15.3kW 家庭分布式光伏电站设计研究

15.3kW 家庭分布式光伏电站设计研究

李少帅 胡蓉蓉 孔顺莲

（青海师范大学物理与电子信息工程学院 青海西宁 810000 ）

摘 要： 在中国经济的快速发展前提下，用户对电的需求也日益增长，而在空闲的家庭屋顶上建设分布式光伏电站不仅可以满足用户的用电需求，而且可以节能减排，为我国环保事业助力。本文将以 15.3 kW 并网光伏电站发电系统为对象，对其系统总体设计以及太阳能组件选型与安装方式、并网逆变器选型等进行了分析，并对并网光伏电站的经济效益、节能减排效益以及社会效益进行了深入研究，成果可应用于并网光伏电站设计。

关键词： 分布式电站；总体设计；自发自用

0 引言

15.3 kW 并网光伏发电项目位于山西省运城市某小区6 层屋顶，顶层为现浇混凝土平屋顶，屋顶建筑面积 316 m²，可安装面积 100 m² 左右，采用“自发自用、余电上网”并网接入模式，电站光伏阵列采用JKM255PP型255W多晶光伏组件60块，总装机容量约为15.3 kW，年均发电量约19000kWh 。项目地点纬度 N35°01’，经度 E110°58’，平均海拔高度 350米，属温带大陆性气候，日照充足，据美国航天局统计年平均有效日照达1450kWh/㎡，属于本省太阳能可利用地区，可以加以开发、利用，能带来一定的经济及社会效益。

1 系统总体设计

系统总体设计并网型分布式光伏电站一般是指将太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合公共电网要求的交流电后，直接接入公共电网的光伏发电系统。并网型分布式光伏电站主要由太阳能电池组件、并网逆变器和监控系统三大部分组成。

1.1 光伏组件选型

目前国内外使用最普遍的是单晶硅、多晶硅太阳能电池，而且国内的光伏组件生产主要是以单晶硅、多晶硅太阳能电池为主，考虑到多晶硅组件太阳能电池价格比单晶硅组件低，因此本项目选用多晶硅太阳能电池。本项目选用晶科能源控股有限公司生产的型号为JKM255PP型255W多晶光伏组件是由高效晶体硅太阳能电池片、低铁钢化玻璃、EVA、白色 TPT 背板以及铝合金边框组成。具有使用寿命长，机械抗压外力强等特点; 能适应恶劣、高载荷的工作环境;使用寿命不低于 25 年。 无论是在质量还是发电效率方面具有很大的优势。

1.2 逆变器选型

光伏发电作为可再生能源发电的重要组成部分，具有波动性和间歇性等特点，接入电网易产生电网频率变化、电压波动和闪变，光伏电站的电能质量问题一般包括谐波、直流分量、电压波动和闪变以及三相不平衡等。实践证明，小型光伏电站采用优质的并网逆变器可以有效解决上述电能质量问题^[1]。

逆变器是光伏并网系统中的重要设备之一，本项目采用华为公司生产的型号为SUN2000L-5KTL-CN型户用并网逆变器，相关性能如下:

1) 性能可靠，效率高，具有最大功率点( MPPT) 跟踪功能;

2) 直流输入电压具有较宽的适应范围;

3) 具有过压、过流、防孤岛等多种保护功能;

4) 波形畸变小，功率因数高;

5) 具有监控和数据采集功能接口;

6) 满足国家电网的接入规定。

1.3 安装角选择

为了保证系统有足够高的效率，电池板必须按一定的倾角安装。可以根据《光伏发电站设计规范》( GB50797—2012) 且参考PVsystem推荐参数和公式计算，本并网发电系统位于北纬 35°，考虑采用一年四季均衡发电模式，故组件倾角暂设为 32°+5°=37°。

1. 4 光伏组件布置及支架安装

根据《光伏发电站设计规范》( GB50797—2012) 第 10.3.3 条之规定:光伏组件安装在建筑屋面、阳台、墙面或建筑其他部位时，不应影响该部位的建筑功能，并应与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观。本系统采用 JKM255PP多晶硅光伏组件，光伏支架采用标准平屋顶自重式光伏支架安装方式，60 块多晶硅光伏组件分 3 行布置，每行由 2 × 10 块组成。本项目光伏支架采用自重式光伏支架一体化的安装工艺，不破坏原有建筑结构及防水层，不影响整体外观，而且能保证光伏组件的发电稳定性能。本项目采用的安装方式如图 1 所示。

图
1 支架安装图

1. 5 电缆选型

本项目采用航天电缆产品，所有产品通过国家相关强制认证，根据《电力工程电缆设计规程》GB50217—2007 有关规定，本工程电缆选型如下^［2］:

1) 光伏组件直流串并联电缆采用太阳能光伏专用电缆;

2) 低压动力电缆采用国标电力电缆;

3) 配线线槽整体布置美观，与整个建筑协调一致，布线尽量隐蔽，从底部不能明显的看到线缆; 各方阵的线缆通过专用连接器连接，并有足够的强度，线缆连接附件有防水、抗老化。

1. 6 防雷与接地

电池阵列经逆变器逆变后，接入光伏阵列交流汇流箱，汇流箱内含高压防雷保护装置，汇流后在接入交流防雷配电柜，经过防雷装置可以有效地避免雷击导致设备损坏。为保证人身安全，所有电气设备、光伏支架都装设接地装置，并将电气设备外壳、光伏支架接地，可有效地避免雷击。

1.7 并网接入

方案光伏发电站接入电网的电压等级与电网的装机容量、周边电网接入条件等因素有关，需要在接入系统设计中，经技术经济比较后确定。光伏电站向当地交流负载提供电能和电网发送的电能质量应符合公用电网的电能质量要求^［3］。光伏组件安装位置相对集中，采用就近逆变，再集中并网接入的方案，本项目监控方案根据客户需求考虑。结合本项目光伏发电实际情况及使用特点，决定选用“自发自用、余电上网”的并网接入模式，即光伏发电优先供给内部用电系统使用，多余电能输送给国家电网，可以享受太阳能发电补贴。

2 效益分析

表2 收益分析表

2.1 投资规模

15.3kW分布式光伏发电项目需要安装面积100平方米，混凝土屋顶足够安装电池板，按照当地的年有效日照时数估算该规模的并网电站年平均发电量约为19000kWh。项目总投资预计为11万元。

2.2 发电量计算

经查阅运城市盐湖区水平面上平均峰值日照时数为4.27h,水泥屋顶支架采用26°倾角安装。根据此设计，系统年发电量约为：

因组件25年内逐渐衰减20%，故25年年均发电量为1.52万kWh/年。

2.3 经济效益

自发自用余电上网的补贴收益为：（自发自用的比例×本地电价+分布式光伏发电国家补贴+上网比例×脱硫燃煤收购电价）×全部发电量;为促进光伏发电的发展，国家发改委推出多项支持政策，随着光伏产品价格的下降，发改委的政策也不断调整，当前分布式发电政策补贴为：按照0.42元/kWh实行度电补贴，即用户安装的光伏系统每年发出1kWh电能，国家就向用户支付0.42元，补贴期限为20年，山西省内为0.005元/kWh，根据以上分析，本项目年平均可获收益为1.5万元。

2.4 投资回收期

本项目25年预计总计发电40万度，预计总投资12万元。使用“自发自用，余电上网”工作模式。

2.3 节能减排效益分析

1）环保效益明显，减少温室气体排放尤为明显，此外，自身发电过程不会产生二次污染，无废水废气排放；

2）维护清理紧固简单方便；

3）有助于电网调峰，减少甚至杜绝峰值限电时间，且系统发电时间正是执行峰值电价的时间段，保证收益。

3 结 语

太阳能光伏发电是目前最具可持续发展的可再生能源利用技术，也是未来绿色能源发展的主要方向。本文对山西省运城市某小区 15.3 kW 分布式光伏电站的设计以及经济效益、社会效益进行了分析和研究，实践表明，本项目不但解决了用户的日常用电问题还 能 带 来一定的经济、社会效益。

参考文献：

1. 李家坤. 20 kW分布式光伏电站设计研究[J]. 水电与新能源，2019,(3)：1-12.

2. 区晓良.20MW光伏发电系统与电气一次设计分析[J]. 企业技术开发，2017，36( 7) : 66- 67，89

3. 陈学斌． 太阳能光伏发电系统设计及安装要点的思考[J]. 科学技术创新，2018( 13) : 182-183

4. 李英姿.太阳能光伏并网发电系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2013.8：116-119