引言

在能源消耗和碳排放"大戶"的建筑領(lǐng)域,在雙碳戰(zhàn)略背景下,以數(shù)字化、智能化為主的新型智慧配電系統(tǒng),以消納新能源為主的微電網(wǎng)、局域網(wǎng),是加速建筑碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要舉措?；诖?研究構(gòu)建既有建筑物光伏微電網(wǎng)系統(tǒng),并提出直流配電及分布式電源的應(yīng)用問(wèn)題。太陽(yáng)能作為清潔可再生能源,廣泛存在于各地,光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的重要途徑,往往以大面積的光伏電站、民用的小型屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn),大面積光伏發(fā)電站存在并網(wǎng)、輸送電的困難,民用小型屋面光伏發(fā)電存在供電穩(wěn)定性、可靠性不足的問(wèn)題,這些問(wèn)題都體現(xiàn)了太陽(yáng)能整體利用率不高的現(xiàn)狀。而光伏微電網(wǎng)系統(tǒng),結(jié)合建筑內(nèi)的某個(gè)小型配電系統(tǒng)形成以光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能、直流配電、柔性供電為核心的微電網(wǎng)系統(tǒng),能夠有效提高太陽(yáng)能的利用率,解決光伏發(fā)電供電可靠性和穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。

1項(xiàng)目概述

某辦公樓為框架、剪力墻結(jié)構(gòu),陶?；炷量招钠鰤K填充墻,層高均為3.5m,建筑高度55.9m,總建筑面積24500m2。

該辦公樓地下1層,地上14層,其中第14層為局部建筑,功能為多功能大廳。辦公樓目前照明系統(tǒng)以T5熒光燈為主,由于照明使用頻率較高,鎮(zhèn)流器頻繁燒壞,燈管經(jīng)常更換,擬對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造,現(xiàn)對(duì)全樓照明燈具統(tǒng)計(jì)如表1所示。

此辦公樓照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造的主要內(nèi)容有:照明燈具更換為直流1ED燈管,交流配電線路更換為直流配電線路,新增直流配電箱和分布式儲(chǔ)能電池,新增屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等。

2光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)框架搭建

微電網(wǎng)屬于一種將分布式電源和負(fù)荷進(jìn)行儲(chǔ)能,將監(jiān)控防護(hù)裝置有效聚合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以有效提高整個(gè)光伏發(fā)電的質(zhì)量及可靠性。本工程為既有建筑提升改造,擬采用直流系統(tǒng)為辦公樓照明負(fù)荷供電,與建筑新增光伏發(fā)電單元、分布式電源形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng),構(gòu)建圖1所示框架圖。

該系統(tǒng)用電負(fù)載是直流負(fù)載,有光照時(shí),組件將光能轉(zhuǎn)換為電能供負(fù)載使用,并同時(shí)向蓄電池充電:夜間或者陰雨天,則由蓄電池或電網(wǎng)向負(fù)載供電,優(yōu)先選擇蓄電池,當(dāng)蓄電池電量不足時(shí),通過(guò)雙電源切換裝置切換至電網(wǎng)向負(fù)載供電。

3微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1光伏方陣的串并聯(lián)設(shè)計(jì)

本工程辦公樓總裝機(jī)容量為69.12wp,采用單晶硅屋頂固定支架方陣。

本工程選用的逆變器容量為40kw兩臺(tái),最大陣列開(kāi)路電壓為1000V,最大功率點(diǎn)跟蹤(MppT)電壓范圍300~850V,假定每一個(gè)光伏方陣的串聯(lián)組件數(shù)為N。

3.1.1光伏方陣的串聯(lián)設(shè)計(jì)

電池組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算,根據(jù)文獻(xiàn)GB50797一2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》,計(jì)算公式如下:

式中:N為電池組件串聯(lián)數(shù):Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓:Vmpptmin為逆變器輸MppT最小電壓:Vmpptmax為逆變器輸MppT最大電壓:Voc為光伏組件開(kāi)路電壓:Vpm為光伏組件工作電壓:KV為光伏組件的開(kāi)路電壓溫度系數(shù):K'V為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù):芒為光伏組件工作條件下的極限低溫:芒'為光伏組件工作條件下的極限高溫。

綜合考慮組件方陣布置情況及逆變器的選型,本工程的光伏組件均采用16塊組成一個(gè)串聯(lián)。

3.1.2光伏方陣的并聯(lián)設(shè)計(jì)

光伏方陣的并聯(lián)數(shù)量根據(jù)逆變器容量大小來(lái)定,本工程選用單晶硅組件峰值功率為540wp,則每臺(tái)40kw逆變器采用每串16塊540wp單晶硅組件,單個(gè)逆變器安裝64塊光伏組件,共接入1個(gè)逆變器所安裝的光伏組件為4串。

3.2光伏子方陣的間距及傾角計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)中7.2.2條規(guī)定,光伏組件排或列的間距應(yīng)保證每天09:00一15:00時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋,此為計(jì)算光伏組件間距的基本依據(jù)。

計(jì)算當(dāng)光伏方陣前后安裝時(shí)的最小間距D,如圖2所示。

計(jì)算公式如下:

太陽(yáng)高度角的公式:

太陽(yáng)方位角的公式:

式中:o為當(dāng)?shù)鼐暥葹?9.82:6為太陽(yáng)赤緯,冬至日的太陽(yáng)赤緯為-23.52:o為時(shí)角,上午09:00的時(shí)角為-452。

式中:H為方陣前排最高點(diǎn)與后排組件最低位置的高度差。

本工程的光伏組件沿混凝土屋面采用固定支架安裝,根據(jù)表2光伏陣列最佳傾角參考值可知,本工程光伏組件安裝傾角43.82,組件之間安裝間距按上式計(jì)算可得D=4454mm。但在進(jìn)行光伏組件的布置時(shí)要避開(kāi)女兒墻的陰影,并避開(kāi)采光帶等構(gòu)筑物,方陣與女兒墻及采光帶留出1500~2000mm檢修通道。

3.3直流配電電壓的選擇

根據(jù)T/CEC107一2016《直流配電電壓》,直流可選擇電壓如表3所示。

建筑內(nèi)照明供電系統(tǒng)一般為AC220V供電,供電容量一般不超2kw。建筑內(nèi)常規(guī)照明AC220V供電系統(tǒng)改為直流供電,可優(yōu)選DC48V和DC220V,其中DC48V供電電壓為安全電壓,但是供電半徑比較短,無(wú)法滿足走廊、樓梯間等較長(zhǎng)距離的照明供電,而DC220V供電電壓雖不是安全電壓,但是跟常規(guī)AC220V供電電壓吻合,不存在供電半徑無(wú)法覆蓋的問(wèn)題。為進(jìn)一步確定該辦公樓照明系統(tǒng)的供電電壓,分別針對(duì)不同供電電壓下各種供電導(dǎo)線截面不同的情況,計(jì)算供電容量的極限和供電半徑的覆蓋范圍。

式中:p為電阻系數(shù),取0.0184Q·mm2/m:1為導(dǎo)線長(zhǎng)度(m):P為回路容量(kw):s為導(dǎo)線計(jì)算截面(mm2):UDC為回路供電電壓(V)。

忽略變電所至樓層配電干線壓降,僅考慮末端配電線路壓降不超過(guò)5%,通過(guò)計(jì)算,DC48V和DC220V照明供電容量和供電半徑對(duì)比如表4所示。

從表4可知,選擇DC48V安全供電電壓需增加供電導(dǎo)線截面解決供電半徑不足的問(wèn)題,不是很經(jīng)濟(jì)?？紤]到常規(guī)AC220V雖然為非安全電壓,但也作為照明供電電壓的優(yōu)選電壓經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐運(yùn)行證實(shí)其安全可靠,直流配電電壓亦可選擇DC220V,同時(shí)可通過(guò)加強(qiáng)絕緣、接地保護(hù)等間接接觸防護(hù)措施保證用電的安全性。

本工程辦公樓綜合考慮選擇DC220V為辦公樓照明供電。

3.4儲(chǔ)能電池的容量

本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng),儲(chǔ)能電池的容量按下式計(jì)算:

式中:Cc為儲(chǔ)能電池容量(kw·h):D為最長(zhǎng)無(wú)日照期間用電時(shí)數(shù)(h):F為儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)(通常為1.05):P0為平均負(fù)荷容量(kw):U為儲(chǔ)能電池的放電深度(0.5~0.8):Ka為包括逆變器等交流回路的損耗率(通常為0.7~0.8)。

在本項(xiàng)目中,考慮最多1天的陰雨是合適的,所以此處蓄電池的容量應(yīng)為4410kw·h。

蓄電池電壓需匹配電網(wǎng)電壓,即為220V,則蓄電池容量為20045Ah,取整20800Ah。每串蓄電池組由110塊2V蓄電池組成,26串并聯(lián),共計(jì)2860塊2V蓄電池。本項(xiàng)目共地下1層、地上14層,26串蓄電池組分5組,其中-1F~2F設(shè)置6串并聯(lián),共660塊電池組:3F~5F設(shè)置5串并聯(lián),共550塊電池組:6F~8F設(shè)置5串并聯(lián),共550塊電池組:9F~11F設(shè)置5串并聯(lián),共550塊電池組:12F~14F設(shè)置5串并聯(lián),共550塊電池組,從而構(gòu)成分布式電源。

4年發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn),光伏發(fā)電量計(jì)算如下:

式中:Ep為上網(wǎng)發(fā)電量(kw·h):HA為水平面太陽(yáng)能總輻射量(kw·h/m2,峰值小時(shí)數(shù)):Es為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1kw·h/m2):PAZ為組件安裝容量(kwp):K為綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)K包括:光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。本工程系統(tǒng)綜合效率系數(shù)取值82.5%。

按照Meteonorm太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù),辦公樓屋頂水平面太陽(yáng)總輻射年平均值為1391kw·h/m2。根據(jù)光伏組件電池組件25年衰減率,按照分段線性衰減,第1年衰減2%,第2年至第25年,年平均年衰減率0.45%,按此計(jì)算得出25年分年發(fā)電量,考慮組件衰減性,第一年發(fā)電量理論計(jì)算值為8.5萬(wàn)kw·h,比年平均上網(wǎng)電量高出5.2%。25年總計(jì)發(fā)電量為201.41萬(wàn)kw·h,平均每年發(fā)電量為8.06萬(wàn)kw·h,平均每天發(fā)電量為221kw·h[5]。25年分年發(fā)電量如表5所示。

5結(jié)語(yǔ)

辦公樓照明系統(tǒng)原有熒光燈、節(jié)能燈等安裝容量145kw,年耗電量約36萬(wàn)kw·h,本辦公樓用電為商業(yè)用電每度電1.1元,考慮燈管更換等運(yùn)行費(fèi)用,原照明系統(tǒng)年消耗成本約43.56萬(wàn)元。光伏微電網(wǎng)安裝后,考慮安裝施工等費(fèi)用,投資回收期3~4年,且每年可節(jié)約標(biāo)煤44.28t,同時(shí)每年可減少97.92t碳粉塵、358.9t二氧化碳、10.8t二氧化硫、5.4t氨氧化物污染排放。

因此,在既有建筑改造形成光伏微電網(wǎng)系統(tǒng),既能解決既有建筑系統(tǒng)供電可靠性問(wèn)題,節(jié)約成本,又符合國(guó)家節(jié)能降碳的雙碳政策,同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性、可操作性,因此,既有建筑改造光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)值得推廣。