建筑光伏系统节能计算与应用安全性分析

建筑光伏系统节能计算与应用安全性分析

张  卓

（  中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁省沈阳市 110179 )

【摘要】目前，光伏建筑一体化BIPV是应用太阳能发电的一种新概念，光伏矩阵与建筑结合不占用额外空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式。为实现降碳节能目标，鼓励员工电车通勤，中国水利水电第六工程局有限公司引进华为数字能源管理平台，通过合理规划光伏效能，采用“自发自用”运营模式，构建"源网荷储"零碳示范园区，实现新能源高效利用、负荷合理分配及储能的灵活调度。

【关键词】光伏建筑一体化；降碳节能；自发自用；示范园区；灵活调度

引言

随着新能源不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，光伏建筑一体化越来越成为太阳能应用发电的新潮流。中水六局总部办公楼年均用电量1226MWh，用电需求高，节能缺口大。通过合理利用屋顶、车棚等闲置空间，安置光伏矩阵，应用华为数字能源管理平台—智慧能源系统，实现微电网的灵活调度，预计可节约5%能耗。本文从光伏场地规划、发电效率计算、电网安全性评估三部分论述，通过建筑光伏系统效率计算分析，与实际消纳能力对比核算，评估BIPV“自发自用”模式的安全性。

1项目概况

“零碳示范园区”光伏项目建设厂址位于辽宁省沈阳市浑南区智慧二街，距沈阳市中心13.75km。工程由办公楼东侧两座光伏车棚、南侧坡面光伏场、主楼屋顶光伏场及充电桩、储能装置、微风系统等部分构成。其中，光伏直流系统装机容量232.65kWp，采用330块705Wp规格N型单晶硅双玻组件；规划4台40kW直流充电桩，1套215kWh微型储能系统；1台600W微风系统。工程可研报告分析，该项目建成后预计每年可为电网提供清洁电能401.37MWh。按照火电煤耗每度电耗标准煤302g，投运后预计每年可节约标准煤约121.21t。  

2前期可研阶段光伏组件选型与场地规划

2.1 光伏矩阵场地规划

根据气象资料分析，场址区太阳总辐射高达1435.4kWh/m²，折合 5167.44MJ/m²。根据GB/T37526-2019《太阳能资源评估方法》中分级评估方法，该区域太阳能资源丰富程度属B类区，即“资源很丰富”，具备规模化发展光伏发电的资源条件。

根据现场实地勘测确定办公楼南坡（9.5m×90m）、东侧停车场（南7.5m×50m，北7.5m×44m）、办公楼主楼顶部（8.4m×36m）为光伏矩阵最佳布设位置。

表2-1 园区光伏分布区有效利用面积经验系数统计表

2.2光伏场组件的选型

光伏发电量估算公式：

发电量(kWh)=光伏板面积(m²)*光照强度(kW/m²)*光照时间(h)*光伏板效率(%)

年发电量EL=（513+262.5+231+211.68）×1435.4×23%=402.17MWh

其中，23%为规模化量产商品单晶硅太阳能电池理想效率值；1435.4kW/m²为沈阳市浑南区年累计日照强度。预计年发电量与可研报告结果401.37MWh基本一致。组件材料优先选择效率值较高的PM-3型单晶硅发电组件，根据市场调研比选确定为705Wp规格N型单晶硅双玻组件，根据可利用空间面积预计使用506块，光伏直流系统装机容量达到356.33kWp（含0.6kW微型风机容量）。

3实际发电效率计算

   3.1光伏场实际有效面积及分布

经现场实地放样测量，综合考虑避让地下管线、承重梁结构遮挡、屋面承载力、采光条件等因素，工程应用光伏组件总面积1035m2，发电容量达232.65kW。

表3-1零碳示范园区光伏组件分布情况统计表

3.2光伏场发电有效时长统计

根据可研报告中气象数据，辽宁省沈阳浑南区年日照时数能达到2468小时。

表3-2

零碳示范园区各部位采光辐照量统计表

3.3实际发电量计算分析

实际年发电量：Ep=HA×PAZ/ES×η

式中： Ep —上网发电量（kWh）；

HA —阵列表面太阳能总辐射量（kWh/m²）；

PAZ —组件安装容量（kWp）；

Es —标准条件下的辐照度（常数=1kW/m²）；

η —系统效率，依据可研数据固定式组件首年系统效率为 81.04%，之后每年衰减 0.4%，设计寿命25年，实际平均效率77%。

Ep=（1572×362.88+1430×113.976+1295×262.64+1362×295.47）/1035×232.65/1×77%=255.4678MWh＜EL=401.37MWh

调整后年发电量减少146MWh，为原可研预计年度总发电量的63.65%。

4电网安全性评估

4.1消纳分析

新能源发电系统所发电量消纳方式为自发自用。根据园区所提供负荷情况，园区年用电量约为1226MWh，通过对可研报告中园区典型日负荷曲线进行分析，得出结论：

休息日情况下，根据实测园区典型日24小时正点负荷情况，通过对比，在全天光伏发电时段，自用电量约占日发电量的85%；工作日情况下，自用电量约占日发电量的100%；综合全年休息日与工作日占比约为2：5，通过加权平均后得出园区自消纳比例约为95.7%，考虑实测数据可能存在波动与偏差，自消纳比例设计值取95%。

4.2技术指标安全性预评估

4.2.1 线路保护措施

采用正泰NM2LC/M 光伏专用断路器具备失压跳闸、过压跳闸及有压合闸功能，失压跳闸定值宜整定30%UN、10 秒，过压跳闸定值整定135%UN，检有压定值整定大于85%UN，具备剩余电流保护功能和反映故障及运行状态辅助接点。

4.2.2防孤岛、浪涌措施

储能、并网柜、逆变器自带防孤岛装置，接入容量均超过本台区配变额定容量25%，配变低压侧刀熔总开关为低压总开关，并在配变低压母线处装设防孤岛装置；低压总开关与防孤岛装置间具备操作闭锁功能，母线间有联络时，联络开关也与反孤岛装置间具备操作闭锁功能。逆变器具备快速监测孤岛且监测到孤岛后立即断开与电网连接的能力。浪涌采用正泰NXU-IIG 40KA/385V 4P型保护器，其技术性能满足设计要求。

4.2.3系统防逆流措施

本工程为“自发自用”模式，需配置防逆流装置。使用防逆流设备，设有零序电流保护，保护可选择动作于跳闸或告警，投退控制可整定为：退出、投入，动作方式可整定为：告警、跳闸。设有自动有压合闸功能。

4.2.4综合安全性评价

接入点容量小于400kW接入企业原有电网，并网点位置开关容量及上一级电缆等均符合设计要求。电缆进入各建筑物，逆变器、配电柜及汇流箱的电缆孔洞采用防火堵料进行封堵，通讯线采用屏蔽双绞线。设置并网电能表、关口计量电能表，电能表精度要求不低于1.0级，具备双向有功和四象限无功计量功能、事件记录功能；配有标准通信接口，具备本地通信和通过电能信息采集终端远程通信的功能，分别接入电网、光伏发电管理部门电能信息采集系统。内部电网通过智慧能源系统科学调度，精准调节，有效防控过压、过流等电网异常问题。调整后实际发电功率占可研数据的63.65%.，在同等级安全性能设计基础上，电网峰值波动更小，负载安全性更高。

4.结束语

工程通过应用智能云控制平台系统，实现风、光、储及常规供电系统一体化综合调度，采用“自用自发”运行模式，通过防逆流装置，消除电流外溢对外部公共电网造成冲击的隐患；通过防浪涌、防孤岛等保护装置，提高局部微电网系统新能源使用安全性。经计算验证，该发电系统安全性满足设计要求和功能需求，是“光伏建筑一体化（BIPV）”概念实践应用的一次成功尝试。按照实际发电效率校正计算，以供电标煤煤耗302g/kWh计，预计投运后每年可节约标准煤约77.15t，每年可减少CO2排放量约201.81t，SO2排放量约1.46t，氮氧化物排放量约2.2t。  

参考文献

[1]国家标准化管理委员会.GB/T37526-2019,太阳能资源评估方法[S].北京：中国标准出版社,2019

[2]国家标准化管理委员会.GB/T39857-2021,光伏发电效率技术规范[S].北京：中国标准出版社,2021

[3]程春辉.住宅建筑光伏设计实践[J].智能建筑电气技术, 2024, 18 (04): 82-86+110.

[4]杨志银.新能源发电“自发自用、禁止余电上网”模式下的防逆流安全自动控制装置的应用研究[J]. 太阳能, 2021, (01): 78-84.

[5]白泽,刘灏,毕天姝. 基于图注意力网络的配电网分布式光伏实时消纳能力评估方法 [J].电力自动化设备, 2024, (12): 92-99.