小型光伏电站示范项目可行性研究报告

小型光伏电站示范项目可行性研究报告小型光伏电站示范项目可行性研究报告\h目录一、项目简介 2\h二、立项依据 3\h1、项目的科学意义，国内外研究概况及发展趋势 3\h2、国家战略需求分析 4\h三、项目目标及预期成果 5\h1、研究目标，包括总目标、年度进展目标及主要考核指标 5\h2、预期成果与水平 9\h3、市场前景和经济、社会效益 10\h四、主要研究内容 11\h1、拟重点解决的科学问题或关键技术 11\h2、研究中的创新点 11\h五、研究方案 12\h1、总体研究方案、学术思路、技术途径 12\h2、研究方案可行性分析 12\h3、课题设置与分工、所设课题的研究重点 14\h六、研究基础和条件 15\h1、已有的工作基础和取得的成绩 15\h2、与地方、企业的项目合作的基础 16\h3、研究队伍状况 17\h4、实施研究方案已具备的条件 18\h七、项目管理 18\h1、项目组织管理体制 18\h2、项目运行机制 18\h八、项目风险分析 19\h九、经费预算与资源集成方案 20\h附表1、与本项目有直接关系的已有主要设备（单件价值≥10万元）一览表 21\h附表2、项目拟增添设备一览表 22一、项目简介随着“光明工程”和“送电到乡工程”的顺利实施，西藏自治区的无电人口已经大大减少，大部分学校由于位于乡政府周边，也已经通电。但是，由于西藏自治区2000年～2001年开展了“乡镇合并”工作，二百多个乡镇降级为村，这其中有一百五十多个村仍然保留了乡小学。2002年～2003年“送电到乡”工程中所有电站都建设在乡政府所在地，因此这约一百五十所学校仍然没有通电。为了响应“教育部、国家发展和改革委员会、财政部关于新疆、西藏2004－2007年农村寄宿制学校建设工程项目规划”及贯彻《全国教育事业第十个五年计划》，并营造现代化、高科技教学环境，结合西藏自治区的地理位臵、生活环境及当地教学条件等因素，本项目在这些尚未通电的学校中选取5所学校，根据其特点改进和提升光伏系统关键设备性能指标，设计和建设独立运行的光伏电站，切实解决学校师生的教学、生活用电问题。通过本项目的成功实施，获取并积累项目建设和建成后稳定运行的相关数据，为进一步改进设计，解决西藏所有无电学校的电气化教学问题、师生的生活用电问题，改善无电学校落后的教学条件和师生艰苦的生活条件奠定技术基础。二、立项依据1、项目的科学意义，国内外研究概况及发展趋势光伏发电技术主要分为并网光伏发电技术和独立运行光伏发电技术两大方向。独立运行光伏发电技术作为光伏发电技术的一个分支，在解决我国边远无电网地区居民的用电问题上起到了重大的作用。通过“七五”、“八五”、“九五”和“十五”计划，我国在独立运行光伏发电技术上取得了很大进展。在西藏，通过“光明工程”和“送电到乡工程”的顺利实施，适合西藏的光伏系统关键设备已经比较成熟可靠，同时在系统整体设计方面也取得了丰富的经验，从使用的角度已经趋向成熟。但是，比较而言，西藏乃至国内整体在独立运行光伏系统技术上还有进一步提高的空间，在保证系统可靠性的基础上仍然存在很多需要完善的问题，突出表现为以下3个方面：能源利用效率低；储能装臵蓄电池充放电管理过于简单，效果差；光伏电站系统设计缺乏基础性数据指导，优化设计困难。太阳能光伏发电利用效率除了提高电池板组件的光电转换效率外，还需要提高电池板输出功率的利用率和电能转换设备，如控制器、逆变器本身的效率。目前在国外独立运行光伏系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、最大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的却大都是简单设计的控制器。与国外控制器比较，我国主要差距是国产控制器由于器件质量、无极性的反接保护以及短路、过流而造成的器件损坏等问题容易失效；专业化生产程度低、无温度补偿、无蓄电池负荷状态控制，很少采用脉宽调节或最大功率跟踪方式的控制。直流/交流逆变器也是光伏系统中的一个关键部件。由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率,特别是在轻载时的效率。独立光伏系统一般较少运行在额定功率,如何提高轻载时的效率显得尤其重要。另外，对独立运行系统而言，在深夜等时间可能完全空载，减少空载损耗也是独立运行逆变器的一个主要指标。目前我国小功率逆变器的研发与制造与国外基本处于同一水平，但在低功率时的效率和空载休眠功能上还存在差距；在大功率逆变器的研发与制造水平上与国外还有很大差距。所有这些技术上的缺陷都将导致独立运行光伏系统总体能源利用效率低，蓄电池管理效果差。另外，光伏电站的系统工程设计的合理与否也将对电站的运行性能产生重大影响，光伏电站的性能、使用寿命、使用效果和初期投入的合理性和有效性都与系统设计的合理性息息相关。为解决以上3个方面的问题，从光伏电站电能转换关键设备的角度，需要改进国内现有的技术，同时通过对系统运行数据和设计基础数据的积累和比较，优化系统设计。本项目的实施将通过技术研发，改进或解决上述问题，使同样容量的光伏发电系统获得更大的能量输出，以达到相对降低光伏系统初投资的作用。研究的技术在5座示范电站中进行实际应用，与电站的可靠运行，可达到利用新技术解决5所学校师生教学、生活用电问题的目标。2、国家战略需求分析我国政府已经于2002年实施了“送电到乡”工程，这是迄今为止世界上最大的采用光伏发电和风力发电的农村电气化项目。但是，据统计，截止到2005年底，全国大约还有300万无电户，1300万无电人口，其中有150万户，大约700万人将采用电网延伸、小水电和移民搬迁的办法解决他们的用电问题，其余150万无电户的用电问题需要采用光伏或风光互补发电系统在2006～2015这10年中来解决，预计总装机容量300MW，总投资约300亿元。下表为我国2005年光伏发电市场情况。表1、2005年中国光伏发电市场分类市场分类市场分类装机（MWp)市场份额（％）农村电气化3042.9通信和工业应用2535.7太阳能光伏产品1217.1城市并网发电(BIPV)2.84.0大型并网发电(荒漠电站)0.20.3合计70100就西藏地区而言，据不完全统计，到目前为止由于远离电网，仍有4863个无电村，无电居民达211220户，其中包括150多所学校。这些地区的农牧民，居住分散，远离电网，而且用电水平很低(人均年用电仅为120千瓦时)，在10年甚至20年内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题，独立运行光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径，社会效益十分巨大。本项目将为西藏5所无电学校建设光伏示范电站，通过关键设备研制、系统优化、电站的建设，可为今后解决西藏及我国西部其他地区的无电学校的用电问题提供技术支持，同时研制的控制逆变设备同样可用于农村无电村的电气化。三、项目目标及预期成果1、研究目标，包括总目标、年度进展目标及主要考核指标1)总目标通过关键设备的改进和系统性能指标优化、建成西藏地区5所无电小学光伏示范电站。对设备进行运行考核，并通过电站的运行获取相关基础数据，形成系统优化设计方案。具体研究目标：为西藏地区5所无电学校建成稳定运行的光伏电站在西藏地区的无电学校中，依据各自的实际情况和今后需求发展，选择5所小学，为其建设总容量30kWp的独立运行太阳能光伏发电示范系统。根据西藏能源研究示范中心对实地情况的了解和分析，这5所小学中，纳木湖中心小学的人数已经比较多，再扩大规模的可能不大，而其余4所学校在未来的几年中师生人数将有大幅增加。中科院电工所与西藏能源研究示范中心共同确定电站建设规模按人均25Wp考虑，除纳木湖中心小学以外，其余四所学校按近期师生总数增加2倍考虑。具体见下表：序序号学校名称拟装容量（kWp）基本情况1纳木湖中心小学10离拉萨240公里，海拔4800米，学生415名，教师23名，属于三包学校。2思德联校5距离拉萨270公里，海拔4817米，学生63名，教师3名，属于三包学校。3纳木错村联校5距离拉萨290公里，海拔4900米，学生68名，教师3名，属于三包学校。4达巴村联校5距离拉萨280公里，海拔4900米，学生60名，教师3名，属于三包学校。5门堆完小5属于堆龙德庆县德庆乡门堆牧民子弟小学，距离拉萨120公里，海拔4320米，学生63名，教师4名，属于三包学校。总计30研究开发5kWp、10kWp光伏电站的控制、逆变等系统关键技术，采用先进技术，制造实际设备用于示范电站；最终形成实用的具有先进技术的控制、逆变等关键设备；为独立运行光伏电站的系统优化设计提供理论依据。根据设计、建设和运行实际电站情况，通过采集太阳能资源等环境参数和监测光伏电站的运行数据，进一步优化系统设计；2)年度进展目标：2006年8月～2006年12月，完成项目审批；完成现场勘察；确定站址；确定负载类型及大小；完成光伏控制器、独立运行逆变器实验室台面试验；完成系统设计；完成设备、物资采购；光伏组件采购；完成电气线路等材料采购；土建物资采购；2007年1月～2007年6月，完成光伏控制器、独立运行逆变器样机整机调试和实验室试运行；完成5座电站所需控制逆变设备的生产、调试；完成设备、物资运输；2007年6月～12月完成土建配套设施建设；完成电站建设；电站验收。3)主要考核指标总容量：≥30总容量：≥30kWp;系统效率：额定负载下≥85％平均无故障运行时间：≥5000小时系统整体寿命：≥20年太阳光伏组件效率>13%；运行20年后，其功率输出减少量<10%;产品质量和安全性符合IEC61215标准要求。逆变器逆变器效率：额定负载下>90%；输出电压的总谐波畸变率（THD）：<5％；功率因数：0.8；发电频率：50Hz±1%；输出电压：220V±5%，单相；输出波形：正弦波；允许输入电压范围：90VDC～145VDC（5KVA逆变器）180VDC～290VDC（10KVA逆变器）具有休眠唤醒功能；过热、过载、短路、过压、欠压保护功能。控制器模块化设计，以5kW为一个模块；PWM脉宽调制式充电方式；允许输入电压范围：90VDC～145VDC（配备5KVA逆变器）180VDC～290VDC（配备10KVA逆变器）具有太阳能最大功率点跟踪（MPPT）控制功能；温度补偿功能；蓄电池容量混合式判断功能；三阶段智能充电功能；过热、过载、短路、过压、欠压保护功能。数据采集处理系统可采集并存储太阳辐照度、太阳能电池板表面温度、蓄电池表面温度，环境温度、风速等环境参数以及光伏充电电流、蓄电池电压、逆变器输入电流、逆变器输出电压、逆变器输出电流、逆变器输入功率、逆变器输出功率等系统运行数据；可形成各存储数据的日、周、月、年报表和变化曲线；可存储半年以上系统数据；具备与PC机通信功能；具备远程有线/无线通信功能；数据存储芯片可随时更换。2、预期成果与水平在5所学校内建成5座稳定运行的光伏示范电站；研制出具有最大功率点跟踪（MPPT）控制、蓄电池容量混合式判断等先进功能的光伏电站控制器；研制出具有休眠唤醒等先进功能的独立运行逆变器，并通过示范运行进行产业化推广；通过检测系统获取系统运行数据并分析，最终得出此类系统优化设计方案。3、市场前景和经济、社会效益光伏发电在未来必然成为能源结构中的重要组成部分，各个国家和政府都在大力扶持光伏发电产业。不但是现在，在未来10年甚至20年内，独立运行光伏发电仍是解决分散农牧民用电的理想途径。这些地区包括我国广大的西北部地区以及亚非拉地区一些贫穷落后的国家，独立运行光伏电站的应用在光伏发电应用领域占据相当的比例，具有巨大的市场前景。国家发改委规划在未来10－15年解决我国无电地区的用电问题，我国目前还有1000多万无电人口，其中用光伏及其互补系统是解决其用电问题的主要途径，独立运行光伏系统及其关键设备在我国有巨大需求。通过本项目的实施，在为西藏地区5所无电学校建设稳定运行的光伏电站的基础上，将形成适合西藏气候特点的具有先进技术水平的独立运行光伏电站系统控制和逆变关键设备。这些设备以高新技术为基础，在几乎不增加硬件成本的前提下，极大提高太阳能的利用效率和系统的可靠性，延长蓄电池的使用寿命，形成系统优化设计方案，从另一个侧面节约了资金的投入，改善了实际用电效果，同时保护了生态环境。西藏5所学校光伏电站的建设，也将为解决西藏其他一百余所无电学校的用电问题奠定技术基础。因此，本项目具有显著的经济效益和社会效益。四、主要研究内容1、拟重点解决的科学问题或关键技术逆变器休眠唤醒功能的实现；采用先进的控制策略，提高逆变器负载响应特性和负载适应范围，提高逆变器可靠性；太阳能最大功率点跟踪（MPPT）控制功能实现及其产业化推广；蓄电池容量混合式判断功能的实现；蓄电池温度补偿功能的实现；三阶段智能充电方法的实现；监测系统的远程有线/无线通信功能；监测系统的海量数据存储功能、异常掉电后数据保护功能；研究适合西藏地区实际情况的小型光伏发电系统的系统方案设计与系统配臵设计；获取系统和环境数据，分析实际测试结果，并对系统进行改进和优化研究。2、研究中的创新点研发逆变器使其具有休眠唤醒功能，根据负载情况，在无负载时逆变器自动关闭主电路，以减少系统的空载损耗。在独立电站运行系统控制功能中采用太阳能最大功率点跟踪（MPPT）技术，提高系统的发电量。通过对蓄电池容量的多信号采集，进行混合式判断以达到精确的充放电控制。五、研究方案1、总体研究方案、学术思路、技术途径对国内外现有逆变器和控制器技术进行调研，确定设备研发的总体技术方案；进行原理设计，包括硬件设计和软件设计；搭建试验平台，完成设备的实验室台面实验；进行设备结构和工艺设计，进行样机制作；样机实验室调试和实验室运行；样机小批量试制；西藏现场试运行，根据运行情况及时进行调整；通过试运行，获取设备运行数据和系统运行数据，进行设备改进和系统优化设计。2、研究方案可行性分析逆变器在空载运行时，消耗的电能一般是其额定功率的2％左右。独立运行光伏电站中的电能非常宝贵，从边远无电地区的用电情况来看，在深夜至凌晨时段大多数情况下无负载用电。如果逆变器在这个时段持续空载运行，将造成宝贵电能的浪费，甚至在蓄电池亏电的情况下损坏蓄电池，严重影响蓄电池的使用寿命。如果逆变器具有休眠唤醒功能，在无负载情况下自动关闭，在有负载的情况下自动恢复运行，将在很大程度上节约可观的电能。从对太阳能电池板的发电利用率来看，目前在国内市场上应用的太阳能光伏控制器，普遍没有对太阳能电池板输出功率的优化功能。太阳能电池板发电效率低，一方面白白浪费了本来能够利用的电能，另一方面也造成了初期投资的浪费，耗费大量的资金。通过本项目研究出太阳能最大功率点跟踪（MPPT）控制算法，可以使太阳能电池板时刻工作在其最大功率输出状态。初步估算，采用MPPT算法的控制器比常规控制器能提高太阳能电池板输出功率的10％～20％，在弱光和蓄电池亏电情况下甚至能提高30％，从初期投资和远期发电用电效果来看，具有巨大的意义。独立运行的太阳能光伏发电系统需要储能装臵，一般使用铅酸蓄电池。从对蓄电池的充放电管理方面来看，目前无论是国内还是国外，普遍比较简单。特别是国内，对蓄电池容量的判断基本采用单一的电压点控制方式。然而蓄电池的实际容量不但跟其端电压有关，还跟电解液温度，充放电电流以及其本身固有特性等有关。如果对蓄电池的容量判断不准确，造成过充电或过放电，一方面必然会影响蓄电池的使用寿命，甚至发生危险；另一方面，蓄电池的损坏必然会导致额外的资金再投入，并且蓄电池回收频率增高也会给环保造成额外的压力。因此，如果能够尽可能准确的判断蓄电池的容量，并采取有效合理的充电模式具有非常大的意义。本项目的创新点“蓄电池特性自学习算法”、“蓄电池容量混合式判断算法”、“三阶段智能充电算法”将解决这一难题。通过蓄电池特性自学习，可针对不同厂家生产的蓄电池自动产生适合此特定蓄电池的特性曲线，并通过蓄电池容量混合式判断算法综合各种影响蓄电池容量的因素来判断蓄电池的实际容量，通过三阶段智能充电算法来优化蓄电池的充电模式，延长蓄电池的使用寿命。中国科学院电工研究所是专门从事新型发电及电能新应用研究与开发的机构，早在七十年代初就开展了太阳能发电技术及系统工程的研究。承担多项独立光伏、风光互补、并网光伏发电科研项目，取得了多项科研成果。目前对于独立运行系统中关键设备控制器和逆变器的研究处于国内领先水平，已经实现了控制器的最大功率点跟踪控制功能、温度补偿功能和三阶段智能充电等功能，具备研究开发的能力和实力。所采取的技术路线在国外已有实现先例，例如蓄电池容量的混合式控制策略在德国Steca公司的光伏控制器中已经实现，并被证明是可行的，逆变器的休眠唤醒功能和先进的控制手段在国外都已经有研究实例。综上所述，本项目采取的技术路线是切实可行的。3、课题设置与分工、所设课题的研究重点课题设臵：5座独立运行太阳能光伏发电示范系统建设及关键设备研制。由中国科学院高技术局和西藏自治区科技厅共同组织。中国科学院高技术局的拨款用于全部技术工作，包括系统设计、工程设计、控制逆变、配电及监测设备研制、太阳光伏组件等主要设备采购运输、现场施工技术指导、现场调试、系统培训等；西藏自治区科技厅的拨款用于现场的基础建设工作，包括光伏阵列基础和控制室等土建配套设施建设、供电线路的采购和架设（敷设）、现场安装施工、现场协调以及物资转运等。负责落实学校用电设备灯、电视等。研究重点：逆变器休眠唤醒功能的实现；采用先进的控制策略，提高逆变器负载响应特性和负载适应范围，提高逆变器可靠性；太阳能最大功率点跟踪（MPPT）控制功能实现；蓄电池容量混合式判断功能的实现；蓄电池温度补偿功能的实现；三阶段智能充电方法的实现；控制逆变设备的研制；监测系统设备研制；研究适合西藏地区实际情况的小型光伏发电系统的系统方案设计与系统配臵设计；获取系统和环境数据，分析实际测试结果，并对系统进行改进和优化研究。六、研究基础和条件1、已有的工作基础和取得的成绩中国科学院电工研究所自20世纪七十年代末期开始进行可再生能源技术的研究，至今已有二十余年的历史。二十年来，我所在可再生能源研究领域取得了巨大成绩，获得国家及院级等多项奖项；在可再生能源应用领域完成众多的工程及示范项目。主要完成如下工作：1)独立运行光伏及风/光互补系统中国科学院电工研究所累计建设独立运行光伏及风光互补电站166座，总容量近2.3兆瓦，其中大部分电站建设在西藏自治区。中国科学院电工研究所是唯一一家在西藏设计、建设风/光互补电站的单位。1992年～2000年，中国科学院电工研究所在西藏自治区完成了那曲地区安多、班戈、尼玛、双湖4座县级光伏电站的建设任务，总容量235千瓦，从此西藏自治区所有县政府均通电。其中安多县100千瓦光伏电站是当时国内最大的光伏电站。1998年～1999年，在西藏那曲和阿里各建设了一座独立运行风/光互补电站，总容量5.8千瓦，证实了风/光互补系统在西藏应用的可行性。1999年～2000年，在西藏完成了两项日本政府援助光伏项目，总容量25千瓦。2000年～2001年，完成了西藏自治区光明工程先导项目的建设任务，共建成独立运行光伏电站6座，总容量36千瓦，为西藏光明工程的实施打下了良好基础。2001年～2002年，完成了西藏自治区阿里光电计划中计委负责实施的部分，建设光伏电站16座，安装户用系统4760套，总容量155千瓦。2002年～2004年，完成了西藏“送电到乡”工程中最艰苦的那曲地区部分92座电站的建设任务（82座光伏电站、10座风/光互补电站），总容量1.76兆瓦。这其中包括全世界海拔最高的光伏电站——双湖北措折乡15千瓦光伏电站（海拔5460米）和全世界海拔最高的风/光互补电站——安多岗尼乡16千瓦风/光互补电站（海拔5200米）。2)并网运行光伏系统中国科学院电工研究所在并网光伏发电领域主要工作如下：2003年，完成了北京大兴天普工业园50千瓦与建筑结合的并网光伏发电系统；2004年，完成了西藏拉萨4千瓦与建筑结合的并网光伏发电系统；2004年，完成了深圳园博园1兆瓦并网光伏电站，该电站是目前亚洲最大的并网光伏发电系统之一；2005年，完成了中国第一座高压并网光伏电站——西藏羊八井100千瓦并网光伏电站；2006年，北京奥运会国家体育馆100千瓦并网光伏电站关键设备研制与系统建设工作正在进行中。2、与地方、企业的项目合作的基础双方有着深厚的合作基础，2001年，共同承担西藏阿里光明工程的光伏系统设计建设工作，并持续互派技术人员进行学习交流。西藏能源研究示范中心是西藏全区唯一一所新能源专业研究机构。中心始建于1981年，现有正式职工30人，科技人员20人，其中高级专业技术人员2名，中级专业技术人员10名，初级专业技术人员8名。中心先后承担了“阳光计划”、“科光计划”、“阿里光电计划”等大型计划的实施，研究开发出了适应高原特殊地理环境的太阳能光电产品，在西藏的拉萨、日喀则、山南、林芝等地市推广了大量的多种型号太阳能技术产品，具有较强的科研开发、新产品推广和技术维护能力。近年来，中心又与国内外研究机构、大学和企业建立了广泛而又密切的合作关系，是实施重大项目的可靠技术依托。3、研究队伍状况是专门从事新型发电及电能新应用研究与开发的机构，曾经和正在承担多项独立光伏、风光互补、并网光伏发电科研项目，取得了多项科研成果。在“七五”期间承担并完成了2kW光伏电站优化设计和示范装臵、小功率光电提水喷灌系统、10kW以下正弦波高效逆变器的研制等国家科技攻关任务。“八五”期间承担并完成了30kW风-光互补发电系统、户用光伏优化技术、户用光伏示范电站、30kW光伏电站用逆变器、30kW光伏电站系统工程的研究等国家攻关项目，并完成了国家重点建设项目西藏双湖25kW光伏电站工程，其中“30kW风/光互补电站”和“西藏双湖25kW光伏电站”均获得了中科院科技进步二等奖。“九五”期间承担并完成了当时国内最大的独立运行光伏电站—“西藏那曲安多县100kW光伏电站”，以及西藏那曲班戈县70kW光伏电站和西藏那曲尼玛县40kW光伏电站。“十五”期间完成重点科技攻关专题“50kW大型光伏并网示范电站”及深圳园博园1MW并网光伏电站等。上述项目的成功实施，为下一步产业化生产奠定了坚实的基础。4、实施研究方案已具备的条件2006年6月，西藏科技厅委托西藏能源研究示范中心对西藏的无电学校分布及用电需求进行了摸底调查。调查发现这些学校属纯牧区学校，牧民居住分散，流动性很大，随季节而迁移，而且交通不便，在近10年时间电网无法覆盖，但这些小学的地理环境处于太阳能丰富区域，日照时间长，很适合建立小型光伏电站。因此，建议在这些小学建立5座小型太阳能光伏电站，总装机容量为30kW。七、项目管理1、项目组织管理体制项目立项后，成立技术组；制定详细的工作计划；合理分工，组织实施；考核验收，提交结题报告。项目实施过程中，加强监督管理，组织有关专家对系统总体方案审查，随时接受领导部门组织有关专家对进度及施工过程中出现的问题进行检查和协调，保证项目的顺利完成。2、项目运行机制负责全部的技术工作，包括系统设计、工程设计、控制逆变、配电及监测设备研制、太阳光伏组件等主要设备采购运输、现场施工技术指导、现场调试、系统培训等；西藏自治区能源研究示范中心负责现场的基础建设工作，包括光伏阵列基础和控制室等土建配套设施建设、供电线路的采购和架设（敷设）、现场安装施工、现场协调以及物资转运等。负责落实学校用电设备灯、电视等。