光伏發(fā)電系統(tǒng)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用與節(jié)能分析

0引言

作為新能源的代表,太陽能憑借著取之不竭、用之不盡的特點(diǎn),迅速成為全世界最重要的能源發(fā)展方向之一。隨著時(shí)代與技術(shù)更迭,與太陽能相關(guān)的各類產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn),光伏發(fā)電系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。憑借著清潔、穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn),光伏發(fā)電技術(shù)迅速與各行業(yè)融合,其中建筑行業(yè)因其建設(shè)使用的能源消耗占比大,成為光伏發(fā)電發(fā)展的主要載體之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì),2023年我國日照條件豐富地區(qū),太陽能最佳斜面輻照總量超過1 800 kW·h/m²,年日照時(shí)長超過1 500 h。鑒于此,各級政府出臺(tái)了各類激勵(lì)政策,鼓勵(lì)新建建筑屋面同步建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng),截至2023年8月,我國光伏發(fā)電的裝機(jī)容量已經(jīng)超過5.2億kW。

利用建筑屋面建立分布式光伏電站,不僅響應(yīng)了國家對于碳中和的號召,還能重塑能源結(jié)構(gòu),更提高了綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。相較于民用建筑,工業(yè)建筑一般具有屋面可利用面積大、空曠無遮擋等特點(diǎn),這些特點(diǎn)與光伏組件的布置要求相符。本文結(jié)合實(shí)際案例,分析工業(yè)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn),并采用 PVsyst軟件進(jìn)行建模和系統(tǒng)仿真,得出該項(xiàng)目全年發(fā)電量等數(shù)據(jù),并對該項(xiàng)目的節(jié)能減排效果進(jìn)行評估,以期為推動(dòng)光伏系統(tǒng)推廣及深入研究提供參考。

1項(xiàng)目條件分析

對于不同海拔、維度,在不同氣候條件下的太陽輻照量都不同,在設(shè)計(jì)初期,需要考慮不同地區(qū)的輻照量,結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蜻M(jìn)行綜合分析,制定初步設(shè)計(jì)方案;同時(shí)掌握各類國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,綜合考慮各類系統(tǒng)影響因素,通過模擬軟件分析系統(tǒng)發(fā)電量及節(jié)能減排效果。

某項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)崇左市,北回歸線以南,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,該地區(qū)氣候溫和,年日照時(shí)數(shù)1600h,年無霜期長達(dá)340天。項(xiàng)目所在地坐標(biāo)為北緯22°26',東經(jīng)107°23',海拔130 m。設(shè)計(jì)前采用Meteonorm分析項(xiàng) 目氣象資料 ,再根據(jù)GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》判定,確定項(xiàng)目位于太陽能輻射豐富地區(qū),適合建立太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

項(xiàng)目為工業(yè)園區(qū)內(nèi)一幢BApv光伏形式的工業(yè)廠房,屋面鋪設(shè)固定式光伏組件。系統(tǒng)采用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”模式。廠房平屋面朝向正南,屋面面積為3070m²,建筑高度27 m,共四層,周邊無遮擋物,屋面可利用面積大,自身遮擋少,組件排布條件良好。

2太陽能系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1組件安裝分析

組件安裝通常考慮其方位角及傾角,方位角通常按照正南或偏西5°~10°考慮;傾角則需要衡量經(jīng)緯度、海拔、陰影遮擋等因素,設(shè)計(jì)時(shí)需要通過公式計(jì)算,并采用軟件對其進(jìn)行仿真,調(diào)整最佳的組件傾角與安裝間距,確保組件不受到其他建筑或前排組件陰影遮擋。利用公式計(jì)算出建筑屋面女兒墻及機(jī)房在冬至日09:00—15:00的陰影遮擋情況,并使用天正日照日影棒圖及PVsyst全天陰影動(dòng)畫進(jìn)行復(fù)核,確定屋面可利用面積為2 673 m²。如圖1所示,按照公式D≥H×cot α_s ×cos γ,計(jì)算出光伏組件之間無遮擋最小間距為0.9 m^[1] 。其中,γ為組件方位角。

2.2光伏陣列排布

本項(xiàng)目采用單晶硅光伏電池,組件型號為LR5- 72HTH-560M,效率為21.7%。組件尺寸2 278 mm×1134 mm×35 mm,每組最大功率560 W,開路電壓51.61 V,短路電流13.94 A,峰值功率電壓43.46 V,峰值功率電流12.89 A。通過組件參數(shù),結(jié)合該項(xiàng)目所在地經(jīng)緯度,采用PVsyst調(diào)整光伏組件最佳傾角為17°。組件陣列采用固定式支架安裝,面朝正南。根據(jù)前文計(jì)算出的組件最小間距,共鋪設(shè)702塊光伏組件,總裝機(jī)容量為393 kWp。再通過PVsyst建模布置光伏組件,采用全天陰影動(dòng)畫分析陰影情況并進(jìn)行調(diào)整,確保冬至日09:00—15:00組件無陰影遮擋,最終布置模型如圖2所示,未布置處為女兒墻及屋面機(jī)房陰影遮擋區(qū)域^[2]。

2.3 逆變器選型

光伏組串以并聯(lián)形式接入逆變器,串、并聯(lián)數(shù)量需要通過逆變器的最大輸入電壓及MPPT電壓輸入范圍來計(jì)算,因此在計(jì)算前,需先根據(jù)平面布置圖及總裝機(jī)容量,確定逆變器型號^[3]。本項(xiàng)目采用分區(qū)并網(wǎng)形式 ,總裝機(jī)容量為393kWp,選用三臺(tái)華為SUN2000-110KTL-M2型逆變器,容配比為1.19,逆變器最大輸入電壓1100V,工作電壓范圍200~1000 V,滿載MPPT電壓范圍540~800 V,額定輸入電壓600V,額定有功功率115kW,最大有功功率121kW,額定輸出電壓220/380V,額定輸出 電流167.2 A。

2.4組串并網(wǎng)設(shè)計(jì)

光伏組串串聯(lián)數(shù)量根據(jù)GB50797—2012《光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范》^[4]中6.4.2公式(6.4.2-2)進(jìn)行計(jì)算。

式中:N為光伏組件的串聯(lián)數(shù)(N取整數(shù));V_mpptmax為逆變器MPPT電壓最大值;V_mpptmin為逆變器MPPT電壓最小值;V_pm為光伏組件的工作電壓;t為光伏組件工作條件下的極限低溫;t'為光伏組件工作條件下的極限高溫;Kv'為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)。

將組件及逆變器數(shù)據(jù)代入公式,并在PVsyst軟件中模擬,當(dāng)N取18,并聯(lián)組串?dāng)?shù)為39時(shí),系統(tǒng)超配損失最低,發(fā)電效率最佳。在設(shè)計(jì)光伏陣列時(shí),需要計(jì)算組串的輸出電壓,使其滿足逆變器輸入端的電壓范圍,通過公式U=U_mpp×n計(jì)算(u為光伏陣列輸出電壓;U_mpp為組件最大功率工作電壓;n為光伏陣列中組件總數(shù)),如圖3所示,該系統(tǒng)選用560 Wp單晶硅組件,每18塊組件串聯(lián),39個(gè)組串并聯(lián),共702塊組件,接入3臺(tái)110 kW逆變器^[5]。

702塊光伏組件分為3個(gè)陣列,通過光電轉(zhuǎn)換,將產(chǎn)生的直流電通過專用電纜PV1-F-1×4 mm²輸送至 3個(gè)110 kW逆變器,逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑤斔椭翉S區(qū)新增低壓并網(wǎng)柜,并網(wǎng)柜接入廠區(qū)1000kVA變壓器低壓側(cè),從而實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的目標(biāo)。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 發(fā)電量分析

確定組件以及逆變器各項(xiàng)參數(shù)后,使用PVsyst 通過實(shí)際項(xiàng)目模型對系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真分析。

該系統(tǒng)組件數(shù)量為702塊,總標(biāo)稱功率393 kW,項(xiàng)目年總發(fā)電量為396095 kW·h,年單位發(fā)電量為1008 kW·h/kWp,系統(tǒng)效率為84.56%。

轉(zhuǎn)換為單位發(fā)電量損失如圖4所示,日有效發(fā)電量為2.76 kW·h/kWp,即1 kWp光伏組件每天可以轉(zhuǎn)換2.76 kW·h電^[6]。

3.2 損失分析

在光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)各階段因素都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的損失,包括天氣、溫度、組件角度、串并聯(lián)方案、逆變選型等,采用PVsyst軟件對具體損失流向進(jìn)行模擬,得出數(shù)據(jù):因溫度升高導(dǎo)致的發(fā)電量損失為6.43%,輻照強(qiáng)度導(dǎo)致的損失為1.26%,安裝、組串配置導(dǎo)致的損失為2.15%。轉(zhuǎn)換為單位發(fā)電量損失如下:光伏陣列的采光損失為每天0.46 kW·h/kWp,逆變器系統(tǒng)損失為每天0.05 kW·h/kWp。因此,在進(jìn)行系統(tǒng)配置時(shí),要考慮組件溫度衰減、最佳傾角及最佳串并聯(lián)數(shù)量,通過PVsyst進(jìn)行模擬并調(diào)整,選取最佳方案以減少發(fā)電量損失。

3.3碳減排仿真分析

作為全球最大的火力發(fā)電國家,中國2023年火力發(fā)電量占全年總發(fā)電量的69.5%,能源消耗及排放量巨大。根據(jù)報(bào)告顯示,2023年全國供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗平均值為302.7 g標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h),該數(shù)據(jù)表示1 kW.h電平均需要消耗302.7g標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)消耗4L純凈水,產(chǎn)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碳粉塵^[7]。該類物質(zhì)對于人類健康、環(huán)境、溫室效應(yīng)、空氣質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過換算,本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過 PVsyst仿真,按照項(xiàng)目年總發(fā)電量396 095 kW·h,計(jì)算出每年碳減排效果如表1所示。

3.4 能效分析

根據(jù)項(xiàng)目仿真數(shù)據(jù)得知,裝機(jī)容量為393 kWp的光伏發(fā)電系統(tǒng),每年可為企業(yè)提供39萬kW·h的發(fā)電量,以廣西崇左市峰值工業(yè)電價(jià)為標(biāo)準(zhǔn),每年可為企業(yè)節(jié)約25萬元以上的用電費(fèi)用;而采用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”并網(wǎng)模式,也能在企業(yè)用電量較低時(shí)將電能輸入電網(wǎng),為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)全生命周期一般超過25年,按照目前光伏安裝維護(hù)成本計(jì)算,6~8年可收回投資成本,經(jīng)濟(jì)效益良好。

仿真數(shù)據(jù)顯示,393 kWp的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)每年可節(jié)約超百噸標(biāo)準(zhǔn)煤,減少四百多噸的二氧化碳及其他有害物質(zhì)排放,而對于兆級以上的大型光伏發(fā)電站,其在全生命周期內(nèi)的節(jié)能減排效果將更為顯著。由此得知,全面普及光伏發(fā)電系統(tǒng),可減少各類有害物質(zhì)排放對空氣造成的污染,對環(huán)境及不可再生資源進(jìn)行有效保護(hù);同時(shí)對于促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變升級,減少中國對于傳統(tǒng)能源的過度依賴,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4結(jié)束語

本文以實(shí)際項(xiàng)目為例,采用Meteonorm確定項(xiàng)目地氣候數(shù)據(jù),并結(jié)合Pvsyst軟件進(jìn)行建模、設(shè)備選型、仿真,分析了分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn),模擬項(xiàng)目年光伏發(fā)電量、系統(tǒng)效率、損失流向等具體數(shù)據(jù),明確光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源收益及碳減排效果,為推動(dòng)光伏行業(yè)發(fā)展,保護(hù)不可再生資源及生態(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持。

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2024年第16期第6篇