CN117039978A - 一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统及方法，应用系统包括集成在发电厂建筑物中的光伏组件、光伏控制器、储能装置、逆变器、厂用电配电装置、厂用电负载及余电上网装置等模块。应用方法包括资料准备、计算厂用电最大负荷、拟需光伏组件面积的确定、初步评估发电厂建筑是否满足组件面积要求、光伏组件与发电厂建筑集成设计、BIPV系统设计及校核计算BIPV系统发电量等。本发明充分利用传统发电厂具备大规模厂房等附属建筑的条件，引入光伏建筑一体化(BIPV)技术，通过利用太阳能给发电厂厂用电供电，实现节能减排、增加发电机出力的目的。此外，BIPV系统如果存在余电，还可以将余电上网，通过多能互补的方式增加发电厂容量。
Description
技术领域
本申请涉及太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统及方法。
背景技术
节能减排已成为全社会各行各业的普遍共识。特别是发电行业，因其具有高排放、高能耗的特点，如何做到节能减排就显得尤其重要，业界对此也高度重视。
其中，发电厂在发出电力的同时，为了维持电厂及其配套设施的正常运行，自身也需要消耗大量的能源和电力，它是发电厂能耗和发电成本的重要组成部分。以水电厂为例，为了维持水轮发电机组主机和辅机设备及其配套设施(如挡水设施、引水设施、厂房等)的正常运行，存在大量由电机驱动的机械设备(如水泵、油泵、空压机、暖通空调、起重机等)以及仪器盘柜等电气设备，这些设备与全厂的运行、操作、试验、检修、照明、电焊等用电设备的总耗电量，称为厂用电。
衡量发电厂耗电量的指标称为厂用电率，它是指厂用电的耗电量占电厂同期总发电量的百分比。相关研究表明，凝汽火电厂的厂用电率一般为5％-8％，火电厂8％-10％，水电厂为0.3％-2％，而且根据现有厂用电系统的设计技术，在发电厂机组正常运行期间，厂用电的供电电源主要取自发电机发出的电力，从机组长期运行来看，发电机发出的电力将会有很大一部分消耗在厂用电上，如果发电厂利用的是化石能源发电，厂用电的大量消耗还会增加碳排放。降低厂用电率，不仅能降低能耗和发电成本，减少碳排放，同时相应增大了发电机对电网的供电量，具有可观的社会价值和经济价值。因此，厂用电对电厂的节能减排和经济运行具有重要意义。
发明内容
针对上述存在的问题，本申请旨在提供一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统及方法，因地制宜引入基于太阳能的分布式发电技术-光伏建筑一体化(BIPV)，通过充分利用可再生清洁能源给发电厂厂用电供电，达到节能减排目的，节省出来的电力则可相应增加发电机出力。如果BIPV在满足发电厂自身用电需求后存在余电，还可以将余电上网，或仅利用发电厂的闲置建筑资源和并网条件构建BIPV并网系统，通过多能互补的方式，增加发电厂的容量。
为了实现上述目的，本申请所采用的技术方案如下：一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统，其特征在于，包括：
光伏电池组件，集成在发电厂建筑物中，构成光伏建筑一体化(BIPV)，通过光生伏特效应将太阳能直接转化为直流电能，兼具发电和建材的作用；
光伏控制器，控制整个系统的工作状态，将所述光伏电池组件产生的电能以最佳的充电电流和电压，存储至储能装置中；
储能装置，将光伏电池组件转化的直流电能进行存储；
逆变器，将储能装置中的直流电转换为供厂用电负载使用的交流电；
配电装置，将整流后的电能分配给发电厂各厂用电负载使用；
厂用电负荷，维持发电厂机电设备正常运行的附属设备、全厂生产辅助设备和厂区公用设施所需的电力和电量，可分为基础负荷、公用负荷和单机负荷；
光伏并网柜，余电上网的配套配电设备，连接光伏发电系统与电网并向电网输送剩余电能，还可对光伏发电进行保护和测量，监测光伏发电系统的运行参数和状态指示；
升压变压器，用于将光伏并网柜输出的三相低压交流电升压到与电网特性相匹配的电压等级，并将光伏电源与电网电气隔离。
一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用方法，其特征在于，包括以下步骤和流程：
1)资料准备
获得发电厂的基本设计资料，包括机组运行参数、厂用电负荷、建筑设计方案，以及发电厂所在地太阳能辐射量、最大连续阴雨天数等气象数据；
2)计算厂用电最大负荷
采用综合系数法计算，如公式(1)所示：
Pm＝KU∑PU+KC∑PC (1)
式中，Pm为厂用电的最大计算负荷(kW)；Ku为机组自用电综合系数；Kc为全厂公用电的综合系数；ΣPu为所有同时参加机组自用电负荷额定功率的总和(kW)；ΣPc为所有同时参加最大负荷运行的全厂公用电负荷额定功率的总和(kW)；
3)计算拟需安装的光伏电池组件的面积
根据步骤2)计算的厂用电最大计算负荷，以及发电厂年利用小时数，计算厂用电年耗电量，然后根据步骤1)搜集到的发电厂所在地年太阳能辐射量数据，由公式(2)计算拟需安装的光伏电池组件的面积：
A0＝SY/(RY×η0×K0) (2)
式中，A0为光伏电池组件的面积(m2)；SY为发电厂年耗电量(kWh)，可由厂用电最大负荷Pm和发电厂年利用小时数计算得出；RY为发电厂所在地年太阳能总辐射量；η0为组件转换效率；K0为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数；
4)初步评估发电厂建筑是否满足组件面积要求
根据步骤1)所提供的发电厂建筑设计方案，确定建筑所能提供的用于集成安装光伏组件的有效面积，通过和步骤3)计算的拟需安装的光伏组件面积进行对比，初步评估发电厂建筑是否满足组件的面积要求。如果是，则进行步骤5)；如果否，则需调整电厂建筑的布置或增加其他可供集成光伏组件的建筑，再次确定建筑可供集成光伏组件的有效面积；
5)光伏组件与发电厂建筑一体化集成设计
发电厂建筑在满足发电厂机组设备正常运行和发电功能的前提下，将光伏组件以经济合理的方式集成在步骤4)所确定的建筑中，通过采用光伏屋顶或光伏幕墙等形式，构成光伏建筑一体化(BIPV)，使光伏组件与建筑形成有机的整体，此时的光伏组件既能发出清洁电力，又能作为建筑材料，兼具发电和建材的双重功能；
6)BIPV系统设计
根据步骤5)集成设计的BIPV，并参考BIPV技术系统原理，设计光伏控制器和储能装置进行储能，其中储能装置(蓄电池)的容量由公式(3)计算确定；设计逆变器进行整流；设计配电装置进行电能分配，为厂用电各负载供电，并确保系统中各设备性能和参数的最优匹配；
C＝(P×T×D)/(U×K×η) (3)
式中：C为蓄电池组的容量，Ah；P为负载的功率，kW；T为负载每天用电小时数，h；D为最大连续阴雨天数；U为蓄电池组的额定电压，V；K为蓄电池的放电系数，考虑蓄电池效率，放电深度、环境温度等影响因素而定；η为逆变器等交流回路的效率；
7)校核计算BIPV系统发电量
根据步骤6)设计的BIPV系统，由公式(4)校核计算该系统的发电量，以评估所设计的光伏发电系统是否能满足发电厂厂用电的年用电量需求，如果是，则进行步骤8)；如果否，则需重复进行步骤5)，再次进行BIPV系统一体化集成设计，直到所设计的BIPV系统的发电量满足厂用电的用电量需求；
式中：Ep是系统发电量(kWh)；HA是太阳能总辐射量(kWh/m2)；Ai是第i型组件的安装面积(m2)；ηi是第i型组件的转换效率(％)；K是综合效率系数，其大小与多种因素有关，可按公式(5)计算：
K＝K1×K2×K3×K4×K5 (5)
式中：K1为组件长期运行的衰减系数：K2灰尘遮挡组件及温度升高造成组件功率下降修正系数：K3为线路修正系数：K4为逆变器效率：K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数；
8)设计余电上网模块
根据步骤7)计算得到的BIPV系统发电量，和步骤3)计算得到的厂用电的耗电量，计算BIPV系统的余电量，以此为依据评估是否为BIPV系统设置余电上网模块，如果是，则为系统配置光伏并网柜和升压变压器等并网装置；如果否，则整个系统设计完成。
本申请的有益效果是：
本发明充分利用发电厂一般具备大规模厂房等附属建筑物的条件，引入基于太阳能的分布式发电技术——光伏建筑一体化(BIPV)，通过利用可再生清洁能源太阳能给发电厂厂用电供电，达到节能减排的目的，节省出来的电力则可相应增加发电机出力。此外，如果BIPV在满足发电厂自身用电需求后存在多余电力，还可以将余电上网，或仅利用发电厂的闲置建筑资源和并网条件构建BIPV并网系统，通过多能互补的方式，实现发电厂增容的目的。
本发明技术方案增加储能装置后，提高了光伏供电的稳定性和可靠性，其既可以作为厂用电的正常工作电源，也可以作为应急电源，从而可以简化发电厂传统的厂用电供电电源的配置。
如果发电厂所在地因缺乏本地配电网或其他能源补给，需要“孤岛运行”时，通过利用太阳能作为厂用电供电电源，可以方便实现机组“黑启动”，保障发电厂的供电安全，因而这种方法具有独特优势。
附图说明
图1为本申请BIPV系统原理图。
图2为本申请BIPV在发电厂中的应用方法流程图。
图3为本申请实施例某水电厂厂房建筑结构图。
图4为本申请实施例厂房建筑BIPV集成设计图。
图5为本申请实施例中BIPV系统设计图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图和实施例对本申请的技术方案做进一步的描述。
发电厂用电设备与全厂的运行、操作、试验、检修、照明、电焊等用电设备的总耗电量，称为厂用电，如表1所示。而厂用电及其供电电源、供电网络和配电装置等设备共同构成厂用电系统。
表1水电厂的厂用电
厂用电的耗电量与发电厂类型、机械化和其自动化程度等因素有关。在实际工程中，衡量电厂耗电量的指标称为厂用电率，也是电厂运行的主要经济指标之一。它是指厂用电的耗电量占电厂同期总发电量的百分比，如公式(5)所示；
式中：Kp为厂用电率；Sc为厂用电计算负荷；为平均功率因数；Pn为发电机额定功率。
以水电厂为例，传统的厂用电供电电源，主要可分为厂内电源和厂外电源两种。厂内电源包括发电机主引出线(通过厂用变降压后供负载用电)、柴油发电机和不间断电源(UPS)等。厂外电源包括开关站高压母线(反送电)和本地供电电网(主要适用于附近有本地电网的电厂)。厂用电供电电源的数量及其组合与水电厂的装机容量和运行方式有关。对于中型水电厂，机组正常运行时，其供电电源一般不少于2个，可相互自动切换，互为备用，以保证在各种工况下均能持续不间断地给厂用电供电，提高供电的可靠性和安全性。
为了降低厂用电率，促进电厂的节能和经济运行，现有技术主要集中在对厂用电系统和设备的投资、运行和维护等多方面进行综合分析。通过对厂用电系统进行优化设计，如充分考虑系统接线、变压器选型及相关配电设备，并配备相应的监控保护系统等方式，使各系统协调统一，从而优化系统参数和设备配置。此外，在发电厂的日常运行维护中，也要注重提高和培养运维人员的节电意识，以此降低厂用电的耗电量。
现有技术通过这种“节流”的方式，只能在一定程度上减少厂用电的能耗，并不能从根本上消除对传统厂用电供电电源的依赖，因而不可避免地产生能耗。如果厂用电的供电电源使用的是非清洁能源，长期运行的情况下依然会带来碳排放增加。具体如下：
1、发电机主引出线：机组正常运行时给厂用电供电，消耗发电机对电网的供电量，减少发电机组的容量和出力；
2、本地供电电网：只适用于电厂附近具备当地供电电网的条件，消耗的是当地的工商业用电，用电成本较高，且当电厂处于“孤岛运行”的工况时，无法获取利用；
3、柴油发电机：机组事故停机或电厂断电等应急情况下启用，供厂用电基础负荷用电，满足机组“黑启动”所需要的电力。长时间运行将消耗大量柴油燃料，增加碳排放。
4、UPS电源：在机组正常运行期间，首先需要从厂用电母线上充电，储存在蓄电池中，在发电厂突然断电等应急情况下，释放电能仅供厂用电基础负荷使用。只能应急情况下启用，受蓄电池容量影响，无法长时间供电。
5、高压母线(反送电)：是当电厂自备厂用电电源的发电量少于其消耗的用电量时，会出现由高压电网反向给电厂输送电能的情况，反送电对系统回路和设备的要求较高，可能引起停电检修、造成人员伤亡和设备损坏等重大安全事故，或因线路电压，相序，频率不合而开关跳闸等运行事故。反送电的量过大还会给电网的发供电负荷的调整和调度带来不利影响，这些情况都是电力运行工作中避免和严格禁止的，必要时必须经供电方同意，保证电源质量前提下才可操作，正常情况下一般不提倡使用。
由于大多数发电厂一般地处偏远地区，年日照时间和太阳能辐射量十分充足，且一般具备较大规模的地面式厂房建筑及其他附属建筑物，均裸露在地面上，对吸收太阳能具有得天独厚的优势。以水电厂为例，除了厂房建筑，还有大规模大坝等水工建筑物。如果将这些厂房或大坝等水工建筑物的表面作为光伏电池组件的吸光面充分利用起来，引入基于太阳能的分布式发电技术——建筑光伏发电系统，形成分布式电源，给发电厂厂用电负载供电。由于太阳能是可再生清洁能源，零碳排放，如果成功应用，即可解决发电厂因厂用电的大量使用而带来的能耗和排放问题。
1、基于太阳能的分布式发电技术——建筑光伏
分布式发电技术是一种新型的、很有发展前景的发电技术和能源综合利用方式，具有以下几个特点：①规模不大且分布在负荷附近，不需要远距离输变电，从而减少输电损耗；②满足一些特殊用户独立供电的需求、支持已有配电网的经济运行；③未经规划的或非集中调度型的电力生产方式，可作为备用电源为高峰负荷提供电力，提高供电可靠性；④能源利用效率较高，且方便利用可再生新能源发电，达到节能减排目的。而太阳能作为永不枯竭的新能源，因其对地理位置要求不高，适用范围广，且具有投资少、建设周期短、节能环保、安全可靠等优点，成为与分布式发电技术相结合的理想能源。
因此，基于太阳能的分布式发电技术，在众多分布式发电形式中具有独特优势。而建筑光伏是基于太阳能的分布式发电技术的一种形式，它指“安装在建筑物上的光伏发电系统”，包括在现有建筑上安装的小型、中型和大型光伏系统，即建筑附着光伏(BAPV)；也包括与新建建筑物同时设计、同时施工和同时投产使用(“三同时”)，并与建筑形成完美结合的光伏发电系统，即光伏建筑一体化(BIPV)，涉及的建筑物包括各种民用建筑、公共建筑、工业建筑等一切可以承载光伏发电系统的建筑物。
显然，对于本申请提及的发电厂，在建设时如果按照“三同时”原则，将分布式光伏发电系统集成在其附属建筑上，形成光伏建筑一体化(BIPV)，是最理想的一种利用太阳能的方式。因为这种布置方式相对于新建独立的光伏发电站场或者BAPV(多指屋顶光伏)，其光伏组件集成在建筑的表面，既不需要额外占用土地空间，还可以代替建筑外墙材料。因此，它既能为建筑提供绿色电力，降低能耗，实现建筑的能源自给；又能作为建筑材料成为建筑不可分割的一部分，减少了传统建材的使用，避免出现地面污染，从而促进资源的充分合理利用。
2、BIPV技术原理
目前，针对光伏建筑一体化(BIPV)技术的关注、研究和应用较多，因为设计合理的BIPV系统能将光伏组件完美的集成在建筑物上，集实用性、功能性、艺术性和美观性于一体。其系统构成与常规的光伏发电系统类似，不同的是光伏电池组件兼具发电和建材的双重功能，即集成在建筑屋面、外窗和外墙等处的光伏组件与汇流箱、逆变器、负载等装置连接组成一个分布式发电系统，如附图1所示。
BIPV系统的发电原理是集成在建筑上的光伏电池组件，利用光生伏特效应，将太阳光能直接转化为直流电能，再由逆变器将其转化为适用于负载使用的电流特性后，供建筑内各负载使用。如果BIPV光伏发电系统有并网要求，在其满足自身用电需求后，还可以通过并网变压器，将余电升压整流后并入公共电网，实现余电上网。
3、BIPV在水电厂中的应用系统及方法
应用系统包括：
光伏电池组件，集成在发电厂的附属建筑物中，构成光伏建筑一体化(BIPV)，通过光生伏特效应将太阳能直接转化为直流电能；
光伏控制器，控制整个系统的工作状态，将所述光伏电池组件产生的电能以最佳的充电电流和电压，存储至储能装置中；
储能装置，将光伏电池组件转化的直流电能进行存储；
逆变器，将储能装置中的直流电转换为供厂用电负载使用的交流电；
配电装置，将整流后的电能分配给发电厂各厂用电负载使用；
厂用电负荷，维持发电厂机电设备正常运行的附属设备、全厂生产辅助设备和厂区公用设施所需的电力和电量，可分为基础负荷、公用负荷和单机负荷；
光伏并网柜，余电上网的配套配电设备，连接光伏发电系统与电网并向电网输送剩余电能，还可对光伏发电进行保护和测量，监测光伏发电系统的运行参数和状态指示；
升压变压器，用于将光伏并网柜输出的三相低压交流电升压到与电网特性相匹配的电压等级，并将光伏电源与电网电气隔离。
本发明中，BIPV在发电厂中的应用方法及流程如下，如附图2所示。
(1)资料准备
主要搜集发电厂基本运行参数、厂用电负荷、建筑设计方案及发电厂所在地太阳能辐射量、最大连续阴雨天等气象数据。
以某水电厂为例，该电厂基本设计参数如表2所示，厂房建筑设计方案如附图3所示。
表2某水电站基本参数
厂用电各用电负荷的大小及其运行规律等资料按照表1做好分类，以便计算厂用电最大负荷。为保证厂用电供电电源的安全可靠，该水电厂先期按照传统的厂用电供电方式，设计的厂用电供电电源有4个。其中，机组正常运行时的厂用电电源，取自发电机出口的双母线段，分别通过两台厂用变压器降压后(互为备用)，给全厂厂用电负荷供电，每台厂用变容量选定为200kVA；而柴油发电机、UPS和当地电网供电电源为应急备用电源，用于机组停机、发生事故等应急情况下保障厂用电基础负荷的用电安全。
同时，还需要搜集发电厂所在地太阳能辐射量等气象数据。经调研，该电厂所在地位于北纬39°，太阳能资源充沛，年均太阳能辐射量为6293.9MJ/m2，即1748.3kWh/m2，最大连续阴雨天数为4天。
(2)计算厂用电最大负荷
该水电厂厂用电的最大计算负荷，按照标准“SL485-2010水利水电工程厂(站)用电系统设计规范”，通常采用综合系数法计算，如公式(1)所示：
Pm＝KU∑PU+KC∑PC (1)
式中，Pm为厂用电的最大计算负荷(kW)；Ku为机组自用电综合系数，对于中小型电站取值0.76；Kc为全厂公用电的综合系数，对于中小型电站取值0.78；ΣPu为所有同时参加机组自用电负荷额定功率的总和(kW)；ΣPc为所有同时参加最大负荷运行的全厂公用电负荷额定功率的总和(kW)。
经计算，得到该电厂厂用电最大负荷为Pm＝170kW。
(3)计算拟需光伏电池组件面积
根据计算所得的厂用电最大计算负荷，以及发电厂年利用小时数，计算厂用电年耗电量，然后根据发电厂所在地年太阳能辐射量数据，由公式(2)计算拟需安装的光伏电池组件的面积：
A0＝SY/(RT×η0×K0) (2)
式中，A0为光伏电池组件的面积(m2)；SY为发电厂年耗电量(kWh)，可由厂用电最大负荷Pm和发电厂年利用小时数计算得出；RY为当地年太阳能总辐射量；η为组件转换效率，一般为17％～20％，本实施例取值为18％；K0为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数，是一个数值小于1的综合影响系数，本实施例取值0.85。
经计算，得到拟需安装的光伏电池组件面积为A0＝2224m2。
(4)初步评估发电厂建筑是否满足组件面积要求
由于BIPV首先应该满足的是建筑的布置要求，相比集中式光伏发电站，BIPV光伏组件是无法按照最佳倾角和朝向安装。考虑到光伏组件的朝向和倾角对BIPV的发电量具有重要影响，因而厂房等建筑的朝向影响着可安装光伏组件面积的大小，根据本实施例的厂房建筑朝向，如附图3所示，有一个前侧立面、两个左右侧立面和一个双坡屋顶面积可用于布置光伏电池组件，那么，根据厂房建筑的设计尺寸，可得该建筑可安装光伏组件的有效面积为2394m2，超出拟需安装的光伏组件面积约7.6％。
因此，本实施例仅利用厂房建筑便可满足拟需安装光伏电池组件的面积要求。如果厂房建筑可安装光伏组件面积不能满足拟需安装的光伏电池组件面积要求，则需调整厂房的建筑设计和布置，或考虑在其他附属建筑上(如副厂房或大坝)进行光伏电池组件的布置，以最大程度增加光伏电池组件的有效吸光面积，以保证发电量的要求。
(5)光伏组件与厂房建筑一体化集成设计
水电厂厂房进行建筑设计时，需按照“三同时”原则，在满足发电厂机组设备正常的发电功能要求的同时，将光伏组件以经济合理的方式集成在厂房或其附属建筑物上，构成光伏建筑一体化(BIPV)。此时的光伏组件既作为发电部件，又作为建筑材料的一部分，同时具备发电和建材的双重功能，并保持与建筑统一和谐的外观。
本实施例中厂房建筑的屋顶采用双坡屋顶，全天无遮挡，吸光条件较好，且钢结构屋顶承载能力较强，因而选择技术成熟、转换效率较高的单晶硅电池组件作为光伏屋顶。其中，单块组件功率为590Wp，尺寸为2448×1135×35mm。
此外，考虑到厂房建筑采光的需要，左右侧立面和前侧立面均采用透光率为40％的光伏幕墙，而目前市场上比较多见的碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池组件，因其具有温度系数低、弱光效应好、抗遮挡能力强、稳定性高等优点，实验室最高转换效率纪录已超22％，成为应用于BIPV极具竞争力的光伏幕墙材料。本实施例选取的碲化镉薄膜太阳能电池的单块组件功率为218Wp，尺寸为1800×1200×18mm。为了使建筑外观颜色与环境协调美观，还可根据建筑专业的需要，增设彩色前板进行调色。一体化集成设计完成后，BIPV中各方位安装的组件功率，组件面积和转换效率，以及组件的数量等数据便可确定，如表3所示，由此可知本实施例BIPV设计的光伏装机容量为346.2kWp，厂房建筑的BIPV设计效果图如附图4所示。
表3厂房建筑BIPV组件集成设计数据
(6)BIPV系统详细设计
参考BIPV技术系统原理，本实施例的BIPV在水电厂中的应用系统，其系统构成主要包括四大模块，即发电储能模块、逆变和配电模块、应用负载模块和余电上网模块。为了发挥系统中各模块的最佳效能，系统设计时需确保各模块设备电压、电流、功率、效率等性能参数的匹配，完整的BIPV系统图如附图5所示。
其中，发电储能模块包括集成在厂房建筑中的光伏组件，光伏控制器和储能装置。由于传统的电力系统具有即发即用特性，考虑到光伏等新能源出力具有波动性、间歇性等特点，有必要设计储能装置进行储能，用以解决光伏发电的间歇性和波动性问题，确保分布式电源供电的稳定性和可靠性。系统增加储能装置后，其既可以作为厂用电的正常工作电源，也可以作为应急电源，从而可以简化厂用电传统供电电源的配置。而光伏控制器控制整个系统的工作状态，并以最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地给储能装置充电，以减少充电过程中的损耗，防止过充或过放电，尽可能延长储能装置的使用寿命。
本实施例中，储能装置选择光伏胶体蓄电池组，其具有抗低温性能较强，免维护等优点，蓄电池容量采用公式(3)计算，并考虑一定的安全裕量和设备选型，所需容量最终选定为110kAh，额定电压为110V，可以通过2组110V55kAh的蓄电池组并联使用。光伏控制器为智能型太阳能光伏控制器，其规格根据蓄电池电压等级选为110V。
C＝(P×T×D)/(U×KD×η) (3)
式中：C为蓄电池组的容量，Ah；P为负载的功率，kW；T为负载每天用电小时数，h；D为最大连续阴雨天数；U为蓄电池组的额定电压，V；KD为蓄电池的放电系数，考虑蓄电池效率、放电深度、环境温度等影响因素而定，一般取值为0.5～0.8；η为逆变器等交流回路的效率，一般取0.8～0.95。
逆变和配电模块包括逆变器和配电装置。逆变器可将储存在蓄电池中的直流电转换为交流电，供厂用电交流负载使用，并具有自动稳压功能，提高光伏发电的供电质量。本实施例中，选择两台额定功率为100kW的工频三相正弦波逆变器并联使用，其中每台逆变器的MPPT最大效率为99％，额定直流输入电压为DC110V，额定交流输出电压为AC400V。
应用负载模块是指各类厂用电负荷，本实施例中的厂用电负荷按电压等级可分为110V低压直流系统和400V低压交流系统。110V低压直流负载直接由连接蓄电池的配电装置供电，而400V低压交流负载由逆变器供电。
余电上网模块包括光伏并网柜和升压变压器。BIPV系统在满足电厂自身供电需求后，如有多余电力，可充分利用发电厂的并网条件，将多余电力通过余电上网模块并入电网，从而增加发电厂的容量。光伏并网柜是连接电站与电网的配电设备，可以对光伏发电进行保护和测量，显示光伏发电系统的运行参数和状态指示，便于故障维护和管理，提高发电系统的安全性和经济效益。升压变压器用于将逆变器输出的三相低压交流电升压到与电网特性相匹配的电压，以方便电力的传输。同时，还可以实现光伏电源与电网的电气隔离，以避免高谐波、电压波动等不利因素对电力系统的干扰，保障电力系统的安全。
(7)校核计算BIPV系统发电量
BIPV系统设计完成后，系统中光伏组件阵列和逆变器等设备的影响因素和效率系数可以基本确定，此时便可校核计算所设计的BIPV系统的发电量。
对于BIPV系统，由于受到建筑物朝向的限制，光伏电池面板往往不能朝正南向布置，因此，在核算BIPV系统发电量时，应分别计算不同方位的光伏组件形成子方阵的发电量，然后再计算整个BIPV光伏组件的发电量。
BIPV系统的发电量主要与光伏电池面板上接收到的太阳辐射量、光伏组件安装容量以及光伏发电系统的综合效率有关，参考表3各组件方阵集成设计数据，可按公式(4)计算：
式中：Ep是系统发电量(kWh)；HA是太阳能总辐射量(kWh/m2)；Ai是第i型组件的安装面积(m2)；ηi是第i型组件的转换效率(％)；K是综合效率系数，在并网光伏发电系统中，综合效率系数的大小与系统设计、安装、部件质量的好坏、平衡部件(包括逆变器、控制设备等)的效率和连接线路等造成的损失，以及运行维护情况等多种因素有关。因此，不同的光伏发电系统，其综合效率各不相同，可按公式(5)计算：
K＝K1×K2×K3×K4×K5 (5)
式中：K1为组件长期运行的衰减系数；K2灰尘遮挡组件及温度升高造成组件功率下降修正系数；K3为线路修正系数；K4为逆变器效率；K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数。本实施例中，由于安装在不同部位的组件形成的子方阵朝向、倾角和组件类型不同，因而其综合效率系数取值也不同，其中，屋顶组件的KT＝0.85；左侧立面组件的KL＝0.75；右侧立面组件的Kr＝0.78，前侧立面组件的Kf＝0.8。
经过计算，可得该发电厂BIPV系统年发电量为6.26×105kWh，而厂用电的年耗电量为5.95×105kWh，因此本实施例所设计的BIPV能够满足厂用电的年用电量需求。
(8)余电上网
通过步骤(7)计算可知，在满足发电厂自身用电需求后BIPV系统的余电量为3.1×104kWh。可以设计余电上网模块，增加发电厂向系统的供电量。本实施例中，发电厂年利用小时数为3500小时，在发电厂发电机组停机期间，通过光伏并网柜将余电并网。光伏并网柜的额定功率选为8.5kW，电压等级为AC400V，从两台逆变器的交流输出口接电，柜内设置有防孤岛保护器，防雷断路器，智能计量表、并网断路器、隔离开关等装置，具有自动并网、计量显示以及防孤岛效应等保护功能。升压变压器的额定容量选为10kVA，电压等级为0.4/11kV，升压后接入发电机11kV出口母线段，最后通过发电厂的变电条件并入公共电网。
本申请的原理是：本发明所提出的技术思想与方法适用于一切具有足够地面式厂房等附属建筑物用于集成BIPV系统的传统发电厂，如水电厂、火电厂、核电站等。
如果发电厂所在地具有其他资源禀赋良好的可再生清洁能源，如风能、生物质能或海洋能，也可以用本发明提出的技术思想和方法加以利用，以此实现发电厂厂用电的节能减排，或利用此类清洁能源构建并网发电系统，通过多能互补以增加发电厂容量。
如果对于已建成的发电厂，其所在地有足够的土地空间条件布置独立的小型地面光伏发电站，或者其配套的建筑物表面有足够空间布置BAPV，希望通过技术改造，以利用太阳能为厂用电供电，或仅利用发电厂闲置建筑、空间资源及并网条件构建光伏并网发电系统，对发电厂进行增容改造，以实现多能互补。
以上显示和描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。本申请要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种太阳能光伏发电在传统发电厂中的应用系统，其特征在于，包括：
光伏电池组件，其集成在发电厂建筑物中，构成光伏建筑一体化，通过光生伏特效应将太阳能直接转化为直流电能；
光伏控制器，控制整个系统的工作状态，将所述光伏电池组件产生的电能以最佳的充电电流和电压，存储至储能装置中；
储能装置，将光伏电池组件转化的直流电能进行存储；
逆变器，将储能装置中的直流电转换为供厂用电负载使用的交流电；
配电装置，将整流后的电能分配给发电厂各厂用电负载使用；
厂用电负荷，维持发电厂机电设备正常运行的附属设备、全厂生产辅助设备和厂区公用设施所需的电力和电量，可分为基础负荷、公用负荷和单机负荷；
光伏并网柜，余电上网的配套配电设备，连接光伏发电系统与电网并向电网输送剩余电能，还可对光伏发电进行保护和测量，监测光伏发电系统的运行参数和状态指示；
升压变压器，用于将光伏并网柜输出的三相低压交流电升压到与电网特性相匹配的电压等级，并将光伏电源与电网电气隔离。
2.根据权利要求1所述的系统在传统发电厂中的应用方法，其特征在于，包括以下步骤和流程：
1)资料准备
获得发电厂的基本设计资料，包括机组运行参数、厂用电负荷、建筑设计方案，以及发电厂所在地太阳能辐射量、最大连续阴雨天气象数据；
2)计算厂用电最大负荷
采用综合系数法计算，如公式(1)所示：
Pm＝KU∑PU+KC∑PC (1)
式中，Pm为厂用电的最大计算负荷(kW)；Ku为机组自用电综合系数；Kc为全厂公用电的综合系数；ΣPu为所有同时参加机组自用电负荷额定功率的总和(kW)；ΣPc为所有同时参加最大负荷运行的全厂公用电负荷额定功率的总和(kW)；
3)计算拟需安装的光伏电池组件的面积
根据步骤2)计算的厂用电最大计算负荷，以及发电厂年利用小时数，计算厂用电年耗电量，然后根据步骤1)搜集到的发电厂所在地年太阳能辐射量数据，由公式(2)计算拟需安装的光伏电池组件的面积：
A0＝PY/(RY×η0×K0) (2)
式中，A0为光伏电池组件的面积(m2)；PY为发电厂年耗电量(kWh)，可由厂用电最大负荷Pm和发电厂年利用小时数计算得出；RY为发电厂所在地年太阳能总辐射量；η0为组件转换效率；K0为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数；
4)初步评估发电厂建筑是否满足组件面积要求
根据步骤1)所提供的发电厂建筑设计方案，确定建筑所能提供的用于集成安装光伏组件的有效面积，通过和步骤3)计算的拟需安装的光伏组件面积进行对比，初步评估发电厂建筑是否满足组件的面积要求，如果是，则进行步骤5)；如果否，则需调整电厂建筑的布置或增加其他可供集成光伏组件的建筑，再次确定建筑可供集成光伏组件的有效面积；
5)光伏组件与发电厂建筑一体化集成设计
发电厂建筑在满足发电厂机组设备正常运行和发电功能的前提下，将光伏组件以经济合理的方式集成在步骤4)所确定的建筑中，通过采用光伏屋顶或光伏幕墙形式，构成光伏建筑一体化；
6)BIPV系统设计
根据步骤5)集成设计的BIPV，并参考BIPV技术系统原理，设计光伏控制器和储能装置进行储能，其中储能装置的容量由公式(3)计算确定；设计逆变器进行整流；设计配电装置进行电能分配，为厂用电各负载供电，并确保系统中各设备性能和参数的最优匹配；
C＝(P×T×D)/(U×KD×η) (3)
式中：C为蓄电池组的容量，Ah；P为负载的功率，kW；T为负载每天用电小时数，h；D为最大连续阴雨天数；U为蓄电池组的额定电压，V；KD为蓄电池的放电系数；η为逆变器等交流回路的效率；
7)校核计算BIPV系统发电量
根据步骤6)设计的BIPV系统，由公式(4)校核计算该系统的发电量，以评估所设计的光伏发电系统是否能满足发电厂厂用电的年用电量需求，如果是，则进行步骤8)；如果否，则需重复进行步骤5)，再次进行BIPV系统集成设计，直到所设计的BIPV系统的发电量满足厂用电的用电量需求；
式中：Ep是系统发电量(kWh)；HA是太阳能总辐射量(kWh/m2)；Ai是第i型组件的安装面积(m2)；ηi是第i型组件的转换效率(％)；K是综合效率系数，可按公式(5)计算：
K＝K1×K2×K3×K4×K5 (5)
式中：K1为组件长期运行的衰减系数：K2灰尘遮挡组件及温度升高造成组件功率下降修正系数：K3为线路修正系数：K4为逆变器效率：K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数；
8)评估是否设置余电上网模块
根据步骤7)计算得到的BIPV系统发电量，和步骤3)计算得到的厂用电的耗电量，计算BIPV系统的余电量，以此为依据评估是否为BIPV系统设置余电上网模块，如果是，则为系统配置光伏并网柜和升压变压器等并网装置；如果否，则整个BIPV系统设计完成。
3.根据权利要求2所述的应用方法，其特征在于：在步骤7)后评估是否为BIPV系统设置余电上网模块：通过步骤7)校核计算，可以明确在满足发电厂自身用电需求后，是否存在余电；如果产生的余电足以起到增容的作用，则可以为BIPV系统设置余电上网模块，通过多能互补的方式，增加发电厂向电网的供电量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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