浅谈内蒙古建设广场光伏发电系统设计

【摘要】随着化石燃料的使用大幅度提高，使污染不断的增长。科学家称温室气体的排放超过一定程度将使地球明显变暖。随着全球范围内能源供需矛盾日益突出，环境污染日趋严重，倡导环境的可持续发展成为当代的主题，各国都日益重视可再生能源的开发利用。随着经济的发展和人民生活的提高，建筑能耗还将大幅度增长。本文作者针对内蒙古某广场发电系统进行了研究和探讨。

【关键词】：太阳能资源；光伏建筑一体化；发电系统设计

中图分类号：TK511文献标识码： A

1、本项目应有太阳能资源优势分析

1.1太阳能利用的必然性

内蒙古自治区为能源大省，随着我区社会经济的发展，能源消耗与日俱增，能源问题日益紧张。世界能源委员会预测，按照资源探明储量和目前的发展速度，石油将在43年之后枯竭，天然气将在66年用尽，煤炭也只够169年开采。随着化石燃料的使用大幅度提高，使污染不断的增长。科学家称温室气体的排放超过一定程度将使地球明显变暖。

图3 能源构成的发展趋势

目前我国民用建筑的能耗占全国能源消费总量的26.7 %以上，接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量1/3 左右的水平。随着经济的发展和人民生活的提高，建筑能耗还将大幅度增长。而我国能源经济可开发剩余可采储量的资源有限，其中：原煤110年，石油：35 年，天然气40年。因此，积极寻求新的替代能源也是我国走可持续发展道路的必然选择。

2.2 本地利用太阳能资源的优势

太阳能资源的分布具有明显的地域性。这种分布特点反映了太阳能资源受气候和地理条件的制约。从全球角度来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，具有发展太阳能利用得天独厚的优越条件。

我国太阳能资源分布的主要特点有:

(1)、太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；

(2)太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；

(3)、由于南方多数地区云多雨多，在北纬30°～40°之间，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的升高而减少，而是随着纬度的升高而增加

2.3设计原则

本工程设计在遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的指导思想和设计原则下，着重考虑以下设计原则：

先进性原则

随着太阳能利用技术的发展，太阳能光伏电站设计必须考虑先进性，使系统在一定的时期内保持技术领先性，以保证系统具有较长的生命周期。

安全可靠原则

作为公共太阳能，安全是首要考虑的因素；

针对本工程的特点，选用的结构充分考虑了风荷载、温度应力和地震作用的影响，设计安全系数保证满足相应标准或规范的要求。

环保节能原则

本工程光电技术的主要功能是发电，特别是太阳能光伏发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。

维修方便原则

当电站的某个局部受损而需要更新时，组件板块能否灵活方便地进行拆卸更换，直接关系到系统的功能是否能得到保持，结构能否受到影响等因素，因此在结构设计时要求必须可更换、并且要很方便，且不能影响发电系统正常使用。

经济性原则

在上述原则得到充分保证的基础上，要充分考虑经济实用性、效益性，提高发电系统的经济与实用价值。保证资金投向合理，在确保满足国家通用规范的基础上，合理地发挥各种材料的特性，才能产生极佳的经济效益。对于本工程，集中优势、精心研究，创造精品工程。

3、光伏建筑一体化设计

（1）光伏建筑一体化：

本项目采用安装与建筑屋顶材料组合在一起作为建筑屋顶的光伏组件。光伏建筑一体化电站工程建成运行后，每年可为本厂区建筑及生产用电提供电力226.9万kWh，与火电相比相当于节约燃煤816。96 t，相应减少二氧化硫等有害气体排放量 14.73t，烟尘排放量4.08t，减少了空气污染。同时节约水资源2266.92t，产生良好的经济效益、社会效益和生态效益。因此，该工程示范项目的建设，对自治区推广低能耗工业厂房建筑提供良好的先例，有利于促进地区经济发展，将带动自治区工业建筑的发展，为工业建筑采用新的用能结构形式提供借鉴，同时对保护环境、生态建设意义重大。

3.1光伏建筑一体化技术简介

光电电池组成光电组件，光电组件和支撑结构连接，并符合各项建筑围护结构的物理性能指标，组成光电屋顶。同时，光电组件要能够便于更换。

光电屋顶结构设计可按照玻璃工程技术规范(JGJ102),建筑玻璃应用技术规程(JGJ113)等有关标准和规范进行,这里简介其电学设计。

当屋顶为非并网独立发电系统时，光电屋顶所产生的电能，经过输入电能变换器，转换成能满足蓄电池组要求的充电电压和充电电流，向蓄电池充电，蓄电池容量按用户要求的无太阳天气连续供电天数进行设计；输出电能变换器，将蓄电池组中的直流电能转换成负载要求的电压和电流及电能形式，向负载供电。有些国家由于光电屋顶发出电量，经过逆变器后可并入电网，可以不设蓄电池组。设置蓄电池组时，在阴雨天气或太阳光少的情况下，也能保证一段时间的连续供电，由于输入电能变换器和输出电能变换器互相独立，其设计更为容易，光能的波动对供电质量几乎没有影响。但蓄电池组的寿命一直是一个值得关注的问题。其寿命难以保证与太阳能电池同步，一般是太阳能电池寿命的1/4或1/5 。

以下是一些屋顶光电系统的示例。

图5 光电屋顶类型

图6 光电屋顶示例

3.2 光伏组件排布方案

（1）光伏阵列的布置

考虑到跟踪系统虽然能提高系统效率，但需要维护，而且会增加故障率，因此本项目采用固定的光伏方阵。

固定安装的光伏阵列方阵要有一定的倾角，一般来说，方阵倾角等于当地纬度时，全年的辐射量最大。方阵调整到一定倾角后，就要注意方阵间要留出合理的间距，不要前后遮挡。固定方阵安装好后不再调整，一劳永逸，可以无人值守。

4、并网系统设计

光伏并网发电系统是太阳能推广利用的重要途径之一。并网系统直接与电力系统相连，将太阳电池组件发出的直流电能转变为与电网同频、同相的交流电后直接送往电力系统（称为卖电）；负载所需电能则直接从电网获取（称为买电）。光伏并网发电系统主要有两种并网方案：输电侧并网和配电侧并网。本项目设计的光伏并网发电系统采取配电侧并网方案。

本系统采用235W多晶硅太阳电池组件，采用独立侧并网方式，光伏矩阵经防雷汇流箱接入直流配电柜，然后接入光伏并网逆变器，由交流防雷配电柜接入用户侧电网。配电侧并网光伏发电系统工作原理如下所示：

图8 光伏发电系统工作原理

4.1 系统设备选型

考虑到元泰汗府建筑群特点，尽可能将光伏组件或方阵的选型和设计应与建筑结合，在综合考虑发电效率、发电量、电气和结构安全、适用美观的前提下，优先选用适用性光伏构件，并与建筑模数相协调，满足安装、清洁、维护和局部更换的要求。

1）电池组件的选择

目前，市面上的太阳能电池组件组件主要有晶体硅电池和薄膜电池两大类。从发电性能上比较，晶体硅电池的转换效率比较高，组件效率都在15%以上，抗衰减性能也比较好；而不管是晶体硅薄膜电池、非晶硅薄膜电池或是化合物薄膜电池，目前其商用化产品的组件效率都难以超过10%。