办公楼屋顶光伏发电系统设计方案.docx
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办公楼屋顶光伏发电系统设计方案
办公楼屋顶光伏发电系统设计方案
一、项目概述
项目地点:
桐乡河山装机容量约20KW
地理位置:
经度:
121纬度31
本项目光伏发电系统总装机容量约20kWp,类型为屋顶太阳能光伏发电系统。
建筑整体构架为水泥混凝土结构,装机面积有350平方米左右,年预计发电量为16644度〔kwh。
本项目的安装位置位于北纬31度、东经121度,其地处北部杭嘉湖平原,东连市秀洲区,南邻市,西毗德清县、市余杭区,西北接市南浔区,北界省吴江市。
市区距市140千米,距市65千米。
沪杭高速斜穿境域南部,320国道从东北向西南斜穿市境中部。
属典型的亚热带季风气候。
冬暖湿润,四季分明,雨水丰沛,日照充足。
具有春湿、夏热、秋燥、冬冷的气候特点。
二、系统原理及主要组成
2.1并网不上送型发电系统
并网不上送型发电系统就是光伏组件所产生的直流电经过逆变器转换成符合电网要求的交流电,接入具有防逆流装置的交流电柜,之后与市电以并联的方式接入负载控制柜。
并网不上送型发电系统中光伏组件所产生电力供给交流负载;当负载用电量小于系统装机总发电量时,通过防逆流柜的控制功能,自动关闭部分逆变器的发电模式,以达到减少系统的发电量,防止多余电力反馈到国家电网。
2.2并网发电系统组成
<1>太阳能电池组件
<2>光伏并网逆变器
<3>防逆流并网柜
<4>环境及发电系统通讯监控装置
<5>组件支架系统
<6>电气接线系统
三、系统设计方案
3.1设计依据
本设计主要参考标准如下:
1、光伏组件标准:
IEC61727:
2004\IEC61215\IEC61730
2、《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005
3、《光伏发电站接入电力系统的技术规定》GB/Z9964-2005
4、《光伏系统电网接口特性》GB/T20046-2006
5、《电压波动和闪变》GB12326-200
6、《公共电网谐波》GB/T4549-1993
7、《城市电力规划规》GB50293-1999
8、《低压配电设计规》GB50054-95
9、《电力工程电缆设计规》GB50217-94
10、《电力装置的电测量仪表装置设计规》GBJ63-90
11、《供配电系统设计规》GB50052-95
12、《通用用电设备配电设计规》GB50055—93
13、《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规》GB/T50311-2000
14、《建筑结构载荷规》GB50009-2001
15、《钢结构设计规》GB50017-2003
16、《建筑物防雷设计规》GB50057-2003
17、《建筑设计防火规》GBJ12-87〔2001版
18、《建筑抗震设计规》GB50011-2001
3.2太阳能电池阵列倾角计算
倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角,并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。
一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关,当纬度较高时,相应的倾斜角也大。
但是,和方位角一样,在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角<斜率大于50%-60%>等方面的限制条件。
对于积雪滑落的倾斜角,即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况,因此,特别是在并网发电的系统中,并不一定优先考虑积雪的滑落,此外,还要进一步考虑其它因素。
对于正南<方位角为0°度>,倾斜角从水平<倾斜角为0°度>开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时,其日射量不断增加直到最大值,然后再增加倾斜角其日射量不断减少。
特别是在倾斜角大于50°~60°以后,日射量急剧下降,直至到最后的垂直放置时,发电量下降到最小。
方阵从垂直放置到10°~20°的倾斜放置都有实际的例子。
对于方位角不为0°度的情况,斜面日射量的值普遍偏低,最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。
以上所述为方位角、倾斜角与发电量之间的关系,对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。
计算依据:
电力学院MERGENET光伏系统并网设计软件和当地理位置和气候。
桐乡市地处东南沿海,属典型的亚热带季风气候。
温暖湿润,四季分明,雨水丰沛,日照充足。
年平均降水量1233.9毫米,年际变化大。
全年有3个明显降水时段即4~5月〔春雨,6~7月〔梅雨和8~9月〔秋雨。
年平均日照1842.3小时。
其中7月~8月最多,月平均日照分别为2117.3小时和2199.6小时;1月~2月最少,月平均日照分别为1169.6小时和1107.4小时;地理坐标为北纬30°28′~30°47′、东经120°17′~120°39′,距市65千米,部分天气数据近似为市数据为准。
另据来自于NASA<美国国家航空航天局>航天科学数据中心的世界各地太阳能总辐照参数[为过去22年<1979年~2010年>的平均值],桐乡地区的参数值如下表所示:
ParametersforTiltedSolarPanels:
MonthlyAveragedRadiationIncidentOnAnEquator-PointedTiltedSurface
Lat30.38
Lon120.32
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Annual
Average
SSEHRZ
2.63
2.90
3.21
4.03
4.51
4.34
5.21
4.72
3.87
3.37
2.79
2.67
3.69
K
0.44
0.40
0.36
0.39
0.40
0.38
0.46
0.44
0.41
0.43
0.45
0.48
0.42
Diffuse
1.14
1.45
1.80
2.18
2.43
2.50
2.47
2.27
1.95
1.56
1.21
1.02
1.83
Direct
3.29
2.78
2.35
2.81
3.05
2.69
4.01
3.66
3.07
3.30
3.35
3.82
3.19
Tilt0
2.57
2.88
3.17
3.94
4.49
4.33
5.18
4.70
3.81
3.34
2.72
2.63
3.65
Tilt15
3.06
3.21
3.34
4.01
4.43
4.22
5.07
4.71
3.98
3.69
3.18
3.23
3.85
Tilt30
3.39
3.39
3.36
3.90
4.18
3.95
4.73
4.52
3.97
3.87
3.49
3.66
3.87
Tilt45
3.55
3.41
3.24
3.63
3.76
3.52
4.19
4.12
3.78
3.86
3.62
3.90
3.72
Tilt90
2.92
2.54
2.12
2.05
1.93
1.80
1.99
2.16
2.32
2.77
2.90
3.34
2.40
OPT
3.56
3.42
3.37
4.01
4.49
4.33
5.18
4.73
4.00
3.89
3.62
3.94
4.05
OPTANG
50.0
39.0
25.0
13.0
3.00
0.00
0.00
9.00
22.0
37.0
48.0
54.0
20.9
NOTE:
Diffuseradiation,directnormalradiationandtiltedsurfaceradiationarenotcalculatedwhentheclearnessindex
3.3太阳电池阵列间距计算
考虑到尽量与原有3KW系统的一致,高度角可调式,故采用高度角最大化35度来进行计算;阵列间距主要考虑单排电池阵列的遮挡距离,太阳电池阵列阴影,所使用电池组件尺寸为:
1650mmX992mm。
如图所示,电池阵列直线高度为:
h=sinθ×L=sin350×1650=946mm
桐乡冬至〔约12月22日日的太阳角度为:
90度减纬差.
冬至日太阳直射点是在南回归线<23.5S>,90度减当天太阳直射点与桐乡<30.38N>的纬度差,即:
公式:
90-<23.5+30.38>=36.12
因此:
冬至日桐乡的太阳高度角是36.12度.
所以电池阵列阴影长度为:
l=h/tg36.12=946/0.73=1297mm
根据以上计算的倾角和阴影长度,电池阵列支架设计为:
阵列倾角取350,前后排距离应大于1297mm,取1.3米,如图2所示:
太阳能电池阵列支架设计图
方阵场安装地的选择应避免阴影的影响,各阵列间应有足够间距,保证全年每天中当地时间的上午9时至下午4时之间光伏组件无阴影遮挡。
平顶上光方阵支架采用钢结构,支架设计保证光伏组件与支架连接牢固、可靠,底座与基础连接牢固。
考虑屋顶面积,并且方便维护和检修,留出检修维护通道。
3.4防雷设计
结合原始建筑防雷保护区域,组件安装支架通过扁铁与四周避雷带牢固焊接;为防止感应雷对整个系统的破坏,在所有设备部〔逆变器防逆流交流电柜等设备中均对地加装了SPD,即防雷器,以防止感应雷对整个系统的损坏。
3.5阵列布置图
四、系统配置及设备选型
序号
名称
型号规格
数量
厂家
1
太阳能电池组件
230Wp
90块
天达
2
光伏并网逆变器
SG12KTL
SG10KTL
2台
3
防逆流并网柜
1台
4
监控装置
1套
5
环境监测仪
1套
6
组件支架系统
1套
7
电气接线系统
1套
4.1太阳电池组件板
目前市场上成熟的太阳能电池产品主要是单晶硅、多晶硅组件。
本项目采用230W标准多晶光伏组件。
该组件系列产品既经济又可靠,发电保质期可达25年,给长期投资带来最佳回报。
可以被广泛应用于各种环保工程领域,从大型长期太阳能项目到中小型独立及并网系统太阳能电站。
它已经获得各种安全认证。
组件系列经过公司部各种可靠性实验测试,例如,自然下和模拟太的衰减测试以确保标志的输出功率。
该光伏电池组件的特点如下:
●优质牢固的铝合金边框可以抵御强风、冰冻及变形。
●新颖特殊的边框设计进一步加强了玻璃与边框的密封。
●高透光率的低铁玻璃增强了抗冲击力
●优质的EVA材料和背板材料
对于本次发电系统,采用桐乡当地知名企业百力达自产的GSM-230GETAW型组件板,该电池板Voc=37.30V,Vmp=29.44V,因此选用2台逆变器。
整个屋面根据3.2及3.3原理,总共布置电池板90块,故系统总装机容量达230*90=20.7KW。
型号
GSM-230GETAW
最大功率
234Wp
开路电压
37.30V
短路电流
8.48A
最佳工作电压
29.44V
最佳工作电流
7.97A
最大系统电压
1000VDC
标准测试条件下〔STC:
Irradiance1000W/m2,Temperature25℃,AM=1.5
机械性能参数:
电池组件结构
156x156mm,60片串联
电池种类
多晶硅电池
功率误差
±3%
尺寸
长×宽×厚〔1650×992×45㎜
重量
16Kg
包装方式
纸箱包装,每2块一个纸箱
产品质量测试参数:
工作环境温度围
-40℃~85℃
冷凝湿度
85%RH
组件正反面静态压力〔如风载荷
2400pa<50psf>
冰雹冲击
25mmat23m/s<52mph>
功率衰减
组件输出功率10年衰减少于10%,20年衰减少于20%。
4.2并网逆变器
逆变器是太阳能光伏发电的核心部分,而且要求的技术也比较高,转换效率被视为重中之重。
一组太阳电池阵列单元设计为3个串列并联,共计54块电池组件,实际功率达到12.4KWp,采用12KW逆变器一台
另一组太阳电池阵列单元设计为2个串列并联,共计36块电池组件,实际功率达到8.28KWp,采用10KW逆变器一台
SG10KTL/SG12KTL/SG15KTL/SG20KTL逆变器性能特点:
逆变器工作原理:
太阳能逆变器的电路拓扑如图所示:
a>是单项并网逆变器电路拓扑,b是三项并网逆变器电路拓扑。
从电路拓扑结构上看属于电压型控制逆变电路。
从控制方式上属于电流控制型电路。
以下图的单项光伏逆变电路分析:
按照正弦波和载波比较方式对S1-S4进行控制,交流侧AB处产生SPWM波uAB,uAB中含有基波分量和高次谐波,在LS的滤波作用下高次谐波可以忽略,当uAB的频率与电网一致时,s也是和电网一致的正弦波。
i在电源电压一定的条件下,is的幅值和相位仅有uAB的基波的幅值和相位决定,这样电路可以实现整流、逆变以及无功补偿等作用。
图3所示是电路的运行向量图,图其中3-a>是整流运行,3-b>是逆变运行,3-c>是无功补偿运行,3-d>是Is超前φ角运行。
单相光伏逆变器工作在3-b>状态。
电路的基本控制方法:
光伏逆变器对于功率因数有较高要求,为了准确实现高功率因数逆变,需要对输出电流进行控制,通常的电流控制方式有两种:
其一是间接电流控制,也称为相位幅值控制,按照图3的向量关系控制输出电流,控制原理简单,但精度较差,一般不采用;其二是直接电流控制,给出电流指令,直接采集输出电流反馈,这种控制方法控制精度高,准确率好,系统稳定性好,得到广泛应用。
如图所示为并网逆变器的主电路结构示意图,该电源将直流电能转换为单相交流电能,并通过滤波器滤波变成正弦波电压,经过单相变压器隔离升压后并入电网。
电源电路示意图
性能特点
1荣获2009年reddot设计大奖;
2>易于安装,方便组件阵列的设计;
3>运行温度:
-25℃~+60℃;
4>逆变并网电流闭环控制,可控可调;
5>输入直流电压围宽,适应不同场合需求;
6>防孤岛保护;
7>电路结构紧凑、最大效率97%;
8>全天候室外型,全密封安装;防护等级可达到IP65;
9>可选RS485或蓝牙通讯,上位机监控,实现远程数据采集和监视;
功能说明
在确认接线正确无误后,首先闭合交流侧外接断路器,电源供电正常,液晶显示板亮起,闭合直流侧外接断路器,在直流电压正常的情况下,电源开始判断是否具备并网条件,如果条件不具备,电源处于待机状态;条件具备后,2分钟后开始并网发电,电流馈入公共电网。
在运行过程中,电源控制系统会自动判断各项并网条件,不需人为干预。
1)待机
所谓的待机模式是指逆变电源准备并网发电,但是还没有并网发电。
此模式下其不断检测光伏阵列是否有足够的能量并网发电,当达到并网发电条件时逆变电源从待机模式转入并网发电模式。
2)并网发电
在此模式下,并网逆变器将光伏阵列的直流电转换为交流电并入电网。
同时在此模式下逆变电源一直以最大功率点跟踪〔MPPT方式使光伏阵列输出的能量最大,故并网发电模式一般也称MPPT模式。
当检测到输出功率超过最大允许功率后,限制输出功率为不高于最大允许功率。
3)故障
当光伏发电系统出现故障时,逆变电源会将交直流侧的接触器立即断开进入保护程序从而保证系统安全。
4)停止
所谓停止模式是指人为的干预控制逆变电源关机,其也会将交直流侧的接触器立即断开。
4.3防逆流并网柜
为防止系统所发电力电能质量原因:
电压偏差:
频率:
谐波和波形畸变:
功率因数:
直流分量达不到并网要求。
为防止馈入电能影响整体电网,增加一台防逆流柜,具体由负载端电流电压反馈数据来控制逆变器的工作状态,通过部危机系统控制逆变器,以达到多余电量不反馈到国家电网的目的,太阳能光伏并网发电系统由光伏组件、并网逆变器、防逆流计量装置柜及配电系统组成。
通过光伏组件转化为直流电力,再通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流,通过防逆流计量装置柜人为有选择性的选择是否需要并入国家电网。
并网柜原理图
4.4监控装置
4.4.1远程监控通讯装置
远程通讯监控接线示意图
为了防止通讯线路出现故障或其他原因,导致总站监控装置无法获取各分站每台逆变器的运行状态和工作数据,50KW光伏系统通过RS485总线获取各个逆变器的运行参数、故障状态和发电参数,可和监控装置进行实时通讯。
本公司的监控装置,可以做到用户在网的任何一台PC上随时查看其光伏电站的实时运行数据,包括具体机器参数、二氧化碳减排量、故障告警等,可采用光伏电站实时数据在线监控软件1套〔包括多机版监控软件1套、工控机1套。
整个系统需配置1套多机版监控软件。
监控装置
监控装置包括监控软件和显示设备。
本系统采用工控机作为系统的监控服务器,配置1套光伏并网系统多机版监控软件,采用以太网通讯方式,获取所有并网逆变器的运行状态和工作数据。
监控容
<1>光伏并网系统的监测软件可连续记录运行数据和故障数据如下:
✧实时显示电站的当前发电功率、日发电量、累计总发电量、日照强度、环境温度、CO2、SO2排放消减量、石油及标准煤节省量等。
✧可查看每台逆变器的运行参数,主要包括:
A、直流电压;
B、直流电流;
C、直流功率;
D、交流电压;
E、交流电流;
F、当前发电功率;
G、当前功率;
H、当前功率因数
I、逆变器频率;
J、故障报警信息;
K、现场环境参数〔如辐照度、环境温度、组件温度、;
L、时钟;
M、日发电量;
N、累计发电量。
✧监控所有逆变器的运行状态,采用声光报警方式提示设备出现故障,可查看故障原因及故障时间,监控的故障信息至少包括以下容:
A、电网电压过高;
B、电网电压过低;
C、电网频率过高;
D、电网频率过低;
E、直流电压过高;
F、逆变器过载;
G、逆变器过热;
H、逆变器短路;
I、逆变器孤岛;
J、通讯失败。
<2>监控装置可每隔5分钟存储一次电站所有运行数据,可连续存储20年以上电站所有的运行数据和所有的故障纪录;
<3>可长期24小时不间断运行在中文WINDOWS2000,XP操作系统;
<4>监控主机同时提供对外的数据接口,即用户可以通过网络方式,异地实时查看整个电源系统的实时运行数据以及历史数据和故障数据;
<5>显示单元可采用大液晶电视,具有非常好的展示效果。
监控软件界面
4.4.2数据采集器
webbox是SMA公司最新研发的通讯监控产品,不仅利用显示屏显示数据信息,还可以通过网络对大型光伏发电站进行监控。
SMA公司的通讯产品用于处理光伏系统电站数据,可与应用于并网系统的各种SMA公司逆变器进行通讯,既可以对单台逆变器进行监控,也可以对数十台至上百台逆变器进行监测。
本设备采用标准的数据通讯接口,包括RS485/232标准串口,USB,网络通讯等多种方式,最大限度的与用户现有系统相兼容,降低成本。
数据采集器主要用来采集关于发电站性能的所有数据,四行显示屏和按键使系统的调试和监测更为简单。
如果需要对光伏电站进行监测,每个单台逆变器都会通过RS485数据线连接到数据采集器上。
数据采集器可以对每台逆变器的数据进行全面监测。
数据采集器具有以下特性:
连续的电站运行监测
1.远程控制和监测
2.通过RS232,RS485或以太网与上位机进行通讯
3.置数据存储器
4.数据采集和存储方便
5.具有多路模拟量采集端口
设备图片
接线示意图
4.4.3环境监控系统
环境监测仪
本系统配置1套PC-4型自动气象站环境监测仪<如下图所示>,用来监测现场的环境情况:
该装置由一体化风速风向传感器、日照时数传感器、测温探头、控制盒、稳压电源及支架、气象环境监测纪录仪等组成,适用于气象、军事、船空、海港、环保、工业、农业、交通等部门测量水平风参量及太阳辐射能量的测量。
可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量,其RS485通讯接口可接入并网监控装置的监测系统,实时记录环境数据。
序号
仪表明细
规格
数量
1
环境温度湿度传感器〔带辐射罩
PTS-3
1套
2
一体式风向风速传感器
EC-8SX
1套
3
光照度传感器〔辐射仪
TBQ-6
1台
4
气象生态环境监测仪
PC-4
1台
5
不锈钢观测支架及安装配件
1套
6
数据通讯线、传感器连接线及USB转接口
标准
1套
新型一体化风速风向传感器。
采用便携式防水防震结构设计,可在野外全天候使用,检测精度高,低功耗环保节能设计。
该仪器广泛用于环保,气象,农业,林业,水利,建筑,科研及教学等领域。
风速、风向传感器技术参数如下:
项目
风向
风速
起动风速
≤0.4m/s
≤0.4m/s
测量围
0~75m/s
0~360°
精确度
±<0.3+0.03V>m/s
±3°
分辩率
0.1m/s
2.8125°
距离常数
≤3m
≤1.5m
输出信号形式
脉冲<频率>
七位格雷码<或电位器>
工作电压
DC5V<或12V>
DC5V<或12V>
工作电流
5mA
70mA
加热器功率
无加热
抗风强度
>80mS
最大高度
270mm
252mm
最大回转半径
113mm
440mm
环境温度
-40℃~+55℃
环境湿度
100%RH
日照时数传感器
日照时数定义:
为太阳直接辐照度达到或超过120W/m2时间段的总和,以小时为单位,取一位小数。
日照时数也称实照时数。
日照传感器主要有:
直接辐射表、双金属片日照传感器与旋转式日照传感器等。
灵敏度
7-14µV/W/m2
时间响应
小于10秒<99%>
阻
400Ω
稳定性
±2%
余弦
≤+10%<晴天太阳高度为10°时,对理想值的偏差
光谱围
温度特性
±2%<-20℃~+60℃>
信号输送距离
150米
信号输出
0~20mV
4.5组件支架
所有固定组件支架的选型连接方式均参照防50年一遇台风等级的要求进行计算设计,与基础焊接支架采用50圆钢立柱,檩条采用C型钢,由专业专业厂家生产,为角度可调式构件。
组件板与板之间采用专业固定组件板的中压块与边压块,螺丝采用不锈钢材质,所有外露材料均经过热镀锌处理。
4.5.1除锈处理
除锈采用专用除锈设备,进行抛射除锈可以提高钢材的疲劳强度和抗腐能力。
对钢材表面硬度也有不同程度的提高,有利于漆膜的附和不需增加外加的涂层厚度。
除锈使用的磨料必须符合质量标准和工艺要求,施工环境相对湿度不应大于85%。
经除锈后的钢材表面,用毛刷等工具清扫干净,才能进行下道工序,除锈合格后的钢材表面,如在涂底漆前已返锈,需重新除锈。
4.5.2油漆刷制
钢材除锈经检查合格后,在表面涂完第一道底漆,一般在除锈完成后,可在24小时涂完底漆。
存放在厂房外,则应在当班漆完底漆。
油漆应按设计要求配套使用,第一遍底漆干燥后,再进行中间漆和面漆的涂刷,保证涂层厚变达到设
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