概要:离网式光伏储能发电系统,在不具备电网接入条件的情况下,可以提供很好的用电解决方案。本文针对某办公楼离网式光伏储能发电系统,从项目特点、系统构成、装机容量计算、主要设备选型、设备布置安装、需注意的相关问题、工程量及项目效益等方面进行了论述,给出了较完善的解决方案,并对离网式光伏储能发电系统的发展进行了展望。
光伏发电技术以能源的清洁性、建设的便利性,目前,得到了广泛的发展与应用。在光伏发电技术中,多数以并入电网的形式运行,包括大型光伏电站,利用建筑物屋顶或外立面的光伏发电。根据光伏发电容量,以不同的电压等级并入电网,提高了用电的可靠性。
在部分偏远地区,电网的接入较困难。光伏发电多以离网方式(不并入电网)运行,对可靠性有较高要求的用户,多采用光伏+ 储能形式运行。
1 工程背景
某办公楼位于上海市松江区,建筑物尺寸为38.5m×15.6m×18.5m,为6 层办公建筑。本次做屋顶花园改造,规划在屋顶塔楼设置具有示范作用的光伏发电系统,为屋顶花园用电设备供电。
该办公楼(编号为B 楼),配电间位于于1 楼,电源为380V/50Hz,引自同园区A 楼,与电网结算电量的电能计量表计设在A 楼。
因B 楼供电系统与其他建筑连接,且没有独立的电能计量表户号,按照目前规定,不能办理设置并网式光伏发电系统。因此,设置离网式光伏储能发电系统是比较好的选择。
2 离网式光伏储能发电系统
2.1 系统构成
如图1 所示,离网式光伏储能发电系统由光伏发电组件、控制器、蓄电池、逆变器和交流负载组成。
光伏组件吸收太阳能,转变为直流电能,经逆变器转换为交流电,供交流用电负荷使用。蓄电池作为储能元件,在光照良好时,储存电能;在光照不足时,放电供负载使用,提高了供电可靠性。控制器监测并调整系统运行工况。
图1 离网式光伏发电系统原理图
2.2 用电负荷
本项目用电负荷为屋顶花园观光走廊内空调。多联机空调,设备功率为2.7kW/ 台,共2 台。总用电功率为5.4kW。
2.3 系统设计
(1)装机容量计算。根据各地太阳能资源条件和建设成本,我国分为三类太阳能资源区,如表1 所示。根据表1可知,上海为III 类资源区,年等效利用小时数按照1200小时考虑。
表1 太阳能资源区划分表
按照用电负荷每天工作8 小时考虑, 每天需要用电5.4×8=43.2kWh,则与用电负荷配套的光伏系统装机容量为:
选用高效单晶硅340wp 光伏组件, 需39 块光伏板,39×340=13.26kW 装机容量Pz=13.26kWp。如图2 所示,光伏组件布置于东侧塔楼顶部。
图2 光伏组件布置图
(2)蓄电池选型。目前,在光伏储能系统中,多使用铅酸蓄电池,具有较高的性价比。本项目选用12V/200AH 胶体铅酸蓄电池30 台。充满后可放电:12×200÷1000×30×0.714=51.408kWh,可以满足用电负荷的使用。
(3)控制器及逆变器选型。最大功率点跟踪控制器MPPT(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器,能够实时监测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值,使系统以最大功率输出对蓄电池充电。
本项目控制器选用DC120V/120A,最大太阳能输入功率14.4kW 的MPPT 太阳能控制器。
逆变器选用离网型光伏逆变器, 功率15kW,380V/50Hz,效率为93%。
如图3 所示,蓄电池、控制器、逆变器放置于6 层的蓄电池室。12V/200AH 铅酸蓄电池尺寸约522×240×216mm(L×W×H),放置于电池架上。电池架每层放置10 块蓄电池,共布置3 层,尺寸约1450×1150×900mm(L×W×H)。控制器、逆变器和配电箱挂墙布置。
图3 蓄电池室布置图
(4)汇流箱和配电箱。光伏组件13 个一串,共3 串,以光伏专用直流电缆,接入汇流箱,经汇流箱再接入逆变器整流为380V、50HZ 交流电。然后,经交流电力电缆,接入配电箱,为用电负荷提供电力。汇流箱布置于光伏组件下方,配电箱在蓄电池室内挂墙布置。
(5)电缆及线槽。本项目直流电缆采用光伏专用PV1-F4mm² 直流电缆;逆变器到配电箱的交流电缆采用ZR-YJV-0.6/1kV-4×16mm², 配电箱馈线采用ZR-YJV-0.6/1kV-4×4mm²。屋面电缆敷设采用100×100mm 热镀锌线槽。
(6)防雷接地。本项目防雷接地利用建筑物原有防雷。接地系统,并在阵列周边敷设一圈25×4mm 热镀锌扁钢作为防雷接地网,与建筑原有防雷接地系统可靠焊接。光伏组件之间采用6mm² BVR 导线连接后,采用螺栓与接地扁钢可靠连接。桥架、汇流箱外壳、光伏组件支架均与防雷接地网可靠连接。
蓄电池室内设40×4mm 热镀锌扁钢作为接地干线,与建筑物接地系统连接。控制器、逆变器、蓄电池支架、配电箱外壳均可靠连接于室内接地干线。汇流箱、逆变器、控制器、配电箱内设置浪涌保护器。
(7)支架安装。本项目光伏组件支架,采用底部整体连接方案。在支架底部设置通长连接杆,使单排支架成为整体,并在通长连接杆的两侧,采用化学锚固螺栓,固定与两侧的女儿墙上,增加支架的稳固性。
(8) 其他需说明的问题。
①12V/200AH 铅酸蓄电池每块重量约55kg,蓄电池架安放处的楼面荷载约为:55×30×9.8/1.45×1.15=9.7kN/m²,根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》表4.1.1 规定,民用建筑楼面均布活荷载标准值为2.0kN/m²。蓄电池架安放处的楼面荷载超标,因此,需采取蓄电池架安放处局部楼面结构的加固措施,如补充钢梁支撑。
②蓄电池室应通风防火措施。可配置排风扇、火警探测器及干粉灭火器。蓄电池室应进行例行巡视。
③铅酸蓄电池寿命一般为3~5 年,使用中若发现蓄电池性能明显衰耗,需要进行更换。
3 工程量清单
本项目工程量清单如表2。
表2 工程量清单
4 经济效益分析
本项目全年可发电:13.26×(1200 ~ 1600)=15912 ~21216kWh,按照上海市非居民用户电价0.636 元/kWh 计算,每年可节约的电费为:0.636×(15912 ~ 21216)=10120~ 13493 元。
5 总结
本文阐述了某办公楼离网式光伏储能发电系统的工程设计内容。从项目特点、系统构成、装机容量计算、主要设备选型、设备布置安装、需注意的相关问题、工程量及项目效益等方面进行了论述,给出了较完善的解决方案,希望能对遇到类似工程设计的同仁提供参考。
光伏发电当前应用比较广泛。工程应用主要集中于几个方面:
(1)大型光伏发电站,在太阳能资源丰富地区,建设大规模光伏发电,并结合特高压电网传输电能,逐渐成为当今电力系统重要组成部分;
(2)居民用户屋顶光伏发电,满足居民自家用电的基础上,余电上网,还能发电经济收益,也成为越来越多居民的选择;
(3)离网型光伏储能发电系统,在电网引入不便的偏远地区及并网政策不允许的条件下,离网型光伏储能发电系统,可以为用户的电力使用需求提供很好的选择。随着蓄电池技术及光伏组件技术的发展,离网型光伏储能发电系统的可靠性、效率和经济性,必将得到进一步的提高。