24Kw屋顶并网光伏电站设计与施工.docx
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24Kw屋顶并网光伏电站设计与施工
湖南理工职业技术学院
毕业设计(论文)
题目:
24Kw屋顶并网光伏电站设计与施工
年级专业:
光伏发电技术及应用
学生姓名:
指导教师:
摘要
光伏并网发电系统是可以将太阳能转换成电能并输送到电网上的系统。
近些年来,随着能源紧缺与环境污染问题的日益严重,光伏发电系统成为各国研究和发展的热点。
为了更好的迎接光伏发展的趋势,以及结合学校专业的更好的发展,起到一个标准示范的建设,本文就湖南理工职业技术学院的3教屋顶并网光伏电站进行了局部的初建设的规划设计,包括对屋顶电站设计可行性报告,系统组成设计方案、设备材料清单、相关技术规范和标准以及光伏并网系统施工建设等方面作了详细的分析和阐述。
关键词光伏;电站;设计;施工
第一章设计总述
针对湖南理工职业技术学院3教学楼屋顶24KWp并网光伏系统项目,建议结构上采用放置350*350*400(mm)水泥墩子,搭建热镀锌槽钢结构,组件竖向正对南,固定倾角20°安装,用压块对组件进行安装及稳固,系统组成采用250Wp组件,其工作电压为29.9V,开路电压37.8V,分成2个阵列,每个电池串列按照16块电池组件串联进行设计,24KWp的并网单元需配置6个电池串列,共计96块组件,共计24KWp,汇流后进入并网逆变器,经逆变器的三相AC380V,50Hz交流并网接口,并经三相计量表后接入校内电网。
另外,系统应配置1套监控装置和环境监测仪,可采用RS485或Ethernet(以太网)的通讯方式,实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态,以及现场的风速、风向、日照强度和环境温度参数。
第二章屋顶情况分析及项目建设的必要性
2.1屋顶情况分析
本工程为既有建筑改造工程,适于采用平屋面光伏系统的安装形式,避开原有建筑基础,在空旷的地方设计安装组件,现场做好施工预留,后期施工较为方便。
现场如图2-1:
图2-1现场实况图
本屋顶为上人屋面,根据《建筑结构荷载规范》,屋面均布活荷载标准值上人屋面2.0KN/m2(约200kg/m2),采用平面屋顶支架安装方式。
安装效果图片如图2-2,图2-3:
图2-2安装支架图
图2-3组件安装效果图
2.2项目建设的必要性
2.2.1开发利用太阳能资源,符合能源产业发展方向
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,能源将近76%由煤炭供给,这种过度依赖化石燃料的能源结构已经造成了很大的环境、经济和社会负面影响。
大量的煤炭开采、运输和燃烧,对我国的环境已经造成了极大的破坏。
大力开发太阳能、风能、生物质能等可再生能源利用技术是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。
“十一五”期间我国在能源领域将实行的工作重点和主要任务是首先加快能源结构调整步伐,努力提高清洁能源开发生产能力。
以太阳能发电、风力发电、太阳能热水器、大型沼气工程为重点,以“设备国产化、产品标准化、产业规模化、市场规范化”为目标,加快可再生能源的开发。
目前的太阳能发电技术主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电技术,其中太阳能热发电技术尚处于试验开发阶段,而太阳能光伏发电技术已经成熟、可靠、实用,其使用寿命已经达到25—30年。
要使光伏发电成为战略替代能源电力技术,必须搞分布式并网光伏发电系统,而这个技术已经实践证明是切实可行的。
2.2.2加快能源电力结构调整的需要
根据我国《可再生能源中长期发展规划》,提出了未来15年可再生能源发展的目标:
到2020年可再生能源在能源结构中的比例争取达到16%,太阳能发电装机180万千瓦。
可在生能源中,水能资源的开发已达35%左右。
除水电外,相对于其他能源,太阳能发电技术已日趋成熟,从资源量以及太阳能产品的发展趋势来看,开发光伏分布式发电项目,将从基础上改变能源结构,有利于增加可再生能源的比例,同时太阳能发电不受地域限制,所发电力稳定,可与水电互补,优化系统电源结构,没有任何污染减轻环保压力。
2.2.3改善生态、保护环境的需要
在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天,世界各国都在寻求新的能源替代战略,以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。
近来大部分城市多出现雾霾天气,严重影响到人们的正常生活,城市空气质量差,污染严重,环境状况已经警示我国所能拥有的排放空间已经十分有限了,再不加大清洁能源和可再生能源的份额,我国的经济和社会发展就将被迫减速,人们的健康也将随环境所胁迫。
提高可再生能源利用率,尤其发展太阳能发电是改善生态、保护环境的有效途径。
光伏分布式发电工程以及光伏电站以其清洁、源源不断、安全等显著优势,成为关注重点,在太阳能产业的发展中占有重要地位。
2.2.4发挥减排效率,申请CDM(清洁能源机制)
我国是《联合国气候变化框架公约》(1992)和《京都议定书》(1997)的签字国,为努力减缓温室气体排放的增长率,承担“共同但有区别的责任”。
在2002年约翰内斯堡全球可持续发展峰会上,中国政府已核准《京都议定书》,中国将坚定不移地走可持续发展的道路。
CDM作为国际社会对全球气候变化的一项重要措施,一方面可以帮助发达国家以较低成本实现减排目标,另一方面也可以促进资金和技术向发展中国家进行实质性转让。
本项目不但属于清洁能源,也属于议定书中规定的清洁机制的范围,能够获得减排义务的资助,随着项目建设和电力的发展,太阳能光伏发电装机容量可以不断扩大,如果有先进的技术或额外资金的支持,将大大降低太阳能光伏发电的投资压力,不但可以扩大环境保护的宣传影响,促进项目的实施和建设,从而促进太阳能光伏产业的发展。
本项目的实施,探讨目前实用的技术方案;测算本项目发电成本;提出实施该项目所需要的可操作性可行性的实际支持;为下一步的项目的建设奠定坚实的基础。
因此本项目的建设是非常有必要的。
第三章相关技术规范和标准
光伏并网电站系统的制造、试验和验收可参考如下标准:
GB/T191包装储运图示标志
GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求
GB/T20046-2006光伏(PV)系统电网接口特性(IEC61727:
2004,MOD)
GB/Z19964-2005光伏发电站接入电力系统技术规定
GB/T2423.1-2001电工电子产品基本环境试验规程试验A:
低温试验方法
GB/T2423.2-2001电工电子产品基本环境试验规程试验B:
高温试验方法
GB/T2423.9-2001电工电子产品基本环境试验规程试验Cb:
设备用恒定湿热试验方法
GB4208外壳防护等级(IP代码)(equIEC60529:
1998)
GB3859.2-1993半导体变流器应用导则
GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波
GB/T15543-1995电能质量三相电压允许不平衡度
第四章系统设计及结构组成
4.1太阳能电池阵列设计
4.1.1太阳能光伏组件选型
(1)单晶硅光伏组件与多晶硅光伏组件的比较
单晶硅太阳能光伏组件具有电池转换效率高,商业化电池的转换效率在15%左右,其稳定性好,同等容量太阳能电池组件所占面积小,但是成本较高,每瓦售价约6元。
多晶硅太阳能光伏组件生产效率高,转换效率略低于单晶硅,商业化电池的转换效率在13%-15%,在寿命期内有一定的效率衰减,但成本较低,每瓦售价约5元。
两种组件使用寿命均能达到25年,其功率衰减均小于15%。
(2)根据性价比本方案推荐采用250WP太阳能光伏组件,全部为国内封装组件,其主要技术参数见表4-1:
表4-1太阳能电池组件性能参数
组件参数
最大额定功率Wp
250
功率公差%
±2
最大功率时电压V
29.95
组件转化效率%
15.3
最大功率时电流A
8.36
开路电压温度系数%/℃
-0.32
开路电压V
37.8
功率温度系数%/℃
-0.42
短路电流A
8.78
短路电流温度系数%/℃
0.06
系统最大电压V
1000
标准组件发电条件℃
45±2
长*宽*厚mm
1650*990*50
4.1.2并网光伏系统效率计算
并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。
(1)光伏阵列效率η1:
光伏阵列在1000W/m2太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。
光伏阵列在能量转换过程中的损失包括:
组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等,取效率85%计算。
(2)逆变器转换效率η2:
逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比,取逆变器效率95%计算。
(3)交流并网效率η3:
从逆变器输出至高压电网的传输效率,其中主要是升压变压器的效率,取变压器效率95%计算。
(4)系统总效率为:
η总=η1×η2×η3=85%×95%×95%=77%
4.1.3阵列倾角
阵列的倾角的主要目的是确定阵列的跟踪方式,到各月倾斜面上的平均辐射量Ht,若为倾角固定需对倾角优化,得到最佳的阵列倾角βbest,以下对相关计算做如下介绍:
(1)、各月倾斜面上的平均辐射量Ht
任意倾角任意方位的光伏阵列倾斜面月平均辐射量采用Klein和Theilacker(1981)提出的天空各向异性模型,此种计算方法是国际上公认及最常用的计算方法,模型做以下简述,详细请查阅相关文献,具体内容不再赘述。
公式1、Ht=Hbt+Hdt+Hrt
公式2、Ht1=f(β,γ,ρ,N,E,Hbt,Hdt)
公式3、Ht2=f(β,γ,ρ,N,E,Hbt,Hdt)
公式4、Ht3=f(ρ,N,E,Hbt,Hdt)
注:
公式1为计算倾斜面上月平均辐射量的基础公式
公式2、3、4为各种跟踪方式倾斜面上月平均辐射量的简式
Ht——倾斜面上的月平均辐射量
Ht1——固定式倾斜面上的月平均辐射量
Ht2——单轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量
Ht3——双轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量
Hbt——直接太阳辐射量
Hdt——天空散射辐射量
Hrt——地面反射辐射量
β——倾斜面与水平面之间的夹角
γ——倾斜面的方位角
ρ——地面反射率,取值为0.2(见表4-2)
N——当地纬度
E——当地经度
不同地表状态的反射率见表4-2:
表4-2不同地面类型反射率
地面状态
反射率
地面状态
反射率
地面状态
反射率
沙漠
0.24~0.28
干湿土
0.14
湿草地
0.14~0.26
干燥地带
0.1~0.2
湿黑土
0.08
新雪
0.81
湿裸地
0.08~0.09
干草地
0.15~0.25
冰面
0.69
(2)、最佳的阵列倾角βbest
最佳阵列倾角共列出了两种计算方法,第一种为全年接受辐射量最大原则,第二种为全年最大发电量原则。
公式1、βbest=f(ΣHt,β)
公式1的描述:
1、设定方阵倾角为0°
2、计算出方阵倾角为0°时全年各月阵列倾斜面平均日辐照度平均值。
3、增大方阵倾角,重复2步操作,直到方阵倾角增大为90°,得到91组
P1,与最大值相对应的倾角即最优倾角。
公式2、βbest=f(ΣEp,β)
公式2的描述:
1、确定光伏阵列倾斜面上的平均辐照度、组件透风状况、组件类型、组件功率温度系数、当地全年各月环境温度等
2、得到全年各月方阵温度损耗。
3、设定方阵倾角为0°。
4、计算全年各月阵列倾斜面平均日辐照度。
5、假定一定容量的方阵,考虑温度损耗计算各月发电量的平均值。
6、增大方阵倾角,重复4、5步操作,直到方阵倾角增大为90°,得到91组结果,与最大值相对应的倾角即最优倾角。
公式3、ΣEp=ΣHt*(1+(f–T)*γ)
注:
公式1为循环β,得到ΣHt最大值的最佳倾角计算简式
公式1为循环β,得到ΣEp最大值的最佳倾角计算简式
公式3为ΣEp的计算简式
Ht——倾斜面上的月平均辐射量
βbest——最佳的阵列倾角
Ep——各月发电量
β——阵列倾角
f——组件的工作温度
T——标准测试条件下组件工作温度25℃
γ——功率温度系数
跟踪方式确定:
阵列的跟踪模式分为平铺固定、倾角固定、单轴跟踪、双轴跟踪四种方式,此处采用倾角固定式。
根据上述公式计算及综合考虑,阵列倾角为20°,阵列方位为0°。
4.1.4方阵布置
相关公式简述:
公式1、Dxt=H*cos(γs-γ)/tan(αs)
公式2、Dyt=H*sin(γs-γ)/tan(αs)
公式3、Dx=f(Dxt,t)Dy=f(Dyt,t)
公式4、(β,γ)=f(θz,βz,γz)
公式5、cosθt=sinαs*cosβ+cosαs*sinβ*cos(γs-γ)
公式6、θtbest=f(arccosθt,θz)
公式7、(β,γ)=f(αs,γs)
注:
公式1、2为任意时刻t,相邻排或列之间的高度差H在两个方向的阴影计算公式。
公式3为9:
00-15:
00点之间循环,得到Dxt、Dyt的阴影最大值Dx、Dy。
公式4、5、6为单轴跟踪阵列瞬时倾角及方位的简式
公式7为双轴跟踪瞬时倾角及方位的简式
αs——太阳高度角
γs——太阳方位角
β——阵列倾角
γ——阵列方位
βz——跟踪轴倾角
γz——跟踪轴方位
θz——跟踪轴转动度数
θt——太阳入射角与阵列倾角之间的夹角
θtbest——通过循环θz,得到θt的最小值θtbest
H——相邻排或列之间的高度差。
阵列布置、阴影、间距计算,安装示意图如图4-1
图4-1安装示意图
根据运用上述公式计算及综合考虑单模块布置及阴影、间距如下:
组件布置方式竖置
横向(H1)组件布置24块
竖向(H2)组件布置2块
两排间距(D1)2.74m
太阳能光伏组件阵列排列面布置见图4-2:
图4-2组件阵列排列平面图
4.2逆变器设计
逆变器设计主要是根据组件选择合适的逆变器,并确定组件的串联数及并联数。
以下对相关公式及原则做简要介绍:
公式1、Vmp(f)=Vmp(1+γ△T)㏑(e+β△S)
公式2、Voc(f)=Voc(1+γ△T)㏑(e+β△S)
公式3、△T=T–T(f)
公式4、△S=S/S(f)–1
公式5、PYmax=(Sti,fe,Vmp(S,f),Voc(S,f))
公式6、Sti=(RH,ρ,hPa,YN,JD,WD,ti,β,γ)
原则1、逆变器最大直流输入功率>PYmax*Ns*Np
原则2、逆变器最小MPPT电压<Vmp(f)*Ns
原则3、逆变器最大直流开路电压>Voc(f)*Ns
原则4、组件系统最大电压>Voc(f)*Ns
注:
公式1、2为计算组件任意温度下Vmp(f)和Voc(f),Voc(f)主要应用为冬季组件工作温度,Vmp(f)夏季组件工作温度
公式5为循环一年计算每个时刻相对理想状态下组件的瞬时输出功率的简式,其中的最大值定义为组件全年最大输出功率PYmax
公式6为任意时刻相对理想状态下阵列倾斜面上的辐照度的简式
Ns——每台逆变器接入组件串联数
Np——每台逆变器接入组件并联数
Imp——组件最大功率时电流
f——为组件的工作温度
fe——为任意的环境温度
S——为倾斜面辐照度
K——0.025℃㎡/W
Pymax——组件全年最大输出功率
Vmp(f)——任意温度及辐照度时组件最大功率时电压
Vmp——标准测试条件下的最大功率时电压
Voc(f)——任意温度及辐照度时组件开路电压
Voc——标准测试条件下的组件开路电压
T——标准测试条件下组件工作温度25℃
T(f)——任意组件工作温度
S——标准测试条件下的辐照度1000W/㎡
S(f)——f温度下相应辐照度
γ——开路电压温度系数
e——常数
β——0.5
Imp——STC下组件最大功率时电流
β——阵列倾角
γ——阵列方位
PYmax——组件全年最大输出功率
RH——相对湿度
YN——云量
ρ——地面反射率
hPa——大气压
ti——任意时刻
Sti——任意时刻相对理想状态下阵列倾斜面上的辐照度
JD——当地经度
WD——当地纬度
4.2.1设计需求
(1)组件工作温度:
组件的工作温度影响组件的电性能参数,为使设计更加缜密,计算过程中运用组件夏季或冬季工作温度下的电性能参数,根据计算所得组件夏季工作温度为60℃,组件冬季工作温度为-10℃。
(2)组件全年最大输出功率:
组件的额定峰值功率为实验室环境下得到的,为更合理的选择逆变器,需得到实际应用过程中组件全年最大输出功率。
工程中采用组件全年最大输出功率为:
250W。
(3)功率比允许值:
阵列实际最大输出功率接近逆变器最大直流功率可以提高逆变器的利用率,但逆变器满载运行时转化效率会有一定的损失,此处通过设置功率比允许值来平衡逆变器效率与利用率之间的关系。
根据实际情况,确定功率比允许值为95%。
(4)用户计划安装容量:
根据此区域的面积、选择组件的状况、阵列的跟踪方式可计算区域内最大的安装容量,最终根据实际情况确定计划安装的容量为:
24KW。
4.2.2逆变器选择
逆变器选用厦门科华恒盛股份有限公司生产的SPI30K-A型号,该逆变器的主要参数如表4-3:
表4-3逆变器参数
逆变器参数
直流侧参数
交流侧参数
最大直流电压V
880
额定输出功率W
30k
满足MPPT电压范围
450~880V
最大交流输出电流A
30
最大直流功率W
33k
额定电网电压V
380
最大输入电流A
73
允许电网电压V
310~450
最大接入路数
1
总电流波形畸变率
<3%
MPPT路数
1
功率因数
≥0.99(额定功率)
其他
最大效率
95.2%
高度mm
1800
欧洲效率
94.1%
宽度mm
800
防护等级
IP20
厚度mm
80
隔离
无变压器
重量kg
350
设计结论
共用SPI30K-A型号逆变器1台。
附表4-4:
组件串并联计算列表
串联数
并联数
逆变器数量
总安装容量
计划安装容量
16
6
1
24KW
24KW
据上表,最终确定组件串联数=16,组件并联数=6。
4.3汇流箱设计
汇流箱连线示意图见图4-3:
图4-3汇流箱连接示意图
光伏阵列防雷汇流箱具有以下特点:
(1)满足室外安装的使用要求;
(2)同时可接入6路太阳电池串列,每路电流最大可达10A;
(3)接入最大光伏串列的开路电压值可达DC900V;
(4)熔断器的耐压值不小于DC1000V;
(5)每路光伏串列具有二极管防反保护功能;
(6)配有光伏专用高压防雷器,正极负极都具备防雷功能;
(7)采用正负极分别串联的四极断路器提高直流耐压值,可承
受的直流电压值不小于DC1000V。
确定如表4-5参数的汇流箱数量1台,汇流箱参数见表4-5:
表4-5汇流箱参数
汇流箱参数
光伏阵列输入路数
6
每路熔丝额定电流A
10
最大接入开路电压V
1000
防护等级
IP65
汇流箱输出路数
1
4.4电缆设计
公式1、Nz=Ni*M
公式2、Imp(f)=Imp*S/Sf(1+α(T-T(f)))
原则1、Pzi>Ns*Np/M
原则2、Izi>Np/M*Imp(f)
注:
公式1为计算直流单元数量
公式2为夏季阵列输入直流单元的最大电流
原则1、2为选择直流单元的基本原则
Nz——直流单元数量
Ni——逆变器数量
M——每台逆变器MPPT个数
Ns——每台逆变器接入组件串联数
Np——每台逆变器接入组件并联数
Imp——组件最大功率时电流
Imp(f)——任意温度及辐照度时组件最大功率时电流
f——为组件的工作温度
S——为倾斜面辐照度
Pymax——组件全年最大输出功率
S——标准测试条件下的辐照度1000W/㎡
S(f)——f温度下相应辐照度
α——短路电流温度系数
T——标准测试条件下组件工作温度25℃
T(f)——任意组件工作温度
根据设计要求得到如下线缆规格:
阵列输出的线缆规格为YJV系列YJV0.6/1KV1×4mm²
汇流箱输出的线缆规格为YJV系列YJV0.6/1KV2×16mm²
逆变器输出的线缆规格为YJV系列YJV0.6/1KV2×16mm²
4.5系统组成方案原理框
系统连接电气图示意见图4-4:
图4-4系统连接电气图
4.6系统监控装置
采用高性能工业控制PC机作为系统的监控主机,配置光伏并网系统多机版监控软件,采用RS485通讯方式,连续对所有并网逆变器的运行参数和工作状态进行监测。
(1)监控主机的照片和系统特点如下:
①嵌入式低功耗VIAC3处理器;
②带LCD/CRTVGA;
③以太网口;
④RS232/RS485通讯接口;
⑤USB2.0;
⑥256M内存(可升级);
⑦40G笔记本硬盘(可升级);
(2)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:
①实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图。
②可查看每台逆变器的运行参数,主要包括:
A直流电压;
B交流电压;
C交流电流;
D频率;
E当前发电功率;
F日发电量;
G累计发电量;
H逆变器机内温度;
I时钟;
J累计CO2减排量;
K每天发电功率曲线图。
③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内容:
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散热器过热;
J逆变器孤岛;
KDSP故障;
L通讯失败;
(3)监控软件具有集成环境监测功能,主要包括日照强度、风速、风向、和环境温度等参量。
(4)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年以上的电站所有的运行数据和所有的故障纪录。
(5)可提供中文和英文两种语言版本。
(6)可长期24小时不间断运行在中文WINDOWS2000,XP操作系统。
(7)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。
(8)显示单元可采用大液晶电视,具有非常好的展示效果。
4.7环境监测仪
本系统可配置1套环境监测仪,如图4-5,用来监测现场的环境情况:
图4-5环境监测仪
该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成,适用于气象
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