分布式光伏項(xiàng)目的設(shè)計優(yōu)化及實(shí)踐

引言

屋頂分布式光伏項(xiàng)目既能提供綠色能源,又能降低用電成本,同時,業(yè)主將屋頂租賃給投資方,也可獲得租金收益。

隨著光伏項(xiàng)目競爭的白熱化,屋頂資源日益稀缺,屋頂租金成本越來越高,用電折扣越來越大,使得屋頂光伏項(xiàng)目投資成本越來越高,收益率降低。因此,利用先進(jìn)技術(shù),開展全生命周期的精細(xì)化設(shè)計,降低電站建設(shè)成本,提高項(xiàng)目收益率,成為非常值得思考與研究的問題。

1項(xiàng)目優(yōu)化前情況

本項(xiàng)目位于廣東省清遠(yuǎn)市石角鎮(zhèn)廣清產(chǎn)業(yè)園歐派集團(tuán)清遠(yuǎn)基地標(biāo)準(zhǔn)化廠房屋面,屋面類型均為混凝土屋面,在已建成的一期A~E棟廠房,二期F棟、H棟、1棟、J棟廠房屋面建設(shè)分布式光伏電站,采用"自發(fā)自用,余電上網(wǎng)"模式,符合國家產(chǎn)業(yè)政策。設(shè)計之初,項(xiàng)目存在以下問題:

(1)屋頂租金較貴。女兒墻高4m左右,9個屋面有效面積合計約14.4萬m2,年租金10元/m2,屋頂租金總計144萬元/年。

(2)電價優(yōu)惠力度較大,光伏的綜合電價較低,為0.498元/(kw·h)(含稅)。光伏電站自發(fā)自用消納比例高達(dá)95%。

(3)根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797—2012),經(jīng)計算,最大輻射量傾角為17О,對應(yīng)的光伏方陣前后陣列間距為6.3m,項(xiàng)目有效面積14.4萬m2,初步設(shè)計光伏裝機(jī)容量僅為12Mw。

(4)項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率較低,僅為4%,達(dá)不到資本金內(nèi)部收益率7%的項(xiàng)目投資門檻要求。

2太陽能資源

為更合理地評估本項(xiàng)目太陽能資源,將NASA、Meteonorm、PVGIS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如表1、圖1所示。

NASA數(shù)據(jù)為高空氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),輻射量值通常較大,在靠海、山區(qū)及有大型水體的區(qū)域,傳感器的準(zhǔn)確度較差,因此不推薦選用:PVGIS數(shù)據(jù)不能客觀反映項(xiàng)目場址區(qū)域月輻射量變化規(guī)律,且水平面年總輻射量值高于其他數(shù)據(jù),因此不推薦選用;Meteonorm數(shù)據(jù)通過場址周邊氣象觀測站數(shù)據(jù)經(jīng)插值算法推算項(xiàng)目場址多年平均各月的輻射量,能相對客觀地反映項(xiàng)目場址輻射量水平。因此,本項(xiàng)目以Meteonorm的數(shù)據(jù)1225kw·h/m2作為本階段設(shè)計依據(jù)。

3設(shè)計優(yōu)化

針對以上問題,對該全生命周期光伏電站設(shè)計進(jìn)行一系列創(chuàng)新優(yōu)化,降本增效。

3.1優(yōu)化光伏陣列間距布置和安裝傾角,優(yōu)化容量設(shè)計利用行業(yè)權(quán)威軟件PVSySt對光伏

列進(jìn)行陰影建模仿真,得到不同傾角下的傾斜面有效輻照量數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較,其中不同傾角下的近陰影遮擋損失對比如圖2所示,不同傾角下的斜面有效輻照對比如圖3所示。

由圖2、圖3可見,在前后陣列間距保持不變的情況下,減小光伏方陣傾角,近陰影遮擋損失逐步降面有效輻照逐步增加,在119傾角時達(dá)到最高值,而后開始逐步減小。

本項(xiàng)目屋頂租賃價格昂貴、電價較低,導(dǎo)致項(xiàng)目收益率受影響。因此,優(yōu)化設(shè)計時打破了傳統(tǒng)的設(shè)計思路,通過考慮部分組件的陰影遮擋,傾角、間距的適宜性調(diào)整等創(chuàng)新的設(shè)計理念,采用多元化的發(fā)電量模型、經(jīng)濟(jì)模型等進(jìn)行對比,選擇最優(yōu)方案。

通過優(yōu)化設(shè)計,最終采用減小前后陣列間距(前后陣列間距由6.3m減小至4.8m)、降低光伏組件安裝角度(從179減小至59)的方法提高屋面利用率,從而將裝機(jī)容量從l2Mw提高到17.74Mw,采用39928塊450wp單晶硅光伏組件。

經(jīng)分析,采用59傾角順屋面布置,考慮斜面提升系數(shù)1.016,HA=l244kw·h/(m2·a)。綜合效率系數(shù)K取81%,則首年發(fā)電小時數(shù)為1005h。優(yōu)化后裝機(jī)容量大幅增加,每年發(fā)電量增加516萬kw·h,25年發(fā)電量增加l2900萬kw·h:每年增加收入234萬元,25年增加收入5850萬元。減小陣列傾角,不僅提高了光伏系統(tǒng)發(fā)電量,還減少了支架及基礎(chǔ)用量,提高了抗臺風(fēng)性能。

3.2提高項(xiàng)目容配比,有效節(jié)省20%的逆變器成本文獻(xiàn)[l]指出,在屋頂面積一定的條件下,直流側(cè)

最大裝機(jī)容量固定時,提高容配比的方法即減少逆變器臺數(shù),使每臺逆變器接入更多的光伏組件,同時箱式變壓器的臺數(shù)、交流電纜的用量均可減少,可降低工程造價。但是過高的容配比會使逆變器產(chǎn)生過載損失,導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電量減少。故對光伏組件的串、并聯(lián)數(shù)量設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1串聯(lián)數(shù)量設(shè)計優(yōu)化

為了使逆變器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳值,必須根據(jù)逆變器的參數(shù)將光伏組件進(jìn)行串、并聯(lián)。每個并聯(lián)支路的光伏組件串聯(lián)數(shù)量主要受逆變器最大功率跟蹤電壓范圍的限制,光伏組串的最佳工作點(diǎn)電壓必須在逆變器的最大功率跟蹤電壓范圍內(nèi):而總的并聯(lián)支路數(shù)受逆變器最大輸入功率限制,光伏組件陣列的功率不能超過逆變器最大輸入功率。

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB50797—20l2),光伏方陣中,同一電池組件串中各電池組件的電性能參數(shù)宜保持一致,電池組件串的組件數(shù)應(yīng)按下列公式計算:

式中:N為電池組件的串聯(lián)數(shù)(取整):Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓(V):Voc為電池組件的開路電壓(V):1為電池組件工作條件下的極限低溫(℃):KV為電池組件的開路電壓溫度系數(shù):Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值(V):Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值(V):Vpm為電池組件的工作電壓(V):1'為電池組件工作條件下的極限高溫(℃):KV'為電池組件的工作電壓溫度系數(shù)。

經(jīng)計算,本項(xiàng)目電池組件串中的組件數(shù)為16≤N≤28.14。結(jié)合光伏單方陣雙層豎向排布的方案,組串中的組件數(shù)設(shè)計為28。

3.2.2并聯(lián)數(shù)量設(shè)計優(yōu)化

按照上述光伏組件的串聯(lián)數(shù),結(jié)合電站的布置和逆變器的額定功率,并兼顧系統(tǒng)損失等因素,同時考慮到場址區(qū)域太陽輻照度大于1000w/m2出現(xiàn)的頻率相對較低,也可考慮適當(dāng)增加與逆變器匹配的光伏組件總?cè)萘?本工程175kW逆變器最多可并聯(lián)路數(shù)為18路。

因此,光伏組件每28塊串聯(lián)成為一路光伏組串,每18路光伏組串并聯(lián)接入1臺175kW組串式逆變器,光伏系統(tǒng)配置如表2所示。如此,將容配比從l提高至1.252,逆變器數(shù)量則由102臺減少至81臺。

3.3優(yōu)化設(shè)計直流系統(tǒng),單瓦造價降低約0.15元

用具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的1500V系統(tǒng)代替1000V系統(tǒng)。1500V系統(tǒng)通過增加串聯(lián)光伏組件塊數(shù)、減少并聯(lián)電路數(shù)量、減少接線盒及線纜數(shù)量,來降低成本:同時,電壓提高后,線纜損耗也進(jìn)一步降低。

3.4優(yōu)化升壓站設(shè)計,采用預(yù)裝式10kV開關(guān)站降低成本

項(xiàng)目采用10kV電壓等級接入電網(wǎng),分為3個接入點(diǎn)并網(wǎng),每個并網(wǎng)點(diǎn)采用一套預(yù)裝式10kV開關(guān)站。10kV開關(guān)站由電氣一次、二次預(yù)制艙組成,放置在廠房周邊的空地。相比常規(guī)升壓站,預(yù)裝式10kV開關(guān)站占地減少45%,土建、安裝工作量減少80%,投資成本減少約10%。

3.5將電池組件的放置由橫向排布改成豎向排布,降低10%的施工成本

文獻(xiàn)提出了光伏陣列排布設(shè)計的方法,組件橫向放置,有利于減少陰影遮擋造成的發(fā)電量損失,但施工難度較大,工期較長,施工成本增加:組件豎向放置,雖然因陰影遮擋會造成部分發(fā)電量損失,但施工難度較小,工期短,施工成本低。結(jié)合以往組件安裝經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目光伏組件布置推薦采用豎向雙排排布、塊與塊間距預(yù)留20mm、順屋面布置的方案。

3.6配置最佳逆變器

單臺逆變器容量越大,單位造價相對越低,轉(zhuǎn)換效率也越高。考慮施工便捷性、系統(tǒng)發(fā)電量、光伏組件與逆變器的匹配性等,選用單機(jī)功率較大的174kw組串式逆變器。

3.7定制化設(shè)計組件間距,避開陰影

屋頂存在女兒墻、建筑、屋面設(shè)備等,通過天正建筑軟件、PkSySt進(jìn)行陰影模擬分析,避開陰影,并計算出每一塊不同屋頂面積情況所適應(yīng)的最佳組件間距,提高發(fā)電效率。

4設(shè)計優(yōu)化后效果

通過一系列精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計后,項(xiàng)目規(guī)模由12Mw增加到17.74MW,降低了項(xiàng)目造價成本,提高了收益,效果顯著。按照文獻(xiàn)提出的內(nèi)部收益率(IRR)和投資回收期的計算方法,項(xiàng)目的財務(wù)指標(biāo)如表3所示,該項(xiàng)目可研報告資本金內(nèi)部收益率由4%提高到了7.17%,滿足公司基準(zhǔn)收益率要求,最終成功建設(shè)、并網(wǎng)投產(chǎn)。項(xiàng)目并網(wǎng)后的航拍圖如圖4所示。

5結(jié)論

本項(xiàng)目通過一系列精細(xì)化的優(yōu)化設(shè)計,采用縮小光伏陣列間距、優(yōu)化光伏板安裝傾角的方式,項(xiàng)目規(guī)模由12Mw增加到17.74MW,通過提高項(xiàng)目容配比,采用具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的1400k系統(tǒng),采用預(yù)裝式10kV開關(guān)站,將電池組件的放置由橫向排布改成豎向排布,定制化設(shè)計組件間距等方式,降低了工程造價成本,有效提高了系統(tǒng)發(fā)電量。在可研總投資7210.8萬元時,該項(xiàng)目可研報告資本金內(nèi)部收益率為7.17%。實(shí)際上,該項(xiàng)目最終發(fā)生的總投資不到6300萬元,因此項(xiàng)目的實(shí)際資本金內(nèi)部收益率為9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于可研報告收益率。可見,該項(xiàng)目降本增效效果顯著,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益,值得在行業(yè)全面推廣。