综合能源社会化投资合作项目光伏系统设计之光资源分析、装机规模、发电量计算、电气设计、接入系统

光资源分析太阳能资源数据对比本项目的太阳能数据将从美国航空航天局的NASA官方网站、Meteonorm气象软件、solargis软件查询。NASA气象数据库，NASA地面辐射数据库首先是通过卫星等手段得到大气层顶的辐射，这一步的准确度较高。然后再通过云层分布图、臭氧层分布图、悬浮颗粒物分布等数据，通过复杂的建模和运算得到地表水平面总辐射数据，这—步的准确度就受很多因素的制约，在我国不同地区存在着不同程度或高或低的偏差，尤其是在中东部地区阴雨天较多的地区，NASA数据要高于实测数据10%以上，在这类地区如果仅凭NASA数据进行收益测算，很可能结果过于乐观。Meteonorm数据来源于瑞士的Meteonorm研究所，包含有全球7750个气象站的辐射数据。由于我国98个气象辐射观测站中的大部分均被该软件的数据库收录，输入项目地点的经纬度坐标后可以得到该地区的平均各月总辐射量，其项目地点的年总辐射量已经应用于我国大部分光伏工程中。Meteonorm数据原理是气象站数据通过模拟算法计算出项目所在地气象资源条件，所有气象站点以外的其他地点数据，都是由最近的三个地点的数据进行差值计算所生成的。因此，在场址附近无测光设备情况下，使用Meteonorm数据也可准确反映场址附近太阳能辐射状况。solargis是GeoModelSolar公司旗下的唯一产品。solargis的本质是由一系列太阳辐射、光伏数据、气象和地理要素构成的数据库，以此数据库为基础，经科学算法计算之后，提供太阳能资源评估和光伏模拟数据服务。因本项目建设地为房山区各建筑物屋顶，输入项目的经纬度后，可以得到三个数据库的太阳能辐射量数据，如下所示太阳能分析根据分析结论详见下表。场址区太阳辐射数据对比表（单位：kWh/㎡）月份NASA(kWh/㎡)Mete(kWh/㎡)solargis(kWh/㎡)1月55.6967.866.42月63.6183.379.73月95.81125.9118.54月123.31147.9146.35月142.89173.0170.26月134.69152.7155.37月160.19147.1166.48月153.19141.5159.49月118.50117.5128.110月97.3195.5104.311月72.3967.574.812月63.8158.165.8合计1281.391377.81434.6通过上表数据可知，Meteonorm数据太阳能辐射量居中，项目地多年水平面年太阳辐射量为4978.8MJ/m²；NASA数据太阳能辐射量最低，项目地多年水平面年太阳辐射量为4613MJ/m²。Solargis数据库的太阳能辐射量最高，项目地多年水平面年太阳辐射量为5164.56MJ/㎡。可以看出Meteonorm、solargis以及NASA数据太阳辐射数据均到5-8月份才达到最大。通过分析项目地Meteonorm、NASA、solargis辐射数据，综合考虑项目地附近已建电站运行情况，Meteonorm数据更接近于项目地光伏电站所发电量运行情况。因此本项目选择Meteonorm数据作为项目地辐射数据源。本阶段利用气象专业软件Meteonorm获取项目所在地太阳辐射数据，Meteonorm全球气象资料库软件是一款分析全球各地气象资料的软件。Meteonorm8数据资料库内收集了全球8000多个气象观测站的气象资料，5个卫星无线电和全球校准的气溶胶气候学。在此基础上，基于30多年经验的复杂插值模型在全球范围内提供高精度的结果。可提供以每小时为运算单位的全球日照辐射值、气温及其它气象参数。1、月辐射量多年平均值：图5.2-1项目地光照时间长度图图5.2-2项目地月辐射量多年平均值由上图表可以看出：项目场址全年总辐射量1383kWh/㎡，直接辐射量为810kWh/㎡。从年内变化量来看，有明显的单峰趋势，以夏季最大，冬季最小，总辐射比较大的月份分布在5、6、7月，其中5月最大，总辐射比较小的月份分布在11月、12月、1月，其中12月份最小。项目场址环境较好，空气通透程度高，全年太阳辐射直射比平均达0.42，太阳辐射的这一特征对于开发利用太阳能有利。太阳能资源分析1.项目地辐照信息综上所述，本项目将根据Meteonorm辐照度数据信息，本项目建设地点水平面多年平均年辐射总量为1383kWh/㎡，对应4978.8MJ/㎡。建设地点月均水平面总辐射、水平面直接辐射、直射比数据及变化趋势详见下表。图5.2-3项目地年平均太阳辐射值数据从上述图表，可以看出：该地区水平面总辐射量从1月份开始逐步升高，到5月份达到最大值为173kWh/㎡，随后开始下降，12月份辐射量最低为58.1kWh/㎡。2.太阳总辐射年辐照量等级根据《太阳能资源评估方法》（GB/T37526-2019）的分类方法，太阳总辐射年辐照量划分为四个等级：最丰富（A）、很丰富（B）、丰富（C）、一般（D），详见表2-2。太阳总辐射年辐照量等级等级名称分级阈值（MJ/m²）分级阈值（kW·h/m²）等级符号最丰富GHR≥6300GHR≥1750A很丰富5040≤GHR＜63001400≤GHR＜1750B丰富3780≤GHR＜50401050≤GHR＜1400C一般GHR＜3780GHR＜1050D由表2-3数据可知，本项目区域多年平均水平总辐射值为1383kWh/㎡（对应为4978.8MJ/m²），故判定本项目区域的太阳能资源属于C级，即太阳能资源丰富区域。3.稳定度等级根据《太阳能资源等级总辐射》（GB/T31155-2014）的分类方法，稳定度划分为四个等级：很稳定（A）、稳定（B）、一般（C）、欠稳定（D），划分标准详见表2-3稳定度等级等级名称分级阈值等级符号很稳定Rw≥0.47A稳定0.36≤Rw<0.47B一般0.28≤Rw<0.36C欠稳定Rw<0.28D由计算数据可知，本项目区域太阳能资源稳定度为0.33，故判定本项目区域的太阳能资源等级属于C级，即太阳能资源一般区域。直射比等级等级名称分级阈值等级符号等级说明很高Rd≥0.6A直接辐射主导高0.5≤Rd<0.6B直接辐射较多中0.35≤Rd<0.5C散射辐射较多低Rd<0.35D散射辐射主导由计算数据可知，本项目区域太阳能资源直射比为0.42，故判定本项目区域的太阳能资源等级属于中级，即散射辐射较多区域。结论综上所述，本项目所在地区区域日照较充足，项目区域水平面年辐射总量为4978.8MJ/m²，水平面总辐射稳定度为0.33,太阳能资源直射比为0.42。根据《太阳能资源评估方法》（GB/T37526），“太阳总辐射年辐照量等级”的划分（如表2-2所示），该地区太阳总辐射年辐照量等级属于C类“丰富”地区；根据“稳定度等级”的划分（如表2-3所示），该地区稳定度等级属于C类“一般”地区。根据“直射比等级”的划分（如表2-4所示），该地区直射比等级属于C类“散射辐射较多”地区，适合光伏项目的建设。综上，本项目属于太阳能资源丰富且散射辐射较多区域，太阳能资源较好，适合建设光伏项目。装机规模本项目分布式光伏组件布置遵循以下原则：应铺尽铺原则：结合学校总平面图，及类似高校建筑屋面设施情况，通过专业阴影分析优化组件朝向与倾角，避开遮挡物，选用高效组件最大化利用屋顶面积，提升发电量。安全高效原则：严格遵守建筑电气及消防规范，开展荷载核算，确保支架系统满足抗风、抗震及防雷要求，不破坏原结构，杜绝安全隐患。运维便利原则：预留充足检修通道与运维空间，便于后期清洗、检测；逆变器等设备布置于通风良好且便于巡视的位置。因地制宜原则：针对混凝土、瓦屋面或彩钢瓦等不同结构，选用适配的固定方案，确保安装牢固且不破坏屋面防水。本项目站址位于北京市房山区，利用校区内各建筑物的屋顶，包括混凝土屋顶和彩钢瓦屋顶建设光伏发电系统，根据屋顶可利用面积估算，全校可利用面积的装机容量约为7.68MWp，最终容量以电力批复为准。厂房屋顶情况表序号地块名称屋面投影面积（㎡）安装倾角（°）光伏预估覆盖面积（㎡）组件安装数量（块）装机容量（kWp）1NA18303朝南倾斜（15°）4350925596.632NB13528朝南倾斜（15°）6680192123.843NA27587朝南倾斜（15°）7801372884.944NC215014朝南倾斜（15°）63601498966.215SA111262顺坡平铺56001432923.646SC19372朝南倾斜（15°）71001316848.827SA219422.32朝南倾斜（15°）85701534989.438SC211960朝南倾斜（15°）570306197.379SA39170朝南倾斜（15°）63701414912.0310SB311546朝南倾斜（15°）1300244157.3811SC36063朝南倾斜（15°）870016741079.73总计113227.3256380119077680.02光伏系统设计及发电量计算太阳能电池阵列方阵设计的原则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、每个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输入功率，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电池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。太阳能电池组件的串、并联设计太阳能电池组件串联的数量由逆变器的最高输入电压和最低工作电压、以及太阳能电池组件允许的最大系统电压所确定。太阳能电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。本项目所选逆变器的最高允许输入电压Vdcmax为1100V，输入电压MPPT工作范围为200～1000V。645Wp单晶硅太阳能电池组件的开路电压Voc为49.62V，最佳工作点电压Vmp为40.88V，开路电压温度系数为-0.20%/℃。工作温度范围为-40℃~85℃。电池组件串联数量计算式中：Kv—光伏组件的开路电压温度系数；—光伏组件的工作电压温度系数；t—光伏组件工作条件下的极限低温（℃）；—光伏组件工作条件下的极限低温（℃）；—逆变器允午的最大直流输入电压（V）；—逆变器MPPT电压最大值（V）；—逆变器MPPT电压最小值（V）；—光伏组件的开路电压（V）；—光伏组件的工作电压（V）。经计算：得出普通组件串联光伏电池数量N为：6≤N≤18；本项目太阳能电池组串的数量普通组件以18块每串为主，其他形式为辅。光伏阵列间距本项目采用固定式安装形式，屋顶为彩钢瓦材质的光伏方阵采用随坡铺安装，屋顶为混凝土材质的光伏方阵采用15°倾角安装；混凝土屋面除考虑女儿墙、高大建筑遮挡外，还需考虑前排光伏方阵的遮挡情况。混凝土屋面及闲置地面光伏方阵布置必须考虑前后左右的阴影遮挡问题，所以必须通过计算确定阵列间各排、列距离。一般的确定原则是：保证全年9：00～15：00(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡，也即冬至日当天9：00～15：00时段内前、后、左、右互不遮挡。根据GB50797-2012《光伏发电站设计规范》，确定固定式布置的光伏方阵各排前后间距计算公式为：式中： L——阵列倾斜面长度；D——两排阵列之间距离；β——阵列倾角；φ——当地纬度。图5.2-4方阵间距示意图辅助技术方案组件清洗：光伏组件表面污浊对其发电效率的影响相当显著，其影响主要为两个方面：1、表面的污浊物影响了光线的透射率，进而影响光伏组件表面接收到的阳光辐射强度。2、光伏组件表面的污浊物因为距离电池片很近，会形成阴影，并在光伏组件局部形成热斑效应，进而降低光伏组件的发电效率，严重的甚至桃毁光伏组件。3、光伏组件清洗工作应选择在早上、晚上、夜间或阴雨天进行，早晚进行清洗作业应在阳光暗弱的时间段内进行。阴雨天气里进行清洗工作，有降水的帮助，清洗过程会相对高效和彻底。但阳光有时能够部分穿透较薄的雨层，此时电站也会有少量电量产出，应注意人员安全，防止漏电。暂定清洗方案：1、清洗用水管道可从学校自来水管道接引，清洗时首先用清水进行清洗，再用干净纱布轻轻擦干，切勿用硬物或腐蚀性溶剂冲洗、擦拭。2、清洗时间选在日出之前或日落之后。3、清洗频率暂定为每三个月清洗两次，在执行一段时间后，可以现场实际情况调节清洗的频率，得出最经济合理的清洗频率。4、除尘作业应避免在冬季温度过低的情况下进行，以免影响除尘效果或造成组件表面结冰，影响光伏系统正常工作。发电量计算一、辐射值根据所选工程代表年倾斜面上各月平均太阳总辐射量可得出本项目月及年峰值日照小时数。峰值日照小时数：将光伏组件所在平面上某段时间段内所能接收到的太阳辐射量，转换为辐照强度1000W/㎡标准工况下条件下的等效小时数称峰值日照小时数。若光伏组件在1h中接收到的太阳辐射量为1MJ/㎡，由以上峰值日照小时定义，可得其峰值日照小时数。由于光伏组件的峰值功率均在1000W/㎡条件下标定，因此采用峰值日照小时数乘以光伏电站的装机容量（含组件衰减系数）即为光伏电站的最大理论发电量。光伏阵列的发电量与其接收到的太阳辐射能量成正比，最佳的倾角设置方式使其受光面能得到最大的太阳辐射能。根据日地运行规律，在我国北回归线以北的地区，太阳全年均出现在南方天空，所以太阳能电池板表面应当朝向南方倾斜安装。阵列越向南倾斜，夏天接到的太阳能辐射减少，而冬天接收到的太阳能辐射会有所增加，在全年辐射量趋于均衡的同时，使全年的总辐射量达到最大。对于光伏并网系统，由于所产生的电能可以全部并入电网得到充分利用，所以在确定最佳倾角时，只要使阵列面上全年能接收到最大辐照量即可。本报告采用Meteonorm网站数据，依据国标GB50797-2012《光伏发电量设计规范》，详见下表：不同倾角下对应年辐射量统计表经度(°）纬度(°）倾角(°）辐照量（kWh/㎡)116.97960640.0805220138351456151525351601本项目安装光伏区域在屋顶，均采用固定角度安装组件，当支架倾角过大，使用钢材量较大且高度较高，安全可靠性降低。考虑风载、施工安全性和项目经济性考虑，因此可适当降低支架倾角，增大光伏布置容量。因此，本项目混凝土屋面倾角为15度，彩钢瓦屋面采取随坡铺的方式。二、系统发电效率分析本项目按20年运营期考虑，单晶硅645Wp组件首年衰减1%，单面组件以后每年衰减0.4%。年发电量按20年的平均年发电量考虑。系统发电效率分析如下：（1）温度损失：光伏电池组件只有在标准测试条件下，即：电池温度25℃、辐照强度1000W/m²、太阳光谱等同于大气质量1.5的情况下，功率才能达到标定值。晶硅电池随着温度的升高，功率会有所下降。根据气象站的多年昼间月平均温度和理论发电量进行加权平均计算来估算环境温度对发电量的影响，本项目取值98.0%。（2）光伏组件匹配损失：组件质量，功率匹配一致性考虑，取值98.0%。（3）弱光条件下发电量损失：不同种类的晶硅电池的弱光性不同，根据项目所在地辐照度特征进行估算，本项目取值98.4%。（4）光伏组件污染损失：沙尘、灰尘积雪及局部遮挡的损耗，取值屋面97.5%。（5）光伏阵列间遮挡损失：根据光伏阵列排布方案、植被生长以及周边建筑物建设情况进行估算，本项目取值屋面97.6%。（6）直流侧线损：从组件至逆变器的传输效率，根据直流线路长度、电压、导线型号估算，本项目取值屋面96.8%。（7）逆变器转换效率损失：根据选取的逆变器中国加权效率估算，本项目150kW及以下取值98.1%。（8）交流并网效率：从逆变器输出至高压电网点的传输效率，根据交流线路长度、电压、导线型号估算，本项目取值98.7%。（9）其他因素折减：设备故障、检修及电网故障等不确定因素影响，本项目取值98.0%。考虑以上各种因素通过计算分析光伏电站系统发电总效率：η=98%*98%*98.4%*97.5%*97.6%*96.8%*98.1%*98.7%*98%=82.6%根据地区分布式光伏发电项目数据统计和经验，本地区光伏电站系统发电总效率计算得82.6%，取82.6%作为发电系统效率取值。三、发电量计算本项目拟建设规模为7.68MWp，结合北京市区气象条件，考虑晶体硅太阳能电池板第1年功率衰减不大于1%，2-20年每年衰减不超过0.4%。本项目预计首年发电量约为889.344万kWh，根据项目地所在位置，查询Solargis模拟软件得出组件倾斜面峰值小时数为1416.10h，首年加权衰减后等效利用小时数为1158h，20年累计发电量约为17126.928万kWh，平均每年发电量约为856.346万kWh。发电量计算表组件类型彩钢瓦屋顶顺坡平铺混凝土屋顶（15°）总计总计装机容量(MWp)1.8955.7857.68——时间年发电量（万kW·h）年发电量（万kW·h）年总发电量（万kW·h）加权后利用小时数第1年219.441669.904889.3441158.00第2年218.563667.224885.7871153.37第3年217.689664.555882.2431148.75第4年216.818661.897878.7151144.16第5年215.951659.249875.2001139.58第6年215.087656.612871.6991135.02第7年214.227653.986868.2121130.48第8年213.370651.370864.7391125.96第9年212.516648.764861.2801121.46第10年211.666646.169857.8351116.97第11年210.820643.585854.4041112.50第12年209.976641.010850.9861108.05第13年209.137638.446847.5821103.62第14年208.300635.893844.1921099.21第15年207.467633.349840.8151094.81第16年206.637630.816837.4521090.43第17年205.810628.292834.1021086.07第18年204.987625.779830.7661081.73第19年204.167623.276827.4431077.40第20年203.351620.783824.1331073.09安装容量（MWp）7.68首年发电量（万kW·h）889.344平均年上网电量（万kW·h）856.34620年总发电量（万kW·h）17126.928首年等效利用小时数（h）1158.00平均年利用小时数（h）1115.034光伏电气设计设计依据《电能质量供电电压偏差》(GB/T12325-2008)《电能质量电压波动和闪变》(GB/T12326-2008)《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-93)《电能质量三相电压不平衡》(GB/T15543-2008)《电能质量公用电网间谐波》(GB/T24337-2009)《电能计量装置技术管理规程》(DL448)《电能计量装置安装接线规则》(DL/T825)《电力系统设计技术规程》（DL/T5429-2009）《电力系统安全稳定导则》（GB38755-2019）《城市电力网规划设计导则》（Q/GDW156-2006）《电力系统无功补偿配置技术原则》(Q/GDW212-2008)《分布式发电接入电网技术规定》(Q/GDW480-2010)《储能系统接入配电网技术规定》(Q/GDW564-2010)《国家电网公司关于印发分布式电源并网服务管理规则的通知(国家电网营销〔2014〕174号)）《分布式电源接入配电网设计规范》（Q/GDW11147-2017）《分布式光伏发电接入系统典型设计》(国家电网发展〔2013〕625号)《电力系统设计手册》（电力工业部电力规划设计总院编制）《配电网技术导则》（Q/GDW10370—2016）《分布式电源接入配电网运行控制规范》（Q/GDW10667—2016）工程概况（1）装机容量：根据屋顶可利用面积估算，全校可利用面积的装机容量约为7.68MWp。（2）光伏板选型：选用双玻N型645Wp单晶硅电池组件。（3）并网电压：通过并网点接入用户内部0.4低压侧接入。设备概况光伏组件型号：N型645Wp单晶硅光伏组件参数表序号参数单位数值1峰值功率Wp6452开路电压VocV54.123短路电流IscA15.064峰值功率电压V44.775峰值功率电流A14.416组件效率%23.887短路电流Isc温度系数℃+0.05%8开路电压Voc温度系数℃-0.20%9峰值功率温度系数℃-0.26%10外形尺寸mm2382×1134×3011重量kg33.5逆变器型号：本项目采用额定功率150kW、110kW、100kW、50kW、40kW、30kW的逆变器约70台，具体参数如下表。逆变器参数表额定输出功率150kW110kW100kW50kW40kW30kW最大输出视在功率165kVA121kVA110kVA33kVA44kVA33kVAMPPT/inputs7/2110/2010/204/84/84/8MPPT电压范围200V～1000V200V-1000V200V-1000V200V～1000V200V～1000V200V～1000V额定输入电压600V600V600V600V600V600V最低启动电压200V200V200V200V200V200V最大输入电压1100V1100V1100V1100V1100V1100V每路MPPT最大输入电流48A30A30A27A27A27A防护等级IP66IP66IP66IP66IP66IP66散热方式智能风冷智能风冷智能风冷自然对流自然对流自然对流净重98㎏≤93kg≤93kg43㎏43㎏43㎏尺寸（宽x高x深）1000mm×710mm×395mm1035mm×700mm×365mm1035mm×700mm×365mm640mm×530mm×270mm640mm×530mm×270mm640mm×530mm×