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新万博绿色轨交三|上海轨道交通分布式光伏的

来源:未知 作者:admin 日期:2019-01-12 22:11

  阐述了现阶段光伏产业的发展现状以及国家和上海市对于太阳能光伏相关扶持政策。将太阳能光伏发电系统和城市轨道交通建设结合起来,利用太阳能向城市轨道交通工程提供电源,不仅在节约能源方面意义重大,而且具有显著的经济效益、社会效益及环保效益。上海轨道交通未来3年内拟利用既有11个车辆基地屋顶实施25.68MWp光伏项目,未来新建线路车辆基地预计亦可用于新建光伏发电系统,远期保有量将达到50MW。

  作为最有发展潜力的新能源,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然能源,是满足可持续发展需求的理想能源之一。新万博目前,我国光伏产业已经开始走上了自主研发新技术的道路,且颇有成效,太阳能光伏发电技术已经成熟、可靠、实用,其使用寿命已经达到25~30年。光伏发电成为战略替代能源电力技术,大力开发太阳能等可再生能源利用技术是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。

  目前全球主要光伏市场需求前三名分别为中国第一,美国第二,日本第三。中国新装装机已连续5年位居全球首位,累计装机也连续3年位居全球第一。2017年新增装机中,分布式光伏新增19.44GW,同比增长3.7倍。

  随着光伏产量的逐年提高和国内政策的拉动,国内光伏市场迅速扩大,中国光伏产业的出口比例逐年减小,国内份额逐年扩大,国内光伏产业的发展态势良好。同时,光伏电池技术创新能力大幅提升,创造了晶硅等新型电池技术转换效率的世界纪录。技术及生产规模扩大使“十二五”时期光伏组件价格下降了60%,显著提高了光伏发电的经济性。

  太阳能光伏的蓬勃发展,受益于国家对太阳能光伏的发展规划和扶持政策。根据《可再生能源中长期发展规划》到2050年我国力争使太阳能发电装机容量达到600GW(百万千瓦),将占全国电力装机的25%。未来十几年,我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

  同时国家“十三五”能源规划中提到:“在2020年实现光伏发电累计装机容量达到1.1亿kW的发展指标,其中地面电站4500万kW,分布式光伏7000万kW。利用固定建筑物屋顶、墙面及附属场所建设的光伏发电项目及全部自发自用的地面光伏电站项目不限建设规模。”

  《上海市能源发展“十三五”规划》指出,“十三五”期间,大力发展分布式光伏,重点依托工商业建筑、公共建筑屋顶、产业园区实施分布式光伏发电工程等,新增装机50万kW,总装机达到80万kW。截至2017年底,上海光伏发电新增建设规模248.46MW,完成“十三五”计划发展的49.7%。

  根据国家发改委发布的2018年光伏电站补最新贴价格标准,“自发自用、余电上网”的分布式光伏发电实行全电量补贴:电价补贴标准为每千瓦0.32元(含税),期限原则上为20年。通过可再生能源发展基金予以支付,由电网企业转付。其中,分布式光伏系统发电系统自用有余上网的电量,由电网企业按照当地燃煤机组标杆上网电价收购。

  国家根据光伏发电发展规模、发电成本变化情况等因素,逐步调减光伏电站标杆上网电价和分布式光伏发电电价补贴标准,以促进科技进步,降低成本,提高光伏发电市场竞争力。

  近年来上海市太阳能光伏项目在国家和地方扶持政策下蓬勃发展,“十二五”期间,全市共建设光伏项目67项,累计建设光伏规模为357.35MW。未来在“十三五”期间,规划新增装机50万kW,推进太阳能热利用,鼓励通过多能互补等形式提高能源综合利用水平。将上海市可再生能源发电装机比重从4.7%提升到10%左右。

  上海市政府为支持本市可再生能源和新能源的发展,于2016年发布《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》,办法中明确提到:对于光伏项目,根据实际发电量对项目投资主体给予奖励,奖励时间为5年。对于分布式(自发自用、余电上网,包含个人光伏发电)光伏工商业用户奖励0.25元/kWh;光伏电站(全额上网)项目奖励0.3元/kWh。

  无论在宏观政策还是具体扶持政策方面,国家和上海市政府均对光伏发电项目,特别是分布式光伏发电项目予以高度支持,具体表现为补贴程度高且不受计划指标的限制。太阳能光伏项目属国家可再生能源项目中鼓励类项目,大力发展太阳能光伏系统不仅达到了节能的效果,同时打破了“节能不节钱”的瓶颈,充分体现上海轨道交通的创造性、先进性和表率性。

  通过太阳能光伏发电与轨道交通相结合的综合利用项目,在取得最佳节能效果的同时实现技术经济性能价格比最优,保证上海城市轨道交通节能降耗工作的实效性和长效型。

  上海轨道交通网络规模已开通运营线亿kWh。同时每条轨道交通线路均设有若干停车场、车辆段和控制中心,拥有大体量的车辆基地建筑屋顶,为大规模安装太阳能光伏系统提供了场所。车辆基地周围高层建筑物较少,光伏组件被遮挡的可能性较小,光伏系统的发电性能可以得到保证,光伏系统应用条件极佳。此外,上海轨道交通供电系统自成体系,负荷稳定,特征明显,其负荷曲线基本与太阳能发电曲线一致,为消纳太阳能光伏电能提供了良好的条件。同时轨道交通耗电量巨大,太阳能光伏接入轨道交通供电系统,能作为其应急电源,提高供电可靠性和供电安全光伏发电可充分利用既有的车辆基地场地资源,为上海轨道交通本身乃至社会提供清洁电能。

  开发利用太阳能是落实轨道交通“节能减排”战略目标的具体体现。同时,太阳能光伏项目属国家可再生能源项目中鼓励类项目,符合国家能源产业政策,具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。

  最大限度利用屋顶面积进行光伏发电,满足轨道交通用电负荷的需要,保证可再生能源发电与城市建设协调发展。结构周边电网现状情况,可通过规划设计,使供电质量、可靠性及节能效果达到国内先进水平。合理选用系统配置,减少资源浪费,提高投资回报率,总体方案水平达到最佳。

  进行太阳能光伏发电系统的总体方案设计时,需要了解以下诸方面的基本设计条件。

  (1)太阳能光伏发电系统的使用地理位置,即光伏系统现场的地理位置。包括地点、纬度、经度和海拔;该地区的气象资料,如逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量以及散射辐射量,年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况等。查明站址的地形地貌特征、结构和主要地层的分布及物理力学性质、地下水条件等。

  (2)确定安装太阳电池阵列的场所和面积。在既有建筑物上增设光伏发电系统,必须进行建筑物结构和电气的安全复核,满足建筑结构及电气的安全性要求。在此基础上,估算光伏系统可以设计的最大容量,也即是确定可以安放最大太阳电池组件的数量。了解太阳电池组件可能的安装朝向、倾斜角和阴影遮挡状况;是否需要采取防雷措施等。

  (3)光伏发电系统供电的用电负荷状况。了解用电负载的功率、工作电压、每天用电时间、特性(电阻性、电感性、电子性)、用电保证率要求,以进行用电需求分析,合理选用系统配置,使总体设计达到最佳水平。

  (4)光伏发电系统类型的选择。判断选择采用独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统、抑或混合型光伏发电系统,进行系统硬件设计。光伏发电系统的设备选型,即光伏系统中的所有设备和部件应符合现行国家和行业相关产品标准的规定,主要设备应通过国家批准的认证机构的产品认证。

  (5)太阳电池组件的类型选择。根据投资预算来选用非晶硅太阳电池组件还是单晶硅太阳电池组件或者是多晶硅太阳电池组件。确定光伏发电系统的诸多性能和容量设计等。

  (6)所在城市公共电网的供电规格供电状况,以确定光伏发电系统发电输出的规格(并网点、电压、频率)。如果城市公共电网经常停电的地方,不宜采用单纯的并网光伏发电系统。接入公用电网的光伏发电系统应安装经当地质量技术监管机构认可的电能计量装置,并经校验合格后方能投入使用。

  太阳能光伏发电系统包括太阳电池组件、逆变器、汇流箱、支架/夹具,直流/交流电缆和监测系统等。各相关设备如图1所示。

  (1)光伏组件。光伏组件是光伏发电系统的核心构成部分,组件的发电效率和寿命关系着电站建成后的收益,价格也占系统总价的50%以上。在长期使用过程中,光伏组件会出现极缓慢的功率下降现象,优质的光伏组件每年的衰减约在0.75%,25年的总衰减不会超过20%。同时优质光伏组件的寿命25年,从而可保证光伏发电系统的长期稳定运行和投资收益。

  (2)逆变器。逆变器可将光伏组件产生的直流电变成交流电,将电力送入电网。逆变器是电力转化上网的关键设备,因此逆变器的选择和购买对系统稳定运营有极大的影响。逆变器主要有三种,一是集中式逆变器,二是组串式逆变器,三是微型逆变器。

  ①集中式逆变器。传统的集中式逆变器的光伏逆变方式是将所有的光伏电池组件在阳光照射下生成的直流电全部串并联在一起,再通过一个逆变器将直流电变成交流电。集中式逆变器的容量一般在10kW~1MW,最大特点是系统的功率高,但集中式逆变器要求光伏组串之间要有很好的匹配,并且对部分遮影敏感。一旦出现多云、树荫或者单个组件故障,将影响整个光伏系统的效率和发电量。另外,不同光伏组串的输出电压、电流往往不能完全匹配,也会造成一定的发电量损失。

  ②组串式逆变器。组串式逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器。每个光伏组串(1~5kW)通过一个逆变器,在直流端具有最大功率峰值跟踪,在交流端并联并网。许多大型光伏电站采用组串式逆变器。优点是不受组串模块差异和遮影的影响,同时减少了光伏组件最佳点和逆变器不匹配的情况,从而增加了发电量,同时增加了系统的可靠性。与集中式逆变器相比,采用了组串式逆变器的系统直流电蓝的长度减少,将组串间的遮影影响和由于组串间的差异引起的损失减到最小。组串式逆变器的投资成本适中,目前市场价格为0.3~0.45元/W,适用于各类型的光伏电站,产品成熟,安装维护方便。

  ③微型逆变器。也称为组件逆变器,一般指的是光伏发电系统中的功率≤1000W,具有组件最大功率峰值跟踪(MPPT)功能的微型光伏并网逆变器,也可以避免集中式逆变器具有的直流高压、弱光效率差等缺点。传统集中式逆变器或组串式逆变器通常具有几百伏上千伏的直流电压,容易起火。微型逆变器直流电压仅几十伏,全部并联,最大程度上降低了安全隐患。微型逆变器的缺点是投资成本较高,目前市场价在在0.8元/W左右,总体效率低于组串逆变器。另外,新万博由于微型逆变器是在交流处并联,增加了交流侧的连线复杂性和维护难度。

  综合考虑安装规模、系统可靠性和经济性等因素,上述三种逆变器中,组串式逆变器是集中式逆变器和微型逆变器的折中,具备最高性价比。在分布式光伏电站中,最好使用组串式逆变器和微型逆变器接合的模式,如此既可以有效地控制成本,又可同时增加光伏电站的长期发电收益。

  (3)光伏汇流箱。在太阳能光伏发电系统中,为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线,用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来,组成一个个光伏串列,再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流防雷箱。在光伏防雷汇流箱内汇流后,通过直流断路器输出,与光伏逆变器配套使用从而构成完整的光伏发电系统,实现与市电并网。

  (4)光伏直流/交流线缆。光伏发电系统中输送电力使用的直流/交流电缆,根据使用环境和技术要求需要考虑以下因素:电缆的绝缘性能、耐热阻燃性能、耐老化性能及线径规格等。直流电缆多为户外敷设,需要防潮、防晒、防寒、防紫外线等,因此分布式光伏系统中的直流线缆一般选择光伏认证的专用线缆,考虑到直流插接件和光伏组件输出电流,常用的光伏直流电缆为PV1-F*4mm2。交流线缆主要用于逆变器交流侧至交流汇流箱或者交流并网柜,在室外安装部分的交流线缆需要考虑防潮、防晒、防寒、防紫外线,以及长距离敷设,一般选用YJV型电缆;室内安装的交流线缆,需要考虑防火和防鼠防蚁。此外,线缆的造价与电站的设计有关,优化的组件排布可以节省直流电缆的使用量。

  (5)光伏支架。太阳能光伏支架是太阳能光伏发电系统中为了摆放、安装固定太阳能面板设计的特殊支架。一般材质有铝合金、碳钢及不锈钢、镀锌件等。一般而言,光伏支架需要满足:①风荷载、雪荷载的荷载要求及地震要求;②设计排列方式及间距需结合当地日照情况;③10年不锈蚀,20年钢性不降低,25年仍具有一定的结构稳定性的质量要求。

  根据上海分布式能源电力接入要求,上海申通地铁项目基地拟采用35kV或10kV并网方式并网,项目所发电力“自发自用,余电上网”。光伏发电电站接入电网的电压等级,应根据光伏电站的容量机电网的具体情况,在接入系统设计中,经技术经济比较后确定。

  光伏发电站安装容量≤1MW时,一般能就地消纳,并网电量较少,为降低造价和运营费用,故采用0.4kV电压等级。光伏发电站安装容量1MW时,宜采用10~35kV并网电压等级,轨道交通变电所母线号线kV两种等级可供选择,如图2所示。

  上海轨道交通车辆基地屋顶为10MW太阳能光伏建筑应用一体化示范项目,项目包括川杨河车辆基地装机容量约7.6MWp,金桥基地装机容量约1.9MWp,治北车辆基地0.5MWp。项目于2011年10月展开研究实施工作,2012年被列入2012年第二批光电补贴项目名录,三项工程分批建设,于2015年6月30日全部竣工,如图3所示。

  川杨河光伏系统采用35kV电压并网方案,所发电通过35kV开关柜送到罗山路主所,所供负载包括11号线号线龙阳路到野生动物园区间。同样,金桥基地光伏系统所发电通过35kV开关柜送到金海路混变,所供负载包括12号线金海路站和金桥车辆基地,并网点为巨峰路主变。治北停车场光伏系统因总安装容量仅0.5MWp,因此采用400V低压并网方案。通过400V开关柜送到治北混变400V母排,所发电量自发自用。

  按照上海地区的光照条件,项目首年发电量100万kWh,项目寿命周期内25年累计发电量2304万kWh。目前3个车辆基地屋顶分布式光伏系统运行良好,自用电比例高,可为上海轨道交通持续提供清洁能源。同时经济效益良好,取得显著社会效益。

  无论在宏观政策还是具体扶持政策方面,国家和上海市政府均对光伏发电项目,特别是分布式光伏发电项目予以高度支持,具体体现在补贴程度高且不受计划指标的限制。按照目前国家和上海市相应的补贴和扶持政策,光伏发电项目的经济收益较好,并且“十三五”期间,上海市规划新增光伏发电装机容量500MW,发展潜力巨大。

  目前上海轨道交通分布式光伏规模达到10MW,年发电量占上海轨道交通年总用电量的0.5%左右。利用太阳能光伏发电将减少火力发电所导致的环境污染,从而减少国家治理污染的支出,具有难以估量的环保价值和社会效益。

  上海轨道交通未来3年内拟利用既有11个车辆基地屋顶实施25.68MWp光伏项目,未来新建线路车辆基地预计亦可用于新建光伏发电系统,既有高架地面车站也有开发光伏项目的潜力,远期保有量将达到50MW。

  就国家政策补贴下调风险而言,项目只要具备成熟的开发条件,尽快建成投产,就能规避上网标杆电价下调的风险。

  郑欣,高级工程师,主要研究方向为轨道交通电力规划和供电系统相关设备的建设运营。现供职于上海申通地铁集团有限公司技术中心。