0引言

隨著全球能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的 日益嚴(yán)峻,開發(fā)利用可再生能源已成為全球共識。太陽能作為一種清潔、可再生能源,具有分布廣泛、取之不盡的特點(diǎn),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過在建筑物屋頂?shù)乳e置空間安裝光伏組件,實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的直接轉(zhuǎn)換,不僅能緩解電網(wǎng)供電壓力,還能減少化石能源消耗與溫室氣體排放[1]。我國擁有豐富的屋頂資源,發(fā)展分布式光伏具有巨大潛力。某小學(xué)的屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施,是落實(shí)國家能源戰(zhàn)略、推動地方能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要實(shí)踐[2]。本文通過對該項(xiàng)目的全面分析,深入探討屋頂光伏系統(tǒng)的技術(shù)方案與實(shí)施路徑,為分布式光伏項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)[3]。

1 工程概況

1.1項(xiàng)目站址情況簡介

項(xiàng)目位于江門市某山村小學(xué),利用校內(nèi)兩棟建筑屋頂建設(shè)分布式光伏系統(tǒng)。其中,一號樓屋頂長寬尺寸為32 300 mm×8 400 mm,可利用面積約271.32 m²;二號樓屋頂長寬尺寸為18 500 mm×6 800 mm,可利用面積約125.8m² ;總可用屋頂面積約397.12m²。屋頂為混凝土結(jié)構(gòu)屋面,承載能力滿足光伏支架安裝要求,且周邊無高大建筑物遮擋, 日照條件良好。項(xiàng)目所在地交通便利,便于設(shè)備運(yùn)輸與施工部署,且電網(wǎng)接入條件成熟,為光伏電力的就近并網(wǎng)提供了有利條件。

1.2太陽能資源情況簡介

根據(jù)NASA與Meteonorm數(shù)據(jù)庫的輻射量數(shù)據(jù)綜合分析,項(xiàng)目地太陽輻射量穩(wěn)定,其多年平均太陽總輻射量為1356.52kW. h/m²,依據(jù)GB/T37526—2019《太陽能資源評估方法》,該區(qū)域?qū)儆凇百Y源豐富”等級(C級),適合大型光伏電站建設(shè)。從全國太陽能資源分布來看,項(xiàng)目地處于三類地區(qū)(豐富帶),年均日照時數(shù)充足,太陽能資源開發(fā)利用潛力顯著,為光伏系統(tǒng)的高效發(fā)電提供了堅(jiān)實(shí)的資源基礎(chǔ)。

2項(xiàng)目整體方案

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示,屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、支架系統(tǒng)、匯流箱、逆變器、電氣設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)等部分構(gòu)成。光伏組件是能量轉(zhuǎn)換的核心單元,負(fù)責(zé)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能;支架系統(tǒng)用于固定組件,確保其在各種氣候條件下的穩(wěn)定性;逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電能;電氣設(shè)備包括并網(wǎng)箱、電纜等,實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與分配;監(jiān)控系統(tǒng)則實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),保障系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

2.2光伏組件選擇與布置

本設(shè)計(jì)選擇晶科能源TigerNeo系列JKM635N-72HL4組件,該組件為N型單晶硅(TopCon技術(shù))組件,采用72片×210mm半片電池片,封裝方式為2.5mm玻璃+白色EVA膠膜雙玻封裝。在電氣性能方面,標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下峰值功率為635 WP,轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.7%(組件面積2.795 m2,635 W/27950cm²),開路電壓voc為54.5 V,峰值工作電壓vmpp為48.2 V,短路電流Isc為14.7A,峰值工作電流Impp為13.9A,低溫修正系數(shù)Kv 為-0.30%/℃,優(yōu)于常規(guī)PERC組件的-0.35%/℃,高溫修正系數(shù)k/v為-0.26%/℃ 。物理參數(shù)上,組件尺寸為2 465 mm× 1134 mm×30mm,與項(xiàng)目屋頂排布完全匹配?？煽啃苑矫?最大系統(tǒng)電壓為1 500 V,兼容高壓并網(wǎng)系統(tǒng),具備IP65防護(hù)等級,適應(yīng)嶺南氣候,為項(xiàng)目25年穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

該光伏組件通過高功率密度、低溫度系數(shù)及雙面發(fā)電特性,在該小學(xué)屋頂實(shí)現(xiàn)了“小面積高收益”的目標(biāo) 。其 電氣參數(shù)與逆變器MPPT(MAXimum PowerPointTrAcking,最大功率點(diǎn)追蹤)深度匹配,物理設(shè)計(jì)適應(yīng)嶺南氣候,為項(xiàng)目25年穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。結(jié)合組件尺寸及屋頂可使用面積,計(jì)算出一號樓豎向布置4行29列共116塊,二號樓豎向布置3行17列共51塊,兩棟樓總共布置167塊,總裝機(jī)容量為106.045 kWp。

2.3光伏組串設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)裝機(jī)容量選擇陽光電源SG100CX組串式逆變器,其額定交流功率為100 kW,最大直流輸入功率110 kW,具備16路MPPT即最大功率點(diǎn)跟蹤通道,每路MPPT電壓范圍為150~1 000 V,可靈活適配不同光照條件下的組串電壓需求,每路MPPT最大輸入電流為15 A,能夠兼容組件峰值工作電流13.9 A的運(yùn)行要求。其最大直流輸入電壓vdcmAX為1100 V,滿足組件串聯(lián)后的電壓安全范圍,防護(hù)等級達(dá)IP65,適應(yīng)戶外潮濕多塵環(huán)境,為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

為確保低溫環(huán)境下組串電壓不超過逆變器最大輸入電壓1100 V,組串組件數(shù)最大值按下式計(jì)算:

式中:NmAX為光伏組件的最大串聯(lián)數(shù)量,即保證逆變器安全運(yùn)行的最大組件串聯(lián)數(shù);vdcmAX為逆變器允許的最大直流輸入電壓;voc為開路電壓;t為光伏組件工作條件下的極限低溫,項(xiàng)目取當(dāng)?shù)貥O端低溫-5℃ ;kv為低溫修正系數(shù)。

分母通過voc乘以低溫修正量[1+(t-25)×kv],計(jì)算出低溫時組串的實(shí)際開路電壓,確保其不超過逆變器最大輸入電壓vdcmAX,從而得出安全串聯(lián)數(shù)量上限。

為保證逆變器MPPT功能有效實(shí)現(xiàn),組件串聯(lián)數(shù)量不可太少,最小組件串聯(lián)數(shù)量Nmin按下式計(jì)算:

式中:vmpptmin為逆變器MPPT電壓范圍的最小值;vmpp表示光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的峰值工作電壓,JKM635N組件為48.2 V,是組件輸出最大功率時的電壓值;t'為光伏組件工作條件下的極限高溫,項(xiàng) 目取當(dāng)?shù)貥O端高溫40℃,用于修正高溫環(huán)境對組件電壓的影響;k'v為高溫修正系數(shù)。

分母通過vmpp乘以高溫修正量[1+(t/-25)×k'v]計(jì)算出高溫時組串的實(shí)際峰值工作電壓,確保其不低于逆變器MPPT最低電壓vmpptmin,從而得出安全串聯(lián)數(shù)量下限。

代入數(shù)據(jù)求出本設(shè)計(jì)中的NmAX為18塊,Nmin為4塊,故本次設(shè)計(jì)的每串組件數(shù)量必須在4~18之間,結(jié)合屋頂布局和逆變器MPPT路數(shù),設(shè)計(jì)出具體的組串接線如圖2所示。

3并網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目并網(wǎng)方案以適配某小學(xué)屋頂光伏系統(tǒng)的實(shí)際需求為核心,結(jié)合晶科JKM635N-72HL4組件與陽光電源SG100CX逆變器的技術(shù)特性進(jìn)行設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)安全高效接入電網(wǎng)。

3.1接入方案與電氣主接線

項(xiàng)目采用0.4 kV低壓并網(wǎng)方式,在學(xué)校配電室設(shè)置1個并網(wǎng)點(diǎn),通過低壓電纜將逆變器輸出的交流電接入電網(wǎng)低壓母線。該方案遵循“分塊發(fā)電、就近并網(wǎng)”原則,逆變器輸出端經(jīng)YJV-0.6/1kV 4 ×35 mm2鎧裝電纜連接至并網(wǎng)箱,再通過計(jì)量裝置實(shí)現(xiàn)“全額上網(wǎng)”。并網(wǎng)箱采用防護(hù)等級IP65的304不銹鋼材質(zhì),內(nèi)置HD11F—150/4P隔離開關(guān)、CM1—125A/4P斷路器及40KA浪涌保護(hù)器(SPD),進(jìn)線與出線均從箱體底面引入,孔洞采用防火泥封堵,防止雨水與小動物侵入。

電氣主接線采用組串式結(jié)構(gòu):167塊635 Wp組件分為13路組串 (PV1~PV13),其中PV1~PV4每路15塊、PV5~PV8每路14塊、PV9~PV10分別為8塊和9塊、PV11~PV12各11塊、PV13為12塊,各組串通過 PV1—F1×4mm2光伏專 用 電 纜接入 陽 光 電源SG100CX逆變器的16路MPPT接口,實(shí)際使用13路,預(yù)留3路擴(kuò)容空間。根據(jù)公式計(jì)算,組串?dāng)?shù)量需滿足4~18塊/串的安全范圍,當(dāng)前設(shè)計(jì)中所有組串的組件數(shù)量均滿足要求,組串電壓均可運(yùn)行于MPPT有效區(qū)間,且接線貼合實(shí)際現(xiàn)場,有利于運(yùn)維。本設(shè)計(jì)的主接線圖如圖3所示。

3.2保護(hù)配置與通信方案

系統(tǒng)配置多級保護(hù)機(jī)制:逆變器內(nèi)置防孤島檢測功能,當(dāng)電網(wǎng)異常時0.5 S內(nèi)斷開并網(wǎng)開關(guān);并網(wǎng)斷路器具備過電壓(>110%額定電壓)、欠電壓(<90%額定電壓)及短路保護(hù)功能,故障時快速切斷電路;并網(wǎng)箱內(nèi)SPD模塊可吸收雷電過電壓,組件邊框與支架通過4mm2等電位線接入防雷接地網(wǎng) (接地電阻≤4 Ω),形成完整的防雷體系。

通信方案采用RS485+GPRS雙模式:逆變器通過RS485接口連接數(shù)據(jù)采集器,實(shí)時采集各組串電壓、電流及逆變器輸出功率等數(shù)據(jù),再經(jīng)GPRS模塊上傳至云平臺。用戶可通過手機(jī)APP或電腦終端查看實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)(如日/月/年發(fā)電量、等效利用小時數(shù))及故障報(bào)警信息(如過流、過熱),同時系統(tǒng)預(yù)留與電網(wǎng)調(diào)度中心的通信接口,滿足新能源數(shù)據(jù)上送要求。

本并網(wǎng)方案通過精準(zhǔn)匹配組件與逆變器參數(shù)、優(yōu)化電氣接線及強(qiáng)化保護(hù)通信功能,確保該小學(xué)光伏系統(tǒng)安全可靠并網(wǎng),實(shí)現(xiàn)“發(fā)-輸-配”全流程的高效管理與風(fēng)險(xiǎn)防控。

4結(jié)束語

本文以某小學(xué)屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為研究對象,系統(tǒng)探討了屋頂光伏系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與實(shí)施路徑。研究圍繞項(xiàng)目的工程特性與區(qū)域資源條件,從光伏組件選型、組串設(shè)計(jì)、并網(wǎng)技術(shù)等維度構(gòu)建了完整的技術(shù)方案框架。通過分析屋頂空間布局與太陽能資源特征,確定了適配的單晶硅組件與多MPPT逆變器組合,形成了“分塊發(fā)電、就近并網(wǎng)”的優(yōu)化設(shè)計(jì),并對系統(tǒng)保護(hù)、通信及電纜敷設(shè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了針對性規(guī)劃。該屋頂光伏系統(tǒng)在技術(shù)上具備可行性,通過多MPPT逆變器與差異化組串設(shè)計(jì),有效提升了復(fù)雜屋頂場景下的發(fā)電效率,其方案對同類小規(guī)模分布式光伏項(xiàng)目具有參考價值。

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《機(jī)電信息》2025年第16期第4篇