光伏发电系统在工业建筑中的应用与节能分析

0引言

作为新能源的代表,太阳能凭借着取之不竭、用之不尽的特点,迅速成为全世界最重要的能源发展方向之一。随着时代与技术更迭,与太阳能相关的各类产业如雨后春笋般涌现,光伏发电系统也应运而生。凭借着清洁、稳定、安全等优点,光伏发电技术迅速与各行业融合,其中建筑行业因其建设使用的能源消耗占比大,成为光伏发电发展的主要载体之一。

据统计,2023年我国日照条件丰富地区,太阳能最佳斜面辐照总量超过1 800 kW·h/m²,年日照时长超过1 500 h。鉴于此,各级政府出台了各类激励政策,鼓励新建建筑屋面同步建设光伏发电系统,截至2023年8月,我国光伏发电的装机容量已经超过5.2亿kW。

利用建筑屋面建立分布式光伏电站,不仅响应了国家对于碳中和的号召,还能重塑能源结构,更提高了绿色建筑标准。相较于民用建筑,工业建筑一般具有屋面可利用面积大、空旷无遮挡等特点,这些特点与光伏组件的布置要求相符。本文结合实际案例,分析工业建筑光伏发电系统的设计重点,并采用 PVsyst软件进行建模和系统仿真,得出该项目全年发电量等数据,并对该项目的节能减排效果进行评估,以期为推动光伏系统推广及深入研究提供参考。

1项目条件分析

对于不同海拔、维度,在不同气候条件下的太阳辐照量都不同,在设计初期,需要考虑不同地区的辐照量,结合当地气候进行综合分析,制定初步设计方案;同时掌握各类国家标准规范,综合考虑各类系统影响因素,通过模拟软件分析系统发电量及节能减排效果。

某项目位于广西壮族自治区崇左市,北回归线以南,属南亚热带季风气候,该地区气候温和,年日照时数1600h,年无霜期长达340天。项目所在地坐标为北纬22°26',东经107°23',海拔130 m。设计前采用Meteonorm分析项 目气象资料 ,再根据GB/T 37526—2019《太阳能资源评估方法》判定,确定项目位于太阳能辐射丰富地区,适合建立太阳能发电系统。

项目为工业园区内一幢BApv光伏形式的工业厂房,屋面铺设固定式光伏组件。系统采用“自发自用,余电上网”模式。厂房平屋面朝向正南,屋面面积为3070m²,建筑高度27 m,共四层,周边无遮挡物,屋面可利用面积大,自身遮挡少,组件排布条件良好。

2太阳能系统方案设计

2.1组件安装分析

组件安装通常考虑其方位角及倾角,方位角通常按照正南或偏西5°~10°考虑;倾角则需要衡量经纬度、海拔、阴影遮挡等因素,设计时需要通过公式计算,并采用软件对其进行仿真,调整最佳的组件倾角与安装间距,确保组件不受到其他建筑或前排组件阴影遮挡。利用公式计算出建筑屋面女儿墙及机房在冬至日09:00—15:00的阴影遮挡情况,并使用天正日照日影棒图及PVsyst全天阴影动画进行复核,确定屋面可利用面积为2 673 m²。如图1所示,按照公式D≥H×cot α_s ×cos γ,计算出光伏组件之间无遮挡最小间距为0.9 m^[1] 。其中,γ为组件方位角。

2.2光伏阵列排布

本项目采用单晶硅光伏电池,组件型号为LR5- 72HTH-560M,效率为21.7%。组件尺寸2 278 mm×1134 mm×35 mm,每组最大功率560 W,开路电压51.61 V,短路电流13.94 A,峰值功率电压43.46 V,峰值功率电流12.89 A。通过组件参数,结合该项目所在地经纬度,采用PVsyst调整光伏组件最佳倾角为17°。组件阵列采用固定式支架安装,面朝正南。根据前文计算出的组件最小间距,共铺设702块光伏组件,总装机容量为393 kWp。再通过PVsyst建模布置光伏组件,采用全天阴影动画分析阴影情况并进行调整,确保冬至日09:00—15:00组件无阴影遮挡,最终布置模型如图2所示,未布置处为女儿墙及屋面机房阴影遮挡区域^[2]。

2.3 逆变器选型

光伏组串以并联形式接入逆变器,串、并联数量需要通过逆变器的最大输入电压及MPPT电压输入范围来计算,因此在计算前,需先根据平面布置图及总装机容量,确定逆变器型号^[3]。本项目采用分区并网形式 ,总装机容量为393kWp,选用三台华为SUN2000-110KTL-M2型逆变器,容配比为1.19,逆变器最大输入电压1100V,工作电压范围200~1000 V,满载MPPT电压范围540~800 V,额定输入电压600V,额定有功功率115kW,最大有功功率121kW,额定输出电压220/380V,额定输出 电流167.2 A。

2.4组串并网设计

光伏组串串联数量根据GB50797—2012《光伏电站设计规范》^[4]中6.4.2公式(6.4.2-2)进行计算。

式中:N为光伏组件的串联数(N取整数);V_mpptmax为逆变器MPPT电压最大值;V_mpptmin为逆变器MPPT电压最小值;V_pm为光伏组件的工作电压;t为光伏组件工作条件下的极限低温;t'为光伏组件工作条件下的极限高温;Kv'为光伏组件的工作电压温度系数。

将组件及逆变器数据代入公式,并在PVsyst软件中模拟,当N取18,并联组串数为39时,系统超配损失最低,发电效率最佳。在设计光伏阵列时,需要计算组串的输出电压,使其满足逆变器输入端的电压范围,通过公式U=U_mpp×n计算(u为光伏阵列输出电压;U_mpp为组件最大功率工作电压;n为光伏阵列中组件总数),如图3所示,该系统选用560 Wp单晶硅组件,每18块组件串联,39个组串并联,共702块组件,接入3台110 kW逆变器^[5]。

702块光伏组件分为3个阵列,通过光电转换,将产生的直流电通过专用电缆PV1-F-1×4 mm²输送至 3个110 kW逆变器,逆变器将直流电转变为交流电并输送至厂区新增低压并网柜,并网柜接入厂区1000kVA变压器低压侧,从而实现“自发自用,余电上网”的目标。

3 系统仿真分析

3.1 发电量分析

确定组件以及逆变器各项参数后,使用PVsyst 通过实际项目模型对系统整体进行仿真分析。

该系统组件数量为702块,总标称功率393 kW,项目年总发电量为396095 kW·h,年单位发电量为1008 kW·h/kWp,系统效率为84.56%。

转换为单位发电量损失如图4所示,日有效发电量为2.76 kW·h/kWp,即1 kWp光伏组件每天可以转换2.76 kW·h电^[6]。

3.2 损失分析

在光伏系统运行时,系统各阶段因素都会导致发电量的损失,包括天气、温度、组件角度、串并联方案、逆变选型等,采用PVsyst软件对具体损失流向进行模拟,得出数据:因温度升高导致的发电量损失为6.43%,辐照强度导致的损失为1.26%,安装、组串配置导致的损失为2.15%。转换为单位发电量损失如下:光伏阵列的采光损失为每天0.46 kW·h/kWp,逆变器系统损失为每天0.05 kW·h/kWp。因此,在进行系统配置时,要考虑组件温度衰减、最佳倾角及最佳串并联数量,通过PVsyst进行模拟并调整,选取最佳方案以减少发电量损失。

3.3碳减排仿真分析

作为全球最大的火力发电国家,中国2023年火力发电量占全年总发电量的69.5%,能源消耗及排放量巨大。根据报告显示,2023年全国供电标准煤耗平均值为302.7 g标准煤/(kW·h),该数据表示1 kW.h电平均需要消耗302.7g标准煤,同时消耗4L纯净水,产生0.997 kg二氧化碳、0.015 kg氮氧化物、0.03 kg二氧化硫以及0.272 kg碳粉尘^[7]。该类物质对于人类健康、环境、温室效应、空气质量等都会产生一定的影响。通过换算,本文所设计的光伏发电系统通过 PVsyst仿真,按照项目年总发电量396 095 kW·h,计算出每年碳减排效果如表1所示。

3.4 能效分析

根据项目仿真数据得知,装机容量为393 kWp的光伏发电系统,每年可为企业提供39万kW·h的发电量,以广西崇左市峰值工业电价为标准,每年可为企业节约25万元以上的用电费用;而采用“自发自用,余电上网”并网模式,也能在企业用电量较低时将电能输入电网,为企业增加经济效益。该系统全生命周期一般超过25年,按照目前光伏安装维护成本计算,6~8年可收回投资成本,经济效益良好。

仿真数据显示,393 kWp的小型光伏发电系统每年可节约超百吨标准煤,减少四百多吨的二氧化碳及其他有害物质排放,而对于兆级以上的大型光伏发电站,其在全生命周期内的节能减排效果将更为显著。由此得知,全面普及光伏发电系统,可减少各类有害物质排放对空气造成的污染,对环境及不可再生资源进行有效保护;同时对于促进我国能源结构的转变升级,减少中国对于传统能源的过度依赖,实现可持续发展具有重要意义。

4结束语

本文以实际项目为例,采用Meteonorm确定项目地气候数据,并结合Pvsyst软件进行建模、设备选型、仿真,分析了分布式光伏发电项目在实际工程设计中的重点,模拟项目年光伏发电量、系统效率、损失流向等具体数据,明确光伏发电系统的能源收益及碳减排效果,为推动光伏行业发展,保护不可再生资源及生态环境,实现碳中和目标提供了数据支持。

[参考文献]

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[2]吴奕奇,薛剑飞,王佳妮.基于校园屋顶的分布式光伏发电系统设计[J].现代建筑电气,2021,12(7):69-74.

[3]韩志华,刘秦.分布式光伏发电系统电气设计分析[J].光源与照明,2023(1):133-135.

[4] 光伏电站设计规范:GB 50797—2012[S].

[5] 张强.建筑“光储直柔”配电系统设计要点浅析[J].现代建筑电气,2023,14(12):17-24.

[6]刘裕舸.校园屋顶分布式光伏发电系统方案设计[J].红水河,2023,42(1):69-74.

[7]蔡焕宁.太阳能光伏发电系统在民用建筑中的应用分析[J].建筑电气,2018,37(2):45-50.

2024年第16期第6篇