赣州市56kw屋顶分布式光伏电站设计

ABSTRACTPAGEII赣州市56kw屋顶分布式光伏电站设计摘要现代经济的重要支撑是能源，清洁的能源是人类社会生存和发展的重要基础。能源对经济、社会发展起着不可或缺的重要推动作用。进入工业化以来，煤、石油、天然气等化石类能源更成为人类社会赖以生存的物质基础。当今迫切需要新能源来满足国内日益增长的能源消费需求，同时建设环境友好型国家，减少温室气体排放。屋顶分布式光伏发电就是常见的太阳能发电技术，它利用建筑屋顶建设分布式光伏发电系统，合理选择发电相关设备，根据实际条件确定发电系统的关键参数，以提高分布式光伏发电系统对太阳能资源的利用率。本文通过收集和整理太阳能光伏技术，建筑屋顶空间的利用，以光伏发电的屋顶绿色技术和空间开放性设计的综合运用等资料，结合对当地普通建筑屋顶的调研结果，对适用建筑本身的屋顶绿色技术的设计方法做出分析。通过分析屋顶利用情况，将屋顶进行分类，总结建筑屋顶利用性质和改造潜力。通过查阅当地气象局资料，考量当地太阳能资源，确定太阳能辐射资源等级，初步分析是否有收益。与此同时，结合当地经纬度等地理数据，使用NASA的太阳能统计数据，计算出最佳阵列倾角和最佳板间距。了解当地气候，根据当地气候条件选取适宜的支架，结合屋顶分布式光伏发电系统的设计的总功率，达到价格低廉、效率高、使用寿命长的要求，确定逆变器的种类及数量。根据太阳辐射量、系统总效率等数据估算发电量，然后估算系统的成本与预期收益。关键词：光伏发电；逆变器；最佳阵列倾角；最佳板间距Title:DesignofGanzhou56kwrooftopdistributedphotovoltaicpowerstationABSTRACTTheimportantsupportofmoderneconomyisenergy,andcleanenergyisanimportantbasisforthesurvivalanddevelopmentofhumansociety.Energyplaysanindispensableroleinpromotingeconomicandsocialdevelopment.Sincetheindustrialization,fossilenergysuchascoal,oilandnaturalgashasbecomethematerialbasisofhumansociety.Nowadays,newenergyisurgentlyneededtomeetthegrowingdomesticenergyconsumptiondemand.Atthesametime,weneedtobuildanenvironment-friendlycountryandreducegreenhousegasemissions.Roofdistributedphotovoltaicpowergenerationisacommonsolarpowergenerationtechnology.Itusestheroofofbuildingstobuildadistributedphotovoltaicpowergenerationsystembyreasonablyselectingtherelevantequipmentforpowergenerationanddeterminingthekeyparametersofthepowergenerationsystemaccordingtotheactualconditions,soastoimprovetheutilizationrateofsolarenergyresourcesbythedistributedphotovoltaicpowergenerationsystem.Throughcollectingandsortingoutthesolarphotovoltaictechnology,theuseofbuildingroofspace,thecomprehensiveuseofphotovoltaicgreentechnologyandopenspacedesignandinvestigationsoflocalcommonbuildingroofs,thedesignmethodofgreentechnologyforbuildingroofsisanalyzed.Byanalyzingtheutilizationoftheroof,theroofisclassified.Theutilizationpropertiesandtransformationpotentialofthebuildingroofaresummarized.Byreferringtothedataoflocalmeteorologicalbureau,consideringthelocalsolarenergyresources,thelevelofsolarradiationresourcesisdetermined.Ipreliminarilyanalyzewhethertherearebenefits.Atthesametime,usingNASA'ssolarenergystatisticaldatacombinedwiththelocallongitudeandlatitudeandothergeographicaldata,theoptimalarrayangleandtheoptimalarrayspacingaredetermined.Appropriatesupportsareselectedaccordingtothelocalclimateconditions.Tomeettherequirementsoflowprice,highefficiency,longservicelifeandthetotalpower,Ideterminethetypeandnumberofinverters.Accordingtosolarradiation,totalefficiencyofthesystem,thepowergenerated,costandexpectedbenefitofthesystemareestimated.KEYWORDS:Photovoltaicpowergeneration;Inverter;Optimalarrayangle;Optimalarrayspacing目录PAGEI目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 11.3研究方法与论文框架 22屋顶现状调研与分析及当地太阳能资源的分级 32.1建筑屋顶现状 32.2当地太阳能资源的分级 33光伏阵列倾角的计算 74光伏电站系统设计 74.1支架结构 74.2逆变器的选择 85方案成本与效益 96结论与展望 116.1结论 116.2展望 11赣州市56kw屋顶分布式光伏电站设计1绪论能源危机和全球气候变暖两大问题一直困扰着世界各个国家，加之人类对能源的需求越来越大导致新能源尤其是太阳能的而缺口越来愈大。其中，分布式光伏发电将是我国今后光伏发展的重点方向。国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域。分布式光伏的快速发展也对光伏电站的建设水平提出了新的要求，建立一个比较完善、可靠的光伏系统需要考虑资源评估、设备选择以及后期维护等多方面因素。此外，电站的经济性也成为电站评估的重要因素．分布式电站的合理设计将为我国大力发展分式新能源提供技术保障，也将使我国未来的电力行业呈现全新的面貌。1.1研究背景第42任美国总统克林顿在1997年6月26日宣布了太阳能百万屋顶计划,准备在2010年以前。在100万座建筑物上安装太阳能系统,主要是太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统[[]董玉峰,王万录,韩大星.美国光伏发电与百万屋顶计划[J].太阳能,1999(01):29.]。其直接原因有两个：由于温室效应气体，如CO2的大量排放，地球气温逐年变暖,这就要求人们减少常规能源的使用。如果太阳能百万屋顶计划能如期完成，那么到2010年300多万吨CO2[]董玉峰,王万录,韩大星.美国光伏发电与百万屋顶计划[J].太阳能,1999(01):29.随着晶硅技术和工艺的不断突破，国内的太阳能电池及其配套产业也逐渐完备与成熟。在此基础上，国家财政部、住房和城乡建设部发出《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》(财政部财建[2009]128号),财政部同步印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》(财建[2009]129号)《关于印发太阳能光电建筑应用示范项目申报指南的通知》(财办建[2009]34号),简称“三文件”,推出了大幅度补贴示范性光伏发电项目的政策，目的就是要大力推进节能减排,积极开发新能源[[]王长贵.并网光伏发电系统综述(上)[J].太阳能,2008(02):14-17.][]王长贵.并网光伏发电系统综述(上)[J].太阳能,2008(02):14-17.当地的建筑类型丰富，为研究屋顶利用提供了良好的载体。赣州市拥有的建筑类型主要是普通民宿、宿舍公寓、餐饮展览等。其建筑特点，除建筑数量多且类型丰富之外，还具有占地面积大、层数大都在六层以下等特点。而大多数屋顶没有建设保暖层，房屋对热量的持有能力差，屋顶式太阳能正好可以充当这一角色，提高热量的利用能力。对屋顶利用的研究，不仅可以为研究城市屋顶利用提供试验对象，还对屋顶绿色技术在城市中的应用和发展起到示范及推广作用。（2）当地屋顶利用率低，有节能潜力目前，我国大多数建筑屋顶还处于“荒废”状态，少数建筑的屋顶采用了太阳能利用等绿色技术。总体来说，屋顶利用率很低，要么同城市住宅和办公楼等的屋顶一样，被通气孔、楼梯间和机房等所占领，要么严加监管，禁止活动，灰色简陋的屋顶空空如也。这反而为屋顶绿色技术的应用推广带来了机遇。利用绿色技术“占领”大面积闲置的屋顶，对于减少能耗、普及节能技术具有十分重要的意义。1.2研究意义太阳能是可持续再生能源太阳能是可持续再生能源，用之不竭，取之不尽[[]原文君.屋顶及外墙太阳能光伏发电施工技术研究[J].门窗,2019(13):31+34.][]原文君.屋顶及外墙太阳能光伏发电施工技术研究[J].门窗,2019(13):31+34.（1）屋顶是建筑的“第五立面”作为建筑的“第五立面”，屋顶不仅是城市景观的一部分，更是代表着当地的文化思想和发展水平。随着越来越多城市楼宇拔地而起，原有的土地慢慢被屋顶所占领和代替，成为城市最重要的上界面，屋顶在城市不断的发展中将扮演着愈加重要的角色。在不久的将来，屋顶可能会很大程度上决定一座城市的景观容貌的建设和发展。（2）屋顶是空间利用的重要部位对建筑而言，屋顶如同一张名片，标示着该地区对于空间资源的再利用和可持续发展的重视程度。屋顶的再利用研究，对于丰富城市空间，充分利用社会资源有非常重要的意义。在城市用地严重不足的情况下，屋顶的开发可以展开城市空间合理化利用的新思路，是城市新现代化建设的方向，同时也可以为土地补偿做出一份贡献。（3）屋顶是建筑节能的重要部位众所周知，外围护结构的热工性能对建筑的节能效率有极大的影响。屋顶是建筑外围护结构之一，热工性能良好的屋顶有助于发挥建筑本身的保温或隔热作用。（4）屋顶绿色技术是解决城市环境问题的重要方法在拥挤的城市中，充分利用和挖掘每一处空间的节能潜力，无疑是一项极有利的措施。当城市中大面积杂乱无章的屋顶在经过精心细致地设计后，被新能源绿色技术所覆盖，很多城市问题如资源短缺、高能耗等将会得到不同程度的缓解。这对于城市的长远可持续发展有很大的推动作用，对环保意识的宣传也有很大的作用。1.3研究方法与论文框架1.研究方法重点收集和整理的资料包括屋顶绿化、当地太阳能照射数据，太阳能光伏技术，建筑屋顶空间的利用，以太阳能光伏发电为主的屋顶空间开放性设计的运用等。通过现场调研拍照、理论计算、书籍和网络的资料收集，对适用建筑本身的屋顶光伏发电技术的设计方法做出进一步分析。2.论文框架及内容首先对介绍屋顶的社会发展背景和学术研究背景，阐述屋顶对城市景观、空间利用、建筑节能的重要性，引出屋顶对空间利用、技术应用的重要性。概括本文的研究目的、研究方法以及研究内容。在之对屋顶现状调研与分析及当地太阳能资源的调查，掌握最基础的数据以便接下来对光伏阵列倾角及方位角的选择、光伏系统的设计以及计算。最后再将所设计光伏系统的方案成本与效益计算以及分析，再对整篇文章进行总结，分析文章的不足之处。2屋顶现状调研与分析及当地太阳能资源的分级2.1建筑屋顶现状随着越来越多城市楼宇拔地而起，原有的土地慢慢被屋顶所覆盖和替代，成为城市最重要的俯瞰面，但大多被闲置且不具备实际的使用功能，这造成大量社会资源浪费，不利于节能减排[[]李诗若.山东建筑大学屋顶绿色化改造设计研究[D].山东建筑大学,2017.][]李诗若.山东建筑大学屋顶绿色化改造设计研究[D].山东建筑大学,2017.城市规划部门还考虑到以下问题：乡镇，特别是在一些屋顶水平一致的房子开始更新基础设施和控制，屋顶由原来的平屋顶变成了倾斜的；或在平屋顶上增设构架添加装饰物，如平地板框架；总之是为了控制新的它必须设计成一个连续的住宅区。随着太阳能技术的革新，我国太阳能光热利用技术成熟并走入百姓家中，太阳热水器行业经过20年的发展，取得了大批的科技成果，并形成了产业化生产，最后走入百姓家中。在市政规划中拥抱新能源，将太阳能电池纳入新地区规划建设中无疑是解决了资源空置，屋顶吸热不足的问题，同时节能减排为电力资源匮乏的地区缓解燃眉之急。2.2当地太阳能资源的分级赣州市兴国县位于\t"/item/%E5%85%B4%E5%9B%BD%E5%8E%BF/_blank"江西省中南部，\t"/item/%E5%85%B4%E5%9B%BD%E5%8E%BF/_blank"赣州市东北部，介于东经115°01′—115°51′，北纬26°03′—26°41′之间.兴国县地貌以低山、丘陵为主，局部有中山、低山，属江西的山区县。通过查阅当地气象局资料，兴国县县内每年太阳能辐射总量年平方米达104.18万千卡，平均每天可达476.8万千卡／m2*月，最低的二月份，月平方米其值亦有5.2万千卡。4－10月平均月平方米都在8万千卡以上。根据我国太阳能资源划分表2-2，本项目属于太阳能资源Ⅲ类。表2-2我国太阳能资源划分名称分类指标（MJ/m2）占国土面积（%）主要区域最丰富Ⅰ﹥670017.4大部分西藏的地域、新疆的南部、青海、甘肃、内蒙古的西部很丰富Ⅱ5400～670042.7新疆的北部、内蒙古的东部、东北地区、华北地区、青海和甘肃的东部、云南、四川西部等地丰富Ⅲ4200～540036.3黑龙江、吉林、辽宁、安徽、内蒙古东北部、河南、江苏、山东、广东、海南东部、四川贵州、广西的西部等地区一般Ⅳ﹤42003.6四川中部、贵州北部、湖南西北部我们利用pvsys系统将安装地点的气候模拟出来。图2-1录入图图2-2输出图图2-3月辐照量图在PVsyst系统中，由NASA-SSE气象数据显示如图2-3所示月辐照量，根据气象数据显示，所选地点归为资源一般带，可以建设光伏电站进行发电。年平均辐射量为3.68KWh/m2*day。3光伏阵的设计3．1光伏阵列倾角的计算地面应用的光伏发电系统，方阵面通常朝向赤道，并且与地平面有一定倾角[[]孙韵琳,杜晓荣,王小杨,罗力.固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化[J].太阳能报,2009,30(12):1597-1601.]。通过查阅资料，江西地区光伏最佳倾角约为20°方位角为0°，为了更为准确地取得最佳倾角，我们通过光伏软件PVsyst模拟，计算出光伏系统的最佳倾角[[]冯重阳.穆棱地区10MWp并网光伏电站设计[D].东北农业大学,2019.[]孙韵琳,杜晓荣,王小杨,罗力.固定式并网光伏阵列的辐射量计算与倾角优化[J].太阳能报,2009,30(12):1597-1601.[]冯重阳.穆棱地区10MWp并网光伏电站设计[D].东北农业大学,2019.表3倾角与辐照量关系表角度年辐射量（kWh/㎡）151320161322171324181328191332201335211337221339231341241340251339261339271338281337291335301331从表可以看出，光伏倾角为23°时全年接受到的太阳能辐照量最大。因此我们的最佳倾角为23°。3．2最佳板间距的计算最佳板间距的计算关乎组件的是否被遮挡，严重影响太阳能电池组件的照射面积，进而影响它的工作性能，组件工作时如不均匀，更是会影响到组件电池的寿命。参考电池倾角及板间距，如图3-1所示。图3-1电池倾角及板间距具体计算过程如下：α高度角，当地冬至日上午9:00的太阳高度角；γ方位角取0°取：赤纬角δ=﹣23.45°时角ω=-45°纬度φ=25.01°Sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω=sin25.01°sin（﹣23.45°）+cos25.01°cos（﹣23.45°）cos（-45°）=-0.1682+0.5878=0.4098α=arcsin0.4098=27.5°太阳能电池组件与水平面倾斜角度为Z度，Z=27°；多晶硅太阳能电池组件，单晶PERC太阳能电池多晶硅太阳能电池组件尺寸都为a×b=1956×992mmH电池组件固定后的投影高度：H=a×sinZ=1956×sin23°=764.27mmL为电池组件最高点的投影长度，L=H/tanα=764.27/tan27.5°=1468.14mm将上述各数值代入公式计算：D=cosγ×L=1×1468.14=1470mm4光伏电站系统设计4.1支架结构光伏支架的主要功能是支撑，安装和固定光伏组件[[]IlariaBarlocco,SofiaCapelli,ElisaZanella,XiaoweiChen,JuanJ.Delgado,AlbertoRoldan,NikolaosDimitratos,AlbertoVilla.Synthesisofpalladium-rhodiumbimetallicnanoparticlesforformicaciddehydrogenation[J].JournalofEnergyChemistry,2021,52.][]IlariaBarlocco,SofiaCapelli,ElisaZanella,XiaoweiChen,JuanJ.Delgado,AlbertoRoldan,NikolaosDimitratos,AlbertoVilla.Synthesisofpalladium-rhodiumbimetallicnanoparticlesforformicaciddehydrogenation[J].JournalofEnergyChemistry,2021,52.图4-1铝合金支架4.2逆变器的选择逆变器是把直流电能（\t"/item/%E9%80%86%E5%8F%98%E5%99%A8/_blank"电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压\t"/item/%E9%80%86%E5%8F%98%E5%99%A8/_blank"交流电（一般为220V,50Hz正弦波）的转换器[[]NaserEskandarian,AmirTorkiHarchegani,S.SajadKazemi.Anovelstructureforhighstep‐upDC‐DCconverterwithflexibilityunderthevariableloadsforEVsolarchargingsystem[J].InternationalTransactionsonElectricalEnergySystems,2020,30(6)]，是太阳能光伏发电系统中的一个重要部件[[]NadiaAfrin,FuwenYang,JunweiLu.VoltagesupportstrategyforPVinvertertoenhancedynamicvoltagestabilityofislandedmicrogrid[J].InternationalJournalofElectricalPowerandEnergySystems,2020,121.]。对于光伏发电系统的用户来说价格低廉、效率高、使用寿命长是其对逆变器的要求[[]]R.Niraimathi,R.Seyezhai.Analysis,simulationandimplementationofanoveldualbridgeasymmetriccascadedmultilevelinverterusingMGWO-PI-PWMcontroller[J].MicroprocessorsandMicrosystems,2020,77.]。我们选用科仁新能源公司生产的EVH-P-10KW型逆变器，该产品价格相对实惠，且适用于家庭光伏系统。一共采用6块该组件构成60KW的分布式光伏发电系统。以下是EVH-P-10KW型逆变器的主要参数。[]NaserEskandarian,AmirTorkiHarchegani,S.SajadKazemi.Anovelstructureforhighstep‐upDC‐DCconverterwithflexibilityunderthevariableloadsforEVsolarchargingsystem[J].InternationalTransactionsonElectricalEnergySystems,2020,30(6)[]NadiaAfrin,FuwenYang,JunweiLu.VoltagesupportstrategyforPVinvertertoenhancedynamicvoltagestabilityofislandedmicrogrid[J].InternationalJournalofElectricalPowerandEnergySystems,2020,121.[]]R.Niraimathi,R.Seyezhai.Analysis,simulationandimplementationofanoveldualbridgeasymmetriccascadedmultilevelinverterusingMGWO-PI-PWMcontroller[J].MicroprocessorsandMicrosystems,2020,77.表4-2逆变器参数产品型号EVH-3p-10kw输入参数（直流）13kW最大输入功率1000v最大输入电压620v标称输入电压180V最小输入电压25AMPPT电压范围200~850VMPPT数量2输入参数（交流）最大输出功率11kW标称输出功率10kW标称交流电压400V最大输出电流16.5A频率50,60HZ相数3最大效率98.2%5方案成本与效益由于本次工程主要是请专业的光伏公司来采购与安装，所以根据2020年市场上的电站建设价格为6～8CNY/W，根据我们的56KW装机容量设计，安装成本需投入成本为56KW×7=392000CNY。估算该设计的经济效益，首先需要估算发电量，需要用到太阳辐射量、系统总效率等数据[[]KanZhi-zhongZhangChun-jiang.ZhangboWangXiao-huanYanshanUniversity,Qinhuangdao,066004,China.AnalysisOfTheConflictBetweenClose-loopControlAndTheCurrent-SharingOfACParallelInvertersAndParallelControlStrategy[C].ChinaElectrotechnicalsociety、IEEEPowerElectronicsSociety、NationalScienceFoundationofChina.2009IEEE6~(th)InternationalPowerElectronicsandMotionControlConference-ECCEAsiaConferenceDigests.ChinaElectrotechnicalsociety、IEEEPowerElectronicsSociety、NationalScienceFoundationofChina:中国电工技术学会,2009:484-488.]，理论年发电量=年平均太阳总辐射量×电池总面积×光电转换效率[[]李相杰.家庭分布式光伏电源联网计量方式及线损核算[J].农村电工,2018(9):2-2.[]KanZhi-zhongZhangChun-jiang.ZhangboWangXiao-huanYanshanUniversity,Qinhuangdao,066004,China.AnalysisOfTheConflictBetweenClose-loopControlAndTheCurrent-SharingOfACParallelInvertersAndParallelControlStrategy[C].ChinaElectrotechnicalsociety、IEEEPowerElectronicsSociety、NationalScienceFoundationofChina.2009IEEE6~(th)InternationalPowerElectronicsandMotionControlConference-ECCEAsiaConferenceDigests.ChinaElectrotechnicalsociety、IEEEPowerElectronicsSociety、NationalScienceFoundationofChina:中国电工技术学会,2009:484-488.[]李相杰.家庭分布式光伏电源联网计量方式及线损核算[J].农村电工,2018(9):2-2.式中；——上网发电量（kWh）——水平面太阳能辐照量（kWh/m²）——系统安装容量（kW）——标准条件的辐照度（常数=1kWh/m²）——综合效率系数为了方便计算，通常采用该公式的变形形式：g=Pm×h1×y×ɧ式中Pm是组件的总功率h1是平均每天峰值日照时数y是转换系数ɧ是发电系统的综合影响系数（一般为0.54）[[]AbhishekGautam,R.P.Saini.Thermalandhydrauliccharacteristicsofpackedbedsolarenergystoragesystemhavingspheresaspackingelementwithpores[J].JournalofEnergyStorage,2020,30][]AbhishekGautam,R.P.Saini.Thermalandhydrauliccharacteristicsofpackedbedsolarenergystoragesystemhavingspheresaspackingelementwithpores[J].JournalofEnergyStorage,2020,30y=倾斜面辐射量/平面的辐射量=3.84÷3.68=1.04h1=辐射量÷3.6（换算系数）在太阳能辐射能量中单位换算1kWh/m2=3.6MJ/m2，所以斜面上年平均每天的辐射量为13.82MJ/。h1=13.82÷3.6=3.8h/ag=Pm×h1×y×ɧ=56×3.8×1.04×0.54=119.5kWh。光伏系统的年发电总量为：G=g×365=119.5×365=43620.5kWh根据江西省能源局文件内容，自2019年7月1日起分布式发电补贴标准为；采用“自发自用，余量上网”模式的工商业分布式光伏发电项目，补贴标准为每千瓦时0.10元。国家电网收购电价是基于对当地具体情况来进行收购的，按照江西电网的购电价格K1是0.4143CNY/kWh。分布式发电一般采用自发自用，多余电卖给国家电网的模式。现在家里常使用到实际情况是发的电60%自家使用，剩下40%的上电网，因为使用自家电站的电是免费的，兴国的电价是实行阶梯式的。客户家庭实际用电的基本电价K2一般为0.65CNY/kWh。一年节省的电费为Q1=G×60%×K2=43620.5×0.6×0.65=10843.2CNY卖电的收入为Q2=G×40%×K1=43620.5×0.4×0.4143=7228.7国家与江西省对电站发的电的补贴收入为Q3=G×（国家补贴+省级补贴）=43620.5×0.15=6543则光伏电站在一整年的总收益为Q=Q1+Q2+Q3=10843.2+7228.7+6543=24614收回成本的年限H=N÷Q=16年6结论与展望6.1结论在这次对