皇明教育基地20MW太阳能光电建筑一体化应用示范项目技术方案

皇明教育基地2.0MW太阳能光电建筑一体化应用示范项目

技术方案

1 项目概况 (3)

1.1项目基本情况 (3)

1.2 地理位置、资源概况 (3)

2 设计依据及说明 (3)

3 光伏发电原理简介及特点 (4)

3.1 太阳能利用概况 (4)

3.2 光伏发电原理 (4)

3.3 光伏系统发电的特点 (5)

4 总体设计方案 (5)

4.1 方案概述 (5)

4.2 太阳能光伏发电的利用方式 (7)

4.2.1 独立光伏发电方式 (7)

4.2.2 并网光伏发电方式 (7)

4.2.3 本工程发电模式 (8)

5 太阳能电池组件的安装结构设计 (9)

5.1 安装结构分类简介 (9)

5.2 太阳能光电建筑光伏与建筑的结构设计 (9)

5.3 皇明2.0MW并网光伏发电工程安装结构设计 (10)

5.4 光伏建筑一体化的意义 (11)

6 光伏阵列的设计 (11)

6.1 太阳电池组件朝向与倾角设计 (11)

6.2 遮挡设计 (12)

6.3 发电量计算 (13)

6.4 光伏组件串联数量的设计依据 (13)

7 太阳电池组件选型 (14)

8 光伏并网逆变器 (16)

9 光伏阵列汇流的设计 (16)

10、直流防雷配电柜 (17)

11 交流配电单元 (18)

12 线缆、桥架及光伏支架等 (18)

13 接入电网方案 (19)

14 数据采集、监控及通讯系统 (21)

15 系统防雷、接地设计 (21)

15.1 防雷设计 (21)

15.2 接地 (22)

1 项目概况

1.1项目基本情况

工程名称：皇明教育基地2.0MW太阳能光电建筑一体化应用示范项目

建设地点：德州市经济开发区太阳谷大道

工程规模：2.0MW并网光伏。

1.2 地理位置、资源概况

德州市位于北纬36°24'-38°0'、东经115°45'-117°24'之间，黄河下游北岸，山东省西北部。德州南临黄河与济南相望，北临京津冀，西通晋煤基地，东连胜利油田和渤海湾，是黄河经济带与环渤海经济圈的交汇点，华北地区和华东地区的结合部，有着“南北借力，东西逢源”的地缘优势。德州光照资源丰富，全市年均日照时2660小时，日照率为61%，累年光照辐射强度达到 5122MJ/m2年，处于全国、全省的较高值区。区

域内气侯祥和，年均气温13.1℃，平均无霜期208天。

此项目的建设既可展示中国在可再生能源开发利用领域的先进技术和绿色环保的

理念，又能充分体现工业区节能环保的特色。

2 设计依据及说明

国际标准与国外标准：

—《低压开关设备和控制器第1部分：总规则》（IEC 60947-1）

—《低电压开关和控制器控制器件接口(CDI) 第1部分：总规则》（IEC 62026-1）

国家标准：

—《电力工程电缆设计规范》（GB50212-2007）

—《电能质量公用电网谐波》（GB 14549-1993）

—《光伏系统并网技术要求》（GB/T 19939-2005）

—《通用用电设备配电设计规范》（GB50055-93）

—《污水综合排放标准》（GB8978-96）

—《环境空气质量标准》（GB3095-1996）

—《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）

—《建筑施工场界噪声限值》（GB12523-90）

—《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）

—《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）

—《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）

—《建筑物防雷设计规范》（GB50057－2000）

—《工业企业设计卫生标准》（GBZ 1-2002）

—《工业企业总平面设计规范》（GB50187-1993）

—《工业企业厂内铁路、道路运输安全规程》（GB4387-1994）

—《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）

—《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）

—《生产过程安全卫生要求总则》（GB12801-1991）

—《生产设备安全卫生设计总则》（GB5083-1999）

—《建筑太阳能光伏系统设计与安装》（10J908-5）

行业标准：

—《中华人民共和国环境保护法》（1989.12.26）

—《中华人民共和国环境影响评价法》（2002.10）

—《建设项目环境保护管理条例》（1998.11）

—《火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程》（DL5053-1996）

—《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》（JGJ203-2010）

3 光伏发电原理简介及特点

3.1 太阳能利用概况

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光伏发电技术。

3.2 光伏发电原理

太阳能光伏发电技术是通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

3.3 光伏系统发电的特点

- 没有转动部件，不产生噪音；

- 没有空气污染、不排放废水；

- 没有燃烧过程，不需要燃料；

- 维修保养简单，维护费用低；

- 运行可靠性、稳定性好；

- 根据需要很容易扩大发电规模。

4 总体设计方案

4.1 方案概述

皇明教育基地2.0MW并网光伏发电工程，并网系统通过升压变压器接入10KV电网。系统由太阳电池组件、太阳电池组件屋面安装钢架结构、并网逆变器、交（直）流配电设备、升压变压器、数据采集监控设备、线缆及桥架等组成。

一、本电站由五部分组成，总峰值功率为2,006,290 W。

1、大学城主体——————————1,789,470 W；

2、大学城光电遮阳————————19,800 W；

3、大学城会议中心————————137,520W；

4、大学城公寓—————————— 45,400 W；

5、大学城体育场————————— 14,100 W。

二、具体实施方案：

系统配备一台监控计算机、一台42英寸墙挂式彩色液晶屏，通过监控软件（监

控软件需为完全汉化的软件，全中文界面，除数据输入外，均可通过鼠标进行操作），可以实时显示系统运行状态、参数，并实现数据远传。

1、大学城主体：

大学城钢架面积共计20639m2，本方案每两排组件均设有参观通道及清扫通道。选用295W常规组件，尺寸1956×992mm，组件实际效率 15.2% 。组件朝向正南，每排18块组件，每两排组成一个方阵。单块组件之间空隙5mm，通道宽度900~1132mm。总峰值功率1,789,470W。

组件每18块一串，16串形成一组进入1台汇流箱。使用16进1出汇流箱6台，接入1个直流500kW的防雷配电柜，然后接入GTI-500并网逆变器。每2台GTI-500并网逆变器为一组，接入1000kW容量交流配电柜，后接三相升压变压器和高压开关柜接入10KV电网。

共需此系统两套。

2、大学城光电遮阳、大学城会议中心、大学城公寓、大学城体育场采用2.8/3.8/5/6kw 逆变器。

大学城光电遮阳：

用薄膜组件450块，尺寸1253mm×643mm×27mm峰值电压31V，开路电压40V，峰值功率44W ，峰值总功率19,800W。建筑共5层，每层90块薄膜组件，9块一串，5组并联，分两路接入一台5.0逆变器，共5台。

大学城会议中心：

1）、小贝壳组件尺寸为1580×808mm，峰值功率180W。两个小贝壳共需此组件358块，共64,440W；小贝壳组件每18块串联为一路，共18路，分两组接入逆变器；

2）、大贝壳组件尺寸为810×600mm，峰值功率为70W。需此组件1044块，共73,080W；大贝壳组件每37块串联为一路，共28路，分两组接入逆变器。

大学城公寓：

1）、2#、3#公寓共用普通组件740块，尺寸700mm×640mm×35mm，每块50W，峰值总功率37,000W；

2-6层安装光电遮阳，每层74块，分两组并联接入一台3.8逆变器，共5台；

2）、1#公寓用薄膜组件177块，尺寸1253mm×643mm×27mm峰值电压31V，开路电压40V，峰值功率44W ，峰值总功率7,788W。

1-5层安装光电遮阳，第一层1-5#窗串联，7-12#窗串联，接入一台2.8逆变器；第二至五层均为1-6#窗串联，7-12#窗串联。四层共接入一台6.0逆变器。

大学城体育场：

1）、巨型灯：

满天星组件108块，尺寸826×410×35，每块46W（18V），共4,968W；27块一串，每两串接入一台2.8逆变器，共两台；

2）、看台：

满天星组件71块，尺寸600mm×600mm，每块16W （2.5V），共1,136W；全串接入一台1.1逆变器；

3）、拉索灯：

普通组件360块，每块22W（17v），共7920W；每30块为一串，6串并联接入一台5.0逆变器，共两台。

4.2 太阳能光伏发电的利用方式

太阳能光伏发电通常有两种利用方式：一种是依靠蓄电池来进行能量的存储，即所谓的独立发电方式；另一种是不使用蓄电池，直接与公用电网并接，即并网方式。

4.2.1 独立光伏发电方式

独立发电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的

光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。

独立发电系统一般由太阳板、控制器、蓄电池、逆变器等组成。

独立系统一般也称为离网系统，多用在偏远地区、电网敷设较困难的地区，也用于太阳能路灯、草坪灯、监控摄像头等系统中作为独立电源使用。

独立光伏系统示意图

4.2.2 并网光伏发电方式

并网发电系统一般由太阳组件、并网逆变器等组成。通常还包括数据采集系统、数据交换、参数显示和监控设备等。

并网发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到公用电网中，无需蓄电池进行储能，相比较而言，并网发电较便宜，而且完全无污染。并网发电系统采用的并网逆变器拥有自动相位和电压跟踪装置，能够非常好的配合电网的微小相位和电压波动，不会对电网造成影响。目前国际上90%以上的太阳能系统采用并网发电，并网发电是太阳能发电系统的趋势所在。

并网光伏系统示意图

光伏发电并网模式的分类

光伏并网发电方式又分为低压配电侧和高压输电侧发电并网模式。

低压配电侧并网

（1）配电侧并网的光伏发电处在负荷中心，

可以起到消峰（Peak Shaving ）的作用，是“黄

金电力”；

（2）在配电网接入不超过15-20%的光伏发

电系统，不需要对电网进行任何改造，也不存在

电力送出（逆流）和电网能力的问题，对于电网

公司仅仅是负荷管理；

（3）配电侧并网的光伏发电的经济效益明

显，“自发自用”（Net Metering ）运行方式相当于电力公司以销售电价购买光伏电量; （4）光伏发电电力就地使用，减少了大量的传输、变电损耗。

高压输电侧并网

（1）在发电侧并网；

（2）电流是单方向的；

（3）不能自发自用，需要给出“上网电价”，电网公司以高电价收购PV 电量，用

户缴纳常规低价电费。 4.2.3 本工程发电模式

皇明教育基地2.0MW 并网光伏发电工程，并网系统通过升压变压器接入10KV 电

网。

a.该工程安装位置为办公类建筑，主要用电为白天，并且有市电网供电，适合采用

光伏并网发电；

b.光伏发电电量就地使用，减少了大量的传输、变电损耗；

c.合理设计光伏发电装机容量，就近并入建筑内低压电网，不需要对电网进行任何

改造，经济效益明显。

5 太阳能电池组件的安装结构设计

5.1 安装结构分类简介

目前推广应用的太阳能光伏发电工程项目中，太阳能电池板的安装方式有两种，一

每日办公楼耗电曲线

和太阳能光伏发电曲

种是地面安装式光伏发电系统，即在地面实施土建安装基础，然后将太阳能电池板的安装支架结构在地面基础上安装。另一种是太阳能光电建筑，即将光伏发电与建筑物相结合，在建筑物的外围结构表面上布设光伏器件产生电力，从而使“建筑物产生绿色能源”。

地面安装式光伏发电站

5.2 太阳能光电建筑光伏与建筑的结构设计

太阳能光电建筑光伏与建筑的结合有如下两种方式：

（1）一种是建筑与光伏系统相结合，把封装好的的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上（BAPV），组成光伏发电系统；

（2）另外一种是建筑与光伏器件相结合，是将光伏器件与建筑材料集成化，用光伏器件直接代替建筑材料，即光伏建筑一体化（BIPV），如将太阳光伏电池制作成光伏玻璃幕墙、太阳能电池瓦等，这样不仅可开发和应用新能源，还可与装饰美化合为一体，达到节能环保效果，是今后的发展光伏建筑一体化的趋势。

建筑集

成光伏

BIPV

5.3皇明教育基地2.0MW并网光伏发电工程安装结构设计

皇明教育基地2.0MW并网光伏发电工程，主体采用构件式结构安装，兼具遮阳屋顶功能。

1）光伏发电系统安装在建筑的屋面部分，形成建筑遮阳屋顶结构，布置光伏发电板时充分考虑其美观性。

2）光伏发电板按5°角铺设在屋面设置的钢结构支架（热镀锌处理），支架标高、位置、光电板布置范围详见光伏方阵平面布置图,光伏基座安装图，设计充分考虑其

安全性（抗风、抗震、防雷、排水等）。

光伏方阵平面布置示意图、光伏方阵安装剖面图详见附件。

光伏支架基座主梁采用50×3角钢与建筑钢结构可靠焊接，表面用环氧漆防腐处理，电池组件距楼顶屋面不小于3.5m，可满足抗风、抗震、防雷、排水等要求，同时兼具遮阳屋顶功能。

太阳组件安装固定支架强度计算采用剪切力方程、弯矩方程、力矩方程压力压强

计算公式。支架与组件之间的连接采用不锈钢螺栓连接，以风速30米/秒的（12级风）进行结构抗风设计。

支架强度受力分析如下图：

5.4 光伏建筑一体化的意义

太阳电池方阵采用与建筑结合结构安装，既解决发电装置用地要求，又不影响屋顶原有使用功能。

从建筑、技术和经济角度来看，光电建筑有以下诸多优点：

（1）可以有效地利用建筑物外表面，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；

（2）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网；

（3）能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。光伏并网发电系统在白天阳光照射时发电，该时段也是电网用电高峰期，从而舒缓高峰电力需求；

（4）光伏组件安装在建筑的屋顶上直接吸收太阳能，因此建筑集成光伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低了建筑物的温升；

（5）并网光伏发电系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，可增加建筑物综合品质。

6 光伏阵列的设计

光伏发电系统的光伏阵列设计需要考虑以下几点：

6.1 太阳电池组件朝向与倾角设计

6.1.1 不同朝向与倾角安装的太阳电池的发电量比较（见图示）:

假定向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量为100，则其它朝向全年发电量均有不同程度的减少，特别是北面基本不发电。

6.1.2 光伏组件安装方向应一致，朝向正南，有利于最大收集太阳辐射。

6.1.3 并网光伏发电太阳电池方阵的安装倾角应该是取全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度，根据当地的气象和地理资料,可以求出全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度即为方阵最佳倾角。

6.2 遮挡设计

6.2.1 应当避免遮挡：

对于晶体硅太阳电池组件，很小的遮挡就会引起很大

的功率损失，对于整个电站来说，如果过多组件有遮挡，

系统直流电压会大幅度衰降，造成实际发电量少。

6.2.2 太阳电池方阵遮挡间距计算：

按照国家标准公式计算间距：

当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高达建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。

一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00 太阳电池方阵不应被遮挡。

计算公式如下：

太阳高度角的公式：sinα = sinφ sinδ+cosφ cosδ cosW

太阳方位角的公式：sinβ = cosδ sinW/cosα

式中：φ为当地纬度；

δ为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.5度；

w为时角，上午9:00的时角为45度。

D = cosβ×L，L = H/tanα，α = arcsin (sinφ sinδ+cosφ cosδ cosW)。

6.2.2 皇明2.0MW并网光伏发电工程按照与建筑结合等因素招标要求，光伏阵列的布置充分考虑周边建筑物可能造成的遮挡因素，按照建筑物遮挡间距计算设计排布。6.3 发电量计算

根据国家气象统计资料，结合德州市历史太阳辐射量数据，估算本工程发电量约为232万度。

计算过程为：

根据已知方阵容量,求出方阵输出电流,再根据安装倾角时方阵面上各个月份所接收到的太阳辐射量,利用方阵各月发电量公式:

Q g = N ·I· H t·η1·η2

式中：N为当月天数，H t为该月太阳辐照量。η1为从方阵直流输入效率，包括方阵面上的灰尘遮蔽损失、性能失配及老化、防反充二极管及线路损耗等。

η2为交流回路效率，包括逆变器的效率及线路损耗等。

即可得到各个月份系统的发电量。

将12个月份的发电量相加,就是全年并网光伏系统的发电量。

6.4 光伏组件串联数量的设计依据

逆变器在并网发电时，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便光伏阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出。

在设计光伏组件串联数量时，应注意以下几点：

1）接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。

2）需考虑光伏组件的最佳工作电压（Vmp）和开路电压（Voc）的温度系数，串联后的光伏阵列的Vmp 应在逆变器MPPT范围内，Voc应低于逆变器输入电压的最大值。

太阳电池结温和日照强度对太阳电池输出特性的影响，如下图所示：

不同温度下的I-V 和P-V 特性曲线

不同日照量下的I-V 和P-V 特性曲线

组件串联数量计算方法如下：

串联数最小值n1=V1/Vmp，使用进一法进行取整，V1 为推荐MPPT 范围的下限值；串联数最大值n2=V2/Voc，使用舍去法进行取整，V2 为推荐Uoc 范围的上限值。

其中：Vmp 和Voc 为在STC 条件下（STC: lrradiance 1000W/m2, Module temperature 25℃, AM=1.5）的太阳电池组件数据。

3）本工程太阳电池组件分别选择HG295型高效晶体硅电池组件，光伏并网逆变器选择株洲南车时代电气股份有限公司生产制造的GTI-500型4台集中型并网逆变器。

光伏电池组件在标准测试条件下峰值电压36.9V，开路电压44.9V。并网逆变器直流工作电压范围为450V～880V。太阳能光伏电池组件串联的组件数量Ns=880/44.9≈19.6，因此，选择18块串联是合适的。

7 太阳电池组件选型

按照招标文件要求，本工程选用HG295晶体硅电池组件产品，组件效率高于15％。光伏组件正常条件下使用寿命不低于25年，在10年使用期限内输出功率不低于90%的标准功率，在20年使用期限内输出功率不低于80%的标准功率。

目前我公司开发研制的HG系列太阳电池组件，主要应用在光伏工程、节能建筑、通讯、电力电子、太阳能灯具等领域。

产品结构：

标准晶体硅太阳电池组件采用的封装结构为：由低铁钢化玻璃一EVA一太阳电池一EVA一TPT层叠封装后，再组装铝合金边框和接线盒。

产品特点：

●按国际电工委员会IEC61215：1993标准进行设计，并经过充分的试验论证，确保组

件的质量、电性能和寿命要求；

●组件的标称工作电压和标称输出功率可按不同的要求设计，满足不同用户的需求；

●采用绒面低铁钢化玻璃 (又称为白玻璃)，厚度3.2mm, 透光率达89％以上，电池组

件整体有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中发生的冲击、震动和其他应力，并具有优良的防腐、防风、防水和防雹能力；

●采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的优质EVA（乙烯－醋酸乙烯共聚物）膜层

作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有高透光率（胶膜固化后透光率≥89.5％）和抗老化能力；

●TPT（聚氟乙烯复合膜）：用于太阳电池组件封装的TPT至少应该有三层结构：外层

保护层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚脂薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF需经表面处理和EVA具有良好的粘接性能。电池组件的绝缘强度大于

100MΩ；

●专用太阳能电池组件优质密封硅胶，增加组件的绝缘性能和防止湿气进入组件，保

证组件寿命；

●组件在-40℃的低温下和85℃的高温下可正常工作；产品使用寿命长：≥25年，功

率衰减小；

●密封防水多功能接线盒，防护等级达到IP65，内装旁路二极管，有效防止热斑效

应造成的电池烧毁等质量事故；

●阳极氧化铝边框和出厂所携带的接线盒确保安装简便快捷。

详细参数如下：

规格型号HG295

开路电压

Voc(V)

44.9

最大工作电压

Vmp(V)

36.9

短路电流

Isc(A)

8.49

最大工作电流

Imp(A)

7.99

最大功率

Pmp(W)

295

组件实际效率

ηc(%)

15.20%

电池片数量及

连接

72（12×6）

最大系统电压

(V)

1000VDC

外形尺寸(mm) 1956×992×50

重量(kg) 24.2

8 光伏并网逆变器

本工程光伏并网逆变器选择株洲南车时代电气股份有限公司生产制造的GTI-500型4台集中型并网逆变器。

9 光伏阵列汇流的设计

为了减少直流侧电缆的接线数量，提高系统的发电效率，需要设计光伏阵列汇流装置，该装置就是将一定数量的电池串列汇流成1 路直流输出。

本公司根据光伏系统的特点，设计了光伏阵列汇流箱，该汇流箱的每路电池串列输入回路配置了耐压为1000V 的高压熔丝和光伏专用防雷器，并可实现直流输出手动分断功能。

主要性能：直流防雷汇流箱的工作模式为16进1出，即把相同规格的16路电池串列输入经汇流后输出1路直流。

该汇流箱具有以下特点：

1、防护等级IP65，防水、防灰、防锈、防晒、防盐雾，满足室外安

装的要求；

2、可同时接入16路电池串列，每路电池串列的允许最大电流16A；

3、每路接入电池串列的开路电压值可达1000V；

4、每路电池串列的正负极都配有光伏专用中压直流熔丝进行保护，

其耐压值为DC1000V；