率，降低损耗具有重大意义。本项目属于屋面分布式，适合采用组串式逆变器方案，综合考虑，本工程暂拟选40kW、100kW组串式逆变器方案。
4.3项目开发优势
1. 降低企业能耗，缓解用电紧张问题。
对于大多数生产企业而言，都面临着较为严峻的能源消耗现状，很多企业的用电高峰期都是在电网的峰值电价区间，因此选择建设分布式光伏发电系统能有效的缓解这一压力。
2. 降低电费支出，延长屋顶寿命
屋顶分布式光伏发电系统大多利用自身工商业建筑屋顶，能有限的保护屋面不被太阳直射，起到保护屋面材料的作用。采用自发自用，余电上网的模式能通过峰谷套利以及向电网售电的方式再降低用电成本的同时增加额外收益，大大减少了用户的用能成本。
3. 绿色建筑大势所趋[4]
在当今“双碳”目标以及节能控电的大政策下，“绿色建筑”是大势所趋，未来国家将会通过限制碳排放来倒逼分布式光伏的发展。在雾霾不的现在，建议一个绿色、健康、宜居的环境是大家普遍的追求。
结语：
本文介绍了分布式光伏发电系统的政策背景、系统组成以及上网模式，并以某工业屋顶为案例，分析了分布式光伏发电系统的设计方案。在国家“双碳”目标以及“拉闸限电”的大背景下，分布式光伏发电系统将迎来新的爆发契机。其实人类对美好生活的向往是千百年来的共同追求，利用太阳能发电，能有效减少煤炭燃烧对环境的污染，对营造一个个绿色、健康、宜居的环境有着重大意义，相信这也是时代发展的必然。
参考文献：
[1]韩学栋，王海华，李剑锋.小型分布式光伏发电系统设计[J].电力建设，2014，35(01):104-108
[2]陈清，林冲，古涛，赵永彬.分布式光伏发电设计及安装[J].太阳能，2015，(11):45-47+52
[3]刘胜佳.分布式光伏发电系统的设计与性能分析[J].科技与创新，2016，(20):95-96
[4]周希松.分布式光伏发电系统在民用建筑中的应用[J1.现代建筑电气.2017.8(04):38-41

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