建筑屋面分布式光伏发电项目设计探讨

建筑屋面分布式光伏发电项目设计探讨
发布时间：2023-05-30T10:11:55.986Z 来源：《中国建设信息化》2023年6期作者：孙玉杰[导读] 摘要：以南京某数据中心屋顶分布式光伏发电项目为例，对建筑屋顶分布式光伏发电项目在夏热冬冷地区的设计要点进行分析和探讨｡本期工程装机容量共为4.1MW，工程运行期25年，总上网电量9791.4万kW·h，年均上网电量391.7万kW·h，采用隔墙售电，项目投资财务内部收益率为5.56%，投资回收期14.17年｡本项目可节约大量燃煤，减少有害物质排放和污水排放，减轻环境污染，助力建筑行业绿色低
碳转型和可持续发展｡
摘要：以南京某数据中心屋顶分布式光伏发电项目为例，对建筑屋顶分布式光伏发电项目在夏热冬冷地区的设计要点进行分析和探讨｡本期工程装机容量共为4.1MW，工程运行期25年，总上网电量9791.4万kW·h，年均上网电量391.7万kW·h，采用隔墙售电，项目投资财务内部收益率为5.56%，投资回收期14.17年｡本项目可节约大量燃煤，减少有害物质排放和污水排放，减轻环境污染，助力建筑行业绿色低碳转型和可持续发展｡
关键词：分布式光伏；可再生能源；低碳；节能环保光伏发电项目的主要原理是光生伏特效应，将太阳能转换为电能，随着光伏发电项目的不断推进，其建设和管理需要更加科学､精细地优化，最大程度提高光伏发电的效率｡应当继续发挥好光伏发电的优势，降低碳排放，满足所在区域的电力需求｡本文以南京市某数据中心屋面分布式光伏发电项目为案例，探讨了夏热冬冷地区建筑屋面分布式光伏发电项目的设计要点｡
1分布式光伏发电项目设计应用的优化意义
1.1推动环保发电产业发展
在使用光伏发电站的过程中，太阳能属于非常重要的能源供给，太阳能资源属于清洁且可再生的资源，在使用太阳能进行发电的过程中，既不会产生噪声，又不会出现任何污染问题｡太阳能发电项目可以突破地域的多种限制｡通过将光伏发电项目和水力发电项目､火力发电项目进行对比可以发现，在对光伏发电项目进行建设的过程中，不需要投入大量的机械设备，避免了机械设备的消耗问题，对于大多数光伏发电设施而言，其可以直接将太阳能转化为电能，中间不存在其他类型的能量转换，这也是光伏发电项目能量转换较高的重要原因｡
1.2保障能源供给
我国属于工业大国，人民生活以及工业生产对于电能的依赖都较为严重，尽管我国多种类型的能源都取得了较大的发展，但是我国仍然处于能源短缺的状态，通过大力发展光伏发电项目，可以解决我国能源短缺的问题，还可以解决我国在能源短缺方面存在的众多问题，使得我国的能源整体产量得到一定的提升｡
2项目概况
该项目位于江苏省南京市，利用某数据中心屋顶，采用平铺安装､光伏发电与建筑屋顶相结合的方式，建设屋面分布式光伏发电工程，实现资源的有效利用｡在设计中对于有采光带区域的屋面，组件避开采光带安装，保留原建筑屋面采光功能｡在屋面不打孔，不破坏防水｡本期项目装机容量共计4.1MW，项目运行期25年间总发电量为9791.4万kW·h，年均发电量为391.7万kW·h，首年发电量为419.6万kW·h，首年峰值利用时长为1050h｡
3系统总体方案设计
3.1光伏组件选择
3.1.1组件类型选择
结合目前国内光伏组件市场的产业现状和产能状况，综合比较目前市场上占比最大的晶体硅和薄膜两大类光伏组件，考虑到晶体硅光伏组件成熟度高､效率稳定､市场份额最大､目前价格较低､产能较大等因素，且国内外均有大规模应用的实例，最终选定晶体硅光伏组件为晶体硅光伏｡
3.1.2组件规格参数确定
晶体硅光伏组件的功率规格多，从5W到670W，国内已有厂家生产，产品应用范围广｡项目装机规模较大，组件数量较多，为减少占地面积，减少组件安装量，优先选用单位面积功率较大的光伏组件（即转换率较高的组件）｡组件量少说明组件间衔接点少，建设进度快；并且降低了故障的机率，减少了接触阻力和电缆的用量，相应地减少了系统的整体损耗｡
目前主流市场上单晶硅组件的电池片封装大多为60片与72片，60片电池片组件主流峰值功率为450W，72片电池片组件主流峰值功率为540W，按屋顶4.1MW项目对比分析，540W组件相比450W组件可节约屋顶面积926m2，节省租金1852元/年（2元/m2）；节省光伏专用电缆长度30000m，节省电缆成本90000元；节省2×28支架66套，节省支架成本399168元｡根据技术经济对比表及本工程特性，采用72片封装单晶硅光伏组件规格为单面540W｡本阶段只能选择固定的运营方式，从项目实施载体和结构承载力两方面考虑，采用平铺方式安装彩钢瓦屋面屋顶光伏系统｡
3.2逆变器的选择
目前市场上主流的逆变器有三种，即集中式逆变器､组串式逆变器和集散式逆变器｡集中式逆变器目前拥有成熟的设备技术和较大的市场份额；集散式逆变器在价格和技术上还需要进一步的优化，目前尚无实测数据；在山地､屋顶和复杂地形光伏中，组串式逆变器在提高发电量的同时兼顾价格和性能，具有明显的优势｡
根据前述选型原则，考虑屋面朝向并非正南，且屋面有5%散水坡度，导致组件朝向不一致，发电的电力电压不一致，结合项目施工区域实际气候､海拔高度､屋面平坦度等特点，项目屋面光伏系统选用组串式逆变器｡根据屋面尺寸及组件布置情况，为减少线缆长度､降低施工难度，尽量保证各回路导线长度一致，本期工程屋面光伏选择采用100kW（交流电压400V）的组串式逆变器｡3.3光伏阵列设计及布置方案
结合逆变器最佳输入电压､安装区域及光伏组件工作环境等因素综合分析，本项目选用的晶体硅太阳能光伏组件串联数确定为16块/串（直流电压1100V），可使组件间连接线数量大量减少，系统可靠性提高｡
一个光伏组件串单元中光伏组件有多种排列方式，但为了接线简单，线缆用量少，充分利用有限的屋面资源，光伏组件在工程计算的基础上进行排列，因彩钢屋面部分区域有采光带，最终采用排布方案为16块每串布置｡本项目利用园区高库和仓库彩钢瓦屋顶布置光伏组件，屋顶无女儿墙，组件布置预留1.5m安全施工距离；屋顶风帽较多，利用SK模型定位分析阴影进行避让；屋顶采光带处组件避让距离≥300mm，保证建筑采光充足｡彩钢屋面每个光伏组件间预留0.02m压块安装空间，阵列单元间预留0.8m检修维护通道，每个彩钢屋面在光伏组件阵列中间位置均匀预留1~3条专用检修通道及电缆通道｡
3.4方阵接线方案设计
对发电系统的效率､工程投资和工期影响较大的包括屋面电缆桥架和地面土建开挖量｡在综合考虑减少屋面承重､电缆损耗和节省投资的情况下，结合该数据中心厂区总平面布置方案，对子方阵直流线缆敷设提出以下方案：
1）支架/导轨单元上光伏组件串内接线部分：采用直接插拔的方式安装组件自带的光伏专用电缆（含MC4接头），并在支架檀条/导轨的凹槽内固定线缆绑扎｡2）逆变器出线部分：结合逆变器和变压器的分布位置，采用电缆桥架或穿管敷设，先在同一主干通路上就近敷设电缆，使电缆槽箱敷设在支路上的量降到最低，避免与光伏组件串汇流电缆发生交叉；电缆采用穿管､桥架或直埋敷设，在隐蔽处翻越屋面女儿墙，沿筑表面穿管或直埋进入新建升压变压器，升压变压器至10kV开关柜电缆及10kV开关柜至并网点母线均采用直埋或厂区原有电缆管道敷设｡
4发电量及发电效益
4.1发电量
系统效率是影响发电量的关键因素｡灰尘和雨水遮挡､温度过低､组件串联不匹配均会造成效率降低，逆变器､直流交流部分线缆､变压器的功率损失等都会造成系统效率的降低，从而影响发电量｡在PVsyst软件中进行模拟，得到系统各项损失｡其中，污秽损失约3%，组件温度损失约为4.55%，失配损失约为2.06%，低压电缆电缆线损约为0.53%，逆变器效率损失约为1.52%，整体系统效率约为84.6%｡该数据中心4.07646MW光伏发电项目的年总发电量可根据太阳能年总辐射量､系统组件总功率､系统总效率等数据进行计算｡
考虑到随着时间的推移，电池组件的不同效率有所衰减，25年内每年的发电量可以计算出来｡在PVsyst软件中进行工程建模，4.07646MW光伏方阵分为2个2.038MW方阵，方阵选择倾角2.86°，计算得出25年总发电量为9791.4万kW·h，25年平均年发电量为391.7万kW·h｡
4.2电量消纳情况分析
仓改数据中心近12个月总用电量约为2027.11万kW·h，月均用电量168.92万kW·h｡本期工程安装容量约为4.07646MW，售电给数据中心使用，所发电量全部自用｡
4.3发电效益
该项目多年平均发电量为391.7万kW·h，若按火电煤耗（标准煤）315g/（kW·h）计算，建设投运后平均每年可节约标准煤1194.6t，相应每年可减少多项大气污染物排放，其中CO2减排约3188.1t，SO2减排约24.3t，氮氧化合物减排约8.2t，在不消耗水资源的情况下，降低环境污染，无污水排放｡
5结语
利用某数据中心屋面建设4.1MW屋面分布式光伏发电项目，25年累计上网电量9791.4万kW·h，年平均上网电量391.7万kW·h，所发电量全部自用｡该项目的实施降低了环境污染，为建筑领域的碳减排提供了案例支撑｡
参考文献：
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