20MWp并网光伏发电站项目系统总体设计方案.doc
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1、20MWp并网光伏发电站项目系统总体设计方案1.1 阵列单元光伏电池组件选择光伏发电系统通过将大量的同规格、同特性的太阳能电池组件,经过若干电池组件串联成一串以达到逆变器额定输入电压,再将这样的若干串电池板并联达到系统预定的额定功率。这些设备数量众多,为了避免它们之间的相互遮挡,须按一定的间距进行布置,构成一个方阵,这个方阵称之为光伏发电方阵。其中由同规格、同特性的若干太阳能电池组件串联构成的一个回路是一个基本阵列单元。每个光伏发电方阵包括预定功率的电池组件、逆变器和低压配电室等组成。若干个光伏发电方阵通过电气系统的连接共同组成一座光伏电站。(1)太阳能电池分类太阳电池种类繁多,形式各样,按基
2、体材料分类主要有以下几种:a)硅太阳电池:主要包括单晶硅(Single Crystaline-Si)电池、多晶硅(Polycrystaline-Si)电池、非晶硅(Amorphous-Si)电池、微晶硅(c-Si)电池以及 HIT 电池等。b)化合物半导体太阳电池:主要包括单晶化合物电池如砷化镓(GaAs)电池、多晶化合物电池如铜铟镓硒(CIGS)电池、碲化镉(CdTe)电池等、氧化物半导体电池如 Cr2O3 和 Fe2O3 等。c)有机半导体太阳电池:其中有机半导体主要有分子晶体、电荷转移络合物、高聚物三类。d)薄膜太阳电池:主要有非晶硅薄膜电池(-Si)、多晶硅薄膜电池、化合物半导体薄膜电
3、池、纳米晶薄膜电池等。目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制造的,随着晶体硅太阳能电池生产能力和建设投资力度的不断增长,一些大型新建、扩建项目也陆续启动,同时薄膜太阳能电池项目的建设也不断扩大,产能也在不断上升,薄膜电池中非晶硅薄膜电池所占市场份额最大。(2)太阳能电池技术性能比较受目前国内太阳电池市场的产业现状和技术发展情况影响,市场上主流太阳电池基本为晶硅类电池和薄膜类电池。a)晶体硅太阳电池单晶硅电池是发展最早,工艺技术也最为成熟的太阳电池,也是大规模生产的硅基太阳电池中,效率最高的电池,目前规模化生产的商用电池效率在14%20%,曾经长期占领最大的市场份额;规模化生产
4、的商用多晶硅电池的转换效率目前在 13%15%,略低于单晶硅电池的水平。和单晶硅电池相比,多晶硅电池虽然效率有所降低,但是生产成本也较单晶硅太阳电池低,具有节约能源,节省硅原料的特点,易达到工艺成本和效率的平衡,目前已成为产量和市场占有率最高的太阳电池。b)薄膜类太阳电池薄膜类太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。在薄膜类电池中,非晶薄膜电池所占市场份额最大。其主要具有如下特点:1 用材少,制造工艺简单,可连续大面积自动化批量生产,制造成本低;2 制造过程消耗电力少,能量偿还时间短;3 基板种类可选择;4 弱光效应好,温度系数低,发电量多;5
5、售价较晶体硅电池低。紧紧围绕提高光电转换效率和降低生产成本两大目标,世界各国均在进行各种新型太阳电池的研究开发工作。目前,晶硅类高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳电池研究开发的两大热点和重点。已进行商业化应用的单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池主要特性如表 5-1 所示。表4-1 主要商用太阳能电池组件特性表电池种类晶硅类薄膜类单晶硅多晶硅非晶硅碲化镉铜铟硒商用效率14%20%13%15%5%9%5%8%50/08%实验室效率24%20.3%12.8%16.4%19.5%使用寿命25年25年25年25年25年组件层厚度厚层厚层
6、薄层薄层薄层规模生产已形成已形成已形成已形成已证明可行环境问题中性中性中性有(使用镉)除使用镉外为中性能量偿还时间23年23年12年12年12年主要原材料中中丰富镉和碲化物都是稀有金属铟是昂贵的稀有金属生产成本高较高较低相对较低相对较低主要优点效率高技术成熟效率较髙技术成熟弱光效应好成本较低弱光效应好成本相对较低弱光效应好成本相对较低根据上表可知,晶硅类太阳能电池由于制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点,被广泛应用于大型并网光伏电站项目。非晶硅薄膜太阳能电池尽管转化效率较低、占地面积较大,但其成本亦较晶硅电池低,且在弱光条件下性能好于晶硅类太阳能电池。因此,其在兆
7、瓦级太阳能光伏电站的应用中具备一定的竞争力。两种晶硅电池最大的差别是单晶硅的光电转化效率略高于多晶硅电池,也就是相同功率的电池组件,单晶硅电池组件的面积小于多晶硅电池组件的面积。两种电池组件的电性能、寿命等重要指标相差不大,若仅考虑技术性能,在工程实际应用过程中,无论单晶硅还是多晶硅电池都可以选用。非晶硅薄膜电池与晶硅电池相比,制造工艺相对简单、成本低、不需要高温过程、能源消耗少、单片面积大、组装简单、易于大规模生产等特点,其所占的市场份额组件增加。但目前相对效率较低、稳定性不佳,考虑到工程场址区的气候特点,同时由于非晶硅薄膜电池自身封装特点,其顶电极与背电极距离较近,在电池互联处容易发生电池
8、短路情况;另外针孔及电池材料的腐蚀或损坏的区域也可能会导致短路概率更大。在技术性能上考虑,非晶硅薄膜电池有一定的优势,但产品稳定性和适应性方面目前缺点相对明显,需要更多实际工程的检验。(3)太阳能电池类型的确定晶硅类电池与非晶硅类电池板相比,晶硅电池板效率高,技术成熟。本项目考虑到多晶硅电池板技术发展较快,国内外尚有较大规模应用的实例,发展前景看好,根据本工程的规模、场地条件及太阳辐射条件,经综合分析,本工程拟全部选用多晶硅电池组件。综上所述,本工程暂选用多晶硅太阳能电池组件。(4)太阳能电池组件规格的选择通过市场调查,国内主流厂商生产的多晶硅太阳能组件应用于大型并网光伏发电系统的,其规格大多
9、数为 240Wp、245Wp、255Wp。综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率,以及采购订货时的可选择余地,本工程初选多晶硅为255Wp的电池组件。表4-2 太阳能电池组件参数表项目单位数量峰值功率(Wp)Wp255开路电压(Voc)V37.82短路电流(Isc)A8.98工作电压(Vmp)V30.29工作电流(Imp)A8.42安装尺寸mm165099140mm重量Kg18.21.2光伏阵列单元基本型式的确定1.2.1 安装方式的确定太阳电池方阵的发电量与阳光入射强度有关,当光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大,随着入射角的改变,发电量会明显下降。太阳能跟踪装置可以将太阳能板在可用的8
10、小时或更长的时间内保持方阵平面与太阳入射光垂直,将太阳能最大程度的转化为电能。目前国内外一些太阳跟踪装置生产厂的产品大致可以分两种,一种为单轴跟踪,即东西方向转动跟踪太阳;另一种为双轴跟踪,即既有东西向跟踪,同时太阳能板倾角也随季节的不同而改变。一般来说,采用自动跟踪装置可提高发电量20%40%左右,从而相对降低投资10%20%。目前,国内光伏发电系统普遍采用的是非聚焦平板固定倾角阵列发电方式。因增加自动跟踪装置后,将增加占地面积,所以适合于荒漠区大型并网光伏电站和聚焦型光伏电站,而国内的配套政策支持力度不足,大型高压并网光伏电站项目较少,因此国内跟踪装置生产商的研发投入较少,目前还未实现产业
11、化生产,造成跟踪装置价格相对较贵,反过来又制约了跟踪装置在大型高压并网光伏电站上的使用。根据已建工程调研数据,若采用斜单轴跟踪方式,系统实际发电量可提高约18%,若采用双轴跟踪方式,系统实际发电量可提高约25%。在此条件下,以固定安装式为基准,对1MWp 光伏阵列采用三种运行方式比较如表5-3。表4-3 1MWp阵列各种运行方式比较表项目固定安装式水平单轴跟踪斜单轴跟踪双轴跟踪发电量增加百分比(%)100115120125占地面积(万m2)2.43.21.85.0直接投资增加百分比(%)100111114122运行维护工作量小有旋转机构,工作量较大有旋转机构,工作量大有旋转机构,工作量更大支撑
12、点多点支撑多点支撑多点支撑单点支撑抗大风能力迎风面积固定,抗风较差。风大时可将板面调平,抗风较好。风大时可将板面调平,抗风较好。风大时可将板面调平,抗风较好。由表中数据可见,固定式与自动跟踪式各有优缺点:固定式初始投资较低、且支架系统基本免维护;自动跟踪式初始投资较高、需要一定的维护,但发电量较倾角最优固定式相比有较大的提高,假如能很好的控制后期维护工作增加的成本,采用自动跟踪式运行的光伏电站单位电度发电成本将有所降低。若自动跟踪式支架单价能进一步降低,同时又较好解决阵列同步性及减少维护工作量,则自动跟踪式系统相较固定安装式系统将更有竞争力。经对固定式和跟踪式两种运行方式的初歩比较,考虑到本工
13、程规模较大,固定式初始投资较低、且支架系统基本免维护;自动跟踪式虽然能增加一定的发电量,但目前初始投资相对较高、而且后期运行过程中需要一定的维护,运行费用相对较高,另外电池阵列的同步性对机电控制和机械传动构件要求较高,自动跟踪式缺乏在场址区或相似特殊的气候环境下的实际应用的可靠性验证,在我国气候环境较复杂的山地地区大规模应用的工程也相对较少,同时国内技术成熟可靠稳定的跟踪系统生产厂家相对较少。因此,本工程推荐选用固定式运行方式。1.2.2 光伏发电方阵容量的选择采用光伏发电方阵布置方式,具有电池板布局整齐美观,厂区分区明确,设备编号和管理方便,运行和检修吹扫方便等优点。由于本工程建设规模较大,
14、拟以每1MWp容量电池板为一个方阵,共20个方阵,每个方阵相应设置一个315V逆变器室。单个光伏方阵容量为整个光伏电站1容量,单个光伏方阵故障或检修对整个光伏电站的运行影响较小。如每方阵电池板容量小于1MWp,则会增加低压配电装置、低压变压器和低压配电室数量,引起投资增加。如每方阵电池板容量按1MWp考虑,则1MWp容量固定安装电池板布置面积将达到约215150米,将配电室布置方阵中部,最长的低压直流电缆将达到150-200余米长,接近低压输电经济长度极限。故以每1MWp 容量电池板为一个方阵方案具有降低工程造价、便于运行管理、电池板布局整齐美观等优点。1.2.3 光伏方阵单元型式的确定根据建
15、站地区纬度,并网太阳能系统的太阳能板倾角按32度考虑。电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、开路电压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压的影响来分析:根据建站地区纬度,并网太阳能系统的太阳能板倾角按34度考虑。电池组件串联组数的确定主要依据其工作电压、开路电压、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压的影响来分析:在光伏方阵中,同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致,光伏组件串的串联数参照GB 50797-2012光伏发电站设计规范按下列公式计算: (6.1.2-1)(6.1.2-2)式中:光伏组件的开路电压温度系数;光伏组件的工作电压温度系数;N光伏组件的串联数(N取
16、整);光伏组件工作条件下的极限低温();光伏组件工作条件下的极限高温();逆变器允许的最大直流输入电压(V);逆变器MPPT电压最大值(V);逆变器MPPT电压最小值(V);光伏组件的开路电压(V);光伏组件的工作电压(V)。本项目初步选用500kW 容量的逆变器,其最大直流输入电压为DC1000V,电压跟踪范围为450V820V。结合项目地气象资料,项目地多年极端最高气温40,项目地多年极端最低气温-15,计算项目地组件串并联数如下:一、多晶255Wp组件式中:光伏组件的开路电压温度系数,取值-0.33%/;光伏组件的工作电压温度系数,采用组件开路电压温度系数值替代,取值-0.33%/;N光
17、伏组件的串联数(N取整);光伏组件工作条件下的极限低温(),取值-15;光伏组件工作条件下的极限高温(),取值40;逆变器允许的最大直流输入电压(V),取值1000V;逆变器MPPT电压最大值(V),取值850V;逆变器MPPT电压最小值(V),取值500V;光伏组件的开路电压(V),取值37.6V;光伏组件的工作电压(V),取值30.04V。由公式(6.1.2-1)计算得出:,即;再由公式(6.1.2-2)计算得出:因此,综合分析如选用多晶硅255Wp光伏组件,光伏组串数应取值在满足电气设备工作要求,同时为减小投资,项目拟采用20块为一串进行串联。根据电池组件的串联得出20MWp多晶硅方阵区
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