现代农业示范基地农光互补光伏发电项目光伏电站总体设计及发电量计算方案

现代农业示范基地农光互补光伏发电项目光伏电站总体设计及发电量计算方案1.1光伏组件选型1.1.1太阳电池分类及比较当前商业应用的太阳能电池分为晶硅电池和薄膜电池。晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，目前商业应用的光电转换效率单晶硅已超过18cYo，多晶硅15～16%。在光伏电池组件生产方面我国2007年已成为第三大光伏电池组件生产国，生产的组件主要出口到欧美等发达国家。薄膜电池分为非晶硅薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池。当前商业应用的薄膜电池转化效率较低，非晶硅薄膜电池为5～89/o，CdTe电池为119/o，CIGS电池为I090。非晶硅薄膜电池商业化生产技术较为成熟，并已在国内形成产能；CdTe和CIGS电池在国内还没有形成商业化生产。由于薄膜电池的特有结构，在光伏建筑一体化方面，有很大的应用优势。目前在MW级光伏电站中应用较多的是晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。单晶硅太阳能电池光电转换效率相对较高，但价格相对较高。多晶硅太阳能电池光电转换效率比单晶硅略低，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低。非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率相对较低，但它成本低，重量轻，应用更为万便。从工业化发展来看，太阳能电池的重心已由单晶硅向多晶硅方向发展，主要原因为：(1)可供应太阳能电池的头尾料愈来愈少；(2)对太阳能电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；(3)多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；(4)由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅太阳能电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在IOO平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14%。多晶硅太阳能电池组件具有以下特点：(1)具有稳定高效的光电转换效率；(2)表面覆深蓝色氮化硅减反膜，颜色均匀美观；(3)高品质的银和银铝浆料，确保良好的导电性、可靠的附着力和很好的电极可焊性；(4)高精度的丝网印刷图形和高平整度，使得电池易于自动焊接和激光切割。综上所述，并考虑实际情况，本阶段拟采用多晶硅太阳能电池组件。1.1.2电池组件的确定通过对国内外光伏组件的词研和比选，根据光伏并网电站的设计特点及相关政策的规定，初步选定290-72P太阳能电池组件。(1)本工程太阳能电池组件参数如下表5.1-1。表5.1—1太阳能电池组件组件参数组件参数最大额定功率Wp250功率公差%±3最大功率时电压V35.6组件转化效率%14.98最大功率时电流A35.6开路电压温度系数%／℃-0.408短路电流A8.75短路电流温度系数%／℃0.045系统最大电压V1000标准组件发电条件℃46±2长*宽*厚m1956~990;ac501.2光伏阵列运行方式选择1.2.1太阳能电池组件的放置形式太阳能电池组件的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式。对于固定式光伏系统，一旦安装完成，太阳能电池组件倾角就无法改变，因此合理的倾角选择对于固定式光伏发电系统就显得尤为重要了。自动跟踪式光伏发电系统的光伏组件可以随着太阳运行而跟踪移动，使太阳组件一直朝向太阳，增加了接受的太阳辐射量。但跟踪装置比较复杂，初始成本和维护成本较高。目前使用广泛的有两种太阳光伏自动跟踪系统，包括单轴跟踪、和双轴跟踪，其中单轴跟踪只有一个旋转自由度，双轴跟踪具有两个旋转自由度。两种跟踪系统采用的跟踪控制策略为主动式跟踪控制策略，通过计算得出太阳在天空中朐方位，并控制光伏阵列朝向。这种主动式光伏自动跟踪系统能够较好的适用于多霜雪、多沙尘的环境中，在无人值守的光伏电站中也能够可靠工作。从跟踪是否连续的角度看，所研制的光伏自动跟踪系统采用了步进跟踪方式，与连续跟踪方式相比，步进跟踪方式能够大大的降低跟踪系统自身能耗。从跟踪效果上来讲，双轴跟踪能最大限度的获得太阳辐射，但价格也相对偏高。通过综合考虑，本工程的太阳能电池组件的放置形式采用倾角固定。支架相关参数如下：(1)单个支架功率组件IO.OkW（根据电池组件实际布置调整）(2)支架规格：20块×2块（支架规格以放置组件数表示，根据电池组件实际布置调整）(3)阵列倾角：260，阵列方位：01.2.2光伏组件阵列倾斜面辐射量及阵列倾角1.2.2.1、各月倾斜面上的平均辐射量Ht任意倾角任意方位的光伏阵列倾斜面月平均辐射量采用Klein和Theilacker(1981)提出的天空各向异性模型，此种计算方法是国际上公认及最常用的计算方法，模型做以下简述，详细请查阅相关文献。公式1、Ht=Hbt+Hdt+Hrt公式2、Htl=f(B，Y，p，N，E，Hbt，Hdt)公式3，Ht2=f(岱，Y，p，N，E，Hbt，Hdt)公式4、Ht3=f(p，N，E，Hbt，Hdt)注：公式1为计算倾斜面上月平均辐射量的基础公式公式2、3、4为各种跟踪方式倾斜面上月平均辐射量的简式Ht-倾斜面上的月平均辐射量Htl-固定式倾斜面上的月平均辐射量Ht2-单轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量Ht3-双轴跟踪倾斜面上的月平均辐射量Hbt-直接太阳辐射量Hdt-天空散射辐射量Hrt-地面反射辐射量B-倾斜面与水平面之间的夹角Y-倾斜面的方位角p-地面反射率，取值为0.2（见附表）N-当地纬度E-当地经度不同地表状态的反射率地面状态反射率地面状态反射率地面状态反射率沙漠0.24～0.28干湿土0.14湿草地0.14～0.26干燥地带0.1～0.2湿黑土0.08新雪0.81湿裸地0.08～0.09干草地0.15～0.25冰面0.691.3逆变器的选型对于逆变器的选型，本工程按容量提出两种方案进行比选：方案一选用500kw逆变器；方案二选用250kW逆变器。方案一：选用500kW逆变器，整个工程配40台500kW逆变器。目前国内外厂家都可以提供该容量的逆变器，设备选择范围广，该方案的优点是单台逆变器容量大，主变压器数量少，整个系统效率较高，施工维护工作量小。缺点是单台逆变器容量大，在运行过程中如果发生故障，则故障影响的范围大。在国外大容量逆变器的使用已经非常普遍，而我国光伏发电行业处于高速发展阶段，国内使用500kW容量逆变器的工程越来越多，已经成为逆变器选择的主流。方案二：选用250kW的逆变器，整个工程配80台250kW逆变器。现在SMA、SolarMax、Power-one、Conergy、Xantrex等品牌都能够生产此种逆变器，在产品选择上不存在问题，生产运行经验也非常丰富。以下对二种方案的逆变器经济性进行比较，见下表（逆变器按照国产设备报价）。逆变器经济比较方案逆变器型号数量（台）单价（万）合计（万）差价（万）方案一500kW403514000方案二250kW80181440推荐方案一综合以上内容，本工程选用户外型500kW逆变器，整个工程配100逆变器基本参数如下：逆变器参数直流侧参数交流侧参数最大直流电压V900额定输出功率W500k满足MPPT电压范围450～820最大交流输出电流A500k最大直流功率W550k额定电网电压V315最大输入电流A1200允许电网电压V250～362最大接入路数总电流波形畸变率<3%MPPT路数1功率因数0.95（超前）～0.95（滞后）其中最大效率0.987宽度2800欧洲效率0.985高度2180防护等级IP20深度850隔离无变压器重量22881.4光伏方阵设计本工程设计容量为10MWp，按最大功率计算，实际布置为10MWp，共采用250Wp型太阳能电池40000片。太阳能电池组件的固定方式采用倾角固定，阵列倾角为260，阵列方位为00。组件排列方式为竖置，横向(HI)组件布置20块，竖向(H2)组件布置2块，每排间距(DI)10.3m，每列间距(D2)0.5m。共布置支架2000组。示意图：1.5方阵接线方案设计1.5.1电池串并联数电池组件串并联数的确定主要依据其组件的电性能参数、逆变器的参数、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压及功率的影响来分析。1)本工程10MWp单元太阳能光伏电池组件选用250Wp组件，逆变器容量选用500kW，以下对相关公式及原则做简要介绍：公式1.Vmp(f)=Vmp(1+Y△T)h(e+B△S)公式2.Voc(f)=Voc(I+Y△T)h1(e+B△S)公式3、△T=T-T(f)公式4、△S=S/S(f)一1公式5.PYmax=(Sti,fe,Vmp(S,f),Voc(S,f》公式6.Sti=(RH、p、hPa、YN、JD、WD、ti、B、Y)原则1、逆变器最大直流输入功率>PYmax术Ns术Np原则2、逆变器最小MPPT电压<Vmp(f)术Ns原则3、逆变器最大直流开路电压>Voc(f)术Ns原则4、组件系统最大电压>Voc(f)水Ns注：公式1、2为计算组件任意温度下Vmp(f)和Voc(f)，Voc(f)主要应用为冬季组件工作温度，Vmp(f)夏季组件工作温度公式5为循环一年计算每个时刻相对理想状态下组件的瞬时输出功率的简式，其中的最大值定义为组件全年最大输出功率PYmax公式6为任意时刻相对理想状态下阵列倾斜面上的辐照度的简式Ns-每台逆变器接入组件串联数Np-每台逆变器接入组件并联数Imp-组件最大功率时电流f-为组件的工作温度fe-为任意的环境温度S-为倾斜面辐照度K-O.025℃m2／WPymax-组件全年最大输出功率Vmp(f)-任意温度及辐照度时组件最大功率时电压Vmp-标准测试条件下的最大功率时电压Voc(f)-任意温度及辐照度时组件开路电压Voc-标准测试条件下的组件开路电压T-标准测试条件下组件工作温度25℃T(f)-任意组件工作温度S-标准测试条件下的辐照度1000W/II12S(f)-f温度下相应辐照度Y-开路电压温度系数e-常数B-o.5Imp-STC下组件最大功率时电流D——阵列倾角Y-阵列方位PYmax-组件全年最大输出功率RH-相对湿度YN-云量p-地面反射率hPa-大气压ti-任意时刻Sti-任意时刻相对理想状态下阵列倾斜面上的辐照度JD-当地经度WD-当地纬度根据计算，最终确定组件串联数=20，组件并联数=100。1.5.2光伏阵列直流防雷汇流箱的设计由于逆变器的输入回路数量有限以及为了减少光伏组件到逆变器之间的连接线和方便日后维护，需要在直流侧配置汇流装置，本系统可采用分段连接、逐级汇流的方式进行设计，即在户外配置光伏阵列防雷汇流箱（以下简称“汇流箱’’），采用汇流箱将多串电池组件进行汇流，然后再输入直流配电柜，再至逆变器，使逆变器的输入功率达到合理的值，同时节省直流电缆，降低工程造价。汇流箱设计中主要计算需求汇流箱的数量以及选择汇流箱的原则，以下对相关计算公式及原则做简述公式1、Nh=Lz／Ni术M／Lh原贝U1、Ir>Isc术n术1.45原则2、VDC>Voc冰Ns注：公式1为计算汇流箱的数量原则1、2为选择汇流箱的基本原则Nh-汇流箱数Lz-阵列总输出路数Ni-逆变器数量M-每个逆变器MPPT个数Lh-汇流箱输入路数n-阵列输出每路并联数Ns-组件串联数Np-组件并联数Ir-熔丝额定额定电流Isc-组件短路电流Voc-组件开路电压VDC-汇流箱最大接入开路电压光伏阵列防雷汇流箱的性能特点如下：户外壁挂式安装，防水、防锈、防晒，满足室外安装使用要求；可同时接入6～16路电池串列，每路电池串列输入的最大电流为IOA;电池串列的最大开路电压为DClOOOV;每路电池串列配有光伏专用高压直流熔丝进行保护，其耐压值为DCIOOOV;直流输出母线的正极对地、负极对地、正负极之间配有光伏专用高压防雷器；直流输出母线端配有可分断的直流断路器；确定如下参数的汇流箱数量270台。汇流箱参数光伏阵列输入路数14汇流箱输出路数1每路熔丝额定电流A14防雷器有最大接入开路电压V1000防雷失效检测有推荐断路器型号GM5R-250PV/4250ADClOOOV监控单元有1.5.3直流配电柜设计添加直流配电柜后，直流电通过直流配电柜进行汇流，再与并网逆变器连接，方便操作和维护。直流配电柜的设计主要是确定直流配电柜数量及选择合适的直流配电柜，以下对直流配电柜数量的计算及直流配电柜选择的原则做简要介绍。公式1、Nz=Ni~M公式2、Imp(f)=Imp木S／Sf(1+Q(T—T(f)))原贝U1、Pzi>Nsi:Np／M原则2、Izi>Np／M冰Imp(f)注：公式1为计算直流配电柜数量公式2为夏季阵列输入直流配电柜的最大电流原则1、2为选择直流配电柜的基本原则Nz-直流配电柜数量Ni-逆变器数量M-每台逆变器MPPT个数Ns-每台逆变器接入组件串联数Np-每台逆变器接入组件并联数Imp-组件最大功率时电流Imp(f)-任意温度及辐照度时组件最大功率时电流f-为组件的工作温度S-为倾斜面辐照度Pymax-组件全年最大输出功率S-标准测试条件下的辐照度IOOOW/II12S(f)-f温度下相应辐照度a-短路电流温度系数T-标准测试条件下组件工作温度25℃T(f)-任意组件工作温度确定如下参数的直流配电柜数量100台。直流单元参数接入直流路数7输出直流路数1最大输入直流功率KW550直流电压表有最大输入输出总电流1200防雷器有绝缘强度V2500防雷失效检测有最大接入开路电压V1000