基于某工程屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性研究

侯嘉

光伏發(fā)電是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中可持續(xù)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，光伏發(fā)電在人們?nèi)粘Ｉ钪械拇罅ν茝V和實(shí)施能夠有效改變城鄉(xiāng)用電方式、保障能源安全和改善生態(tài)環(huán)境。本文結(jié)合上海某工程屋頂光伏發(fā)電的中應(yīng)用實(shí)例，對(duì)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施進(jìn)行深入研究，以期為類似工程提供參考。

工程實(shí)例;屋頂;光伏發(fā)電系統(tǒng);可行性

光伏發(fā)電是指利用太陽(yáng)光能進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)，因此又被稱為光電，光伏發(fā)電的原理是通過將半導(dǎo)體界面吸收的光能利用轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電能的一種清潔能源利用技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于對(duì)太陽(yáng)能電池的使用。太陽(yáng)能電池在串聯(lián)作用下形成太陽(yáng)能電池組件之后，通過相應(yīng)的功率控制器將其能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于不受地域限制，且污染小、無(wú)噪聲、不需要額外架設(shè)輸電線路就可就地發(fā)電。

近年來太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，且在能源的生產(chǎn)和消費(fèi)方式的改變方面起著主導(dǎo)作用。我國(guó)自2006年起，在不斷推廣擴(kuò)大光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，自2006年至今已經(jīng)取得了較為積極的應(yīng)用效果。尤其是在上海這個(gè)能源消耗大市，對(duì)上海能源的應(yīng)用改變能夠極大的改變上海燃煤能源的應(yīng)用需求，對(duì)提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐墓?jié)能減排具有積極作用。因此，在該城市中大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏能源系統(tǒng)具有重要意義。

上海作為能源消耗大市。在電力輸出的動(dòng)力支撐方面主要以水力發(fā)電和火力發(fā)電為主，其對(duì)能源需求在逐年上漲。2018年1-12月份，上海全市用電量139.8億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)3.5%。其中，第一產(chǎn)業(yè)用電0.3億千瓦時(shí)，同比下降10.8%;第二產(chǎn)業(yè)用電77.0億千瓦時(shí)，同比下降1.2%;第三產(chǎn)業(yè)用電48.6億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)13.4%;居民生活用電13.9億千瓦時(shí)，同比基本持平。1-12月份本市用電量合計(jì)1566.7億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)2.6%。

鑒于以上數(shù)據(jù)，當(dāng)前上海能源消耗水平處于逐年上升的狀態(tài)，這與實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有較大的差距，因此，為了滿足我國(guó)電力能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，上海市需要積極開發(fā)本地清潔可再生資源，以此來滿足上海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，降低資源浪費(fèi)。

本項(xiàng)目的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)單位是國(guó)家會(huì)展中心（上海）有限公司，其發(fā)電組件為的晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)，建設(shè)地址位于上海市青浦區(qū)崧澤大道333號(hào)國(guó)家會(huì)展中心的屋頂位置，建設(shè)面積3萬(wàn)平方米。

上海市會(huì)展中心的屋頂結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為主，且建設(shè)面積大、無(wú)障礙物、表面平整，對(duì)光伏系統(tǒng)的大面積安裝極為有利。且經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，上海會(huì)展屋頂?shù)奈菁茇?fù)荷能力能夠滿足光伏電站的施工載荷要求。

該工程項(xiàng)目的建設(shè)地點(diǎn)位于北緯31.2°，東經(jīng)121.3°，跨域范圍小于0.1度，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的穩(wěn)定性以及陽(yáng)光照射強(qiáng)度的接收具有較大優(yōu)勢(shì)。通過利用相應(yīng)的RETScreen軟件對(duì)上海市的日照情況進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)的全年日照輻射總量約為1390.65kWh/m，水平面平均日照輻射量約在3.81kWh/md。同時(shí)根據(jù)相關(guān)業(yè)主提供的當(dāng)?shù)貧庀缶值膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)?shù)氐娜耆照蛰椛淇偭繛?570MJ/m。鑒于數(shù)據(jù)數(shù)值的差異性，筆者將以業(yè)主提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

上海市擁有全國(guó)最大的城鄉(xiāng)一體化電網(wǎng)，自2010年起，上海市全市的用電量就達(dá)到了1296億KWh。在上海市“十二五”規(guī)劃的電網(wǎng)建設(shè)背景下，當(dāng)?shù)夭块T以智能化電網(wǎng)改造為契機(jī)，形成了“雙環(huán)”、“九射”、“十五片”的城市電網(wǎng)布局建設(shè)目標(biāo)，并進(jìn)一步對(duì)受端電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完善。自2015年起，上海就擁有了15座500千伏的變電站，電能總?cè)萘恳策_(dá)到了40400兆瓦。其中還建有140座的220千伏變電站，電能總?cè)萘繛?4360兆瓦，10（35）千伏電網(wǎng)10千伏降壓總?cè)萘繉⑦_(dá)到51327兆瓦。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)主要由計(jì)量裝置、并網(wǎng)逆變器、直流檢測(cè)配電箱、光伏組件等組成。通過光伏組件能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電力，然后通過直流檢測(cè)配電箱過渡到并網(wǎng)型逆變器，最終使直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同相位、同頻率的正弦波電流。由于本工程的總裝機(jī)容量為，因此根據(jù)相關(guān)的并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)則將直流電逆變成的交流電之后，將設(shè)置6個(gè)400V的接入點(diǎn)，且將接入點(diǎn)的容量均設(shè)置為，以此來達(dá)到光伏發(fā)電余電自用、自發(fā)自用的基本目標(biāo)。

本工程的建設(shè)地點(diǎn)在上海國(guó)家會(huì)展中心場(chǎng)館辦公樓的屋頂，其建設(shè)目標(biāo)為建設(shè)2MWp屋頂并網(wǎng)光伏電站。在工程建設(shè)中，光伏系統(tǒng)沒有設(shè)置儲(chǔ)能裝置，因此在太陽(yáng)光照射到光伏組件之后，光伏組件能夠直接將其轉(zhuǎn)換成直流電，然后再通過逆變裝置將其轉(zhuǎn)換為交流電，最后通過變壓器的升壓作用將電力輸送到電網(wǎng)。

為了保持建筑外觀的美觀性，在光伏系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)中，要對(duì)建筑感官效果的影響降到最小化。基于此，本工程在光伏組件的安裝方面采用10°傾角固定式安裝方式，且光伏組件支架系統(tǒng)全部沿著屋面進(jìn)行安裝，共計(jì)安裝組件數(shù)量為塊，其峰值功率在左右。這種安裝方式不僅對(duì)光伏系統(tǒng)與建筑物的協(xié)調(diào)融合性起到了顯著作用，同時(shí)也滿足了發(fā)電量的需求，對(duì)提高建筑物的美觀性和協(xié)調(diào)性具有較大意義。

根據(jù)上海市國(guó)家會(huì)展中心的光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝規(guī)劃方案，覆蓋了場(chǎng)館3個(gè)辦公樓的屋頂，電站建設(shè)的光伏組件以的多晶硅構(gòu)件組成，安裝方式以傾角固定安裝為主。屋頂面積的可利用率達(dá)到3萬(wàn)平方米左右，且根據(jù)屋頂平面圖和屋頂面積的綜合計(jì)算以及光伏電站的布局方式可知，電站安裝容量在左右。

當(dāng)前我國(guó)的光伏組件類型較多，且功能差異大，為了滿足本區(qū)域的光伏發(fā)電能源供給需求，在光伏組件的選擇上，根據(jù)光伏系統(tǒng)的實(shí)際安裝環(huán)境、施工條件以及交通條件等因素為前提，同時(shí)還以產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定性以及安裝技術(shù)的成熟性為基礎(chǔ)，有針對(duì)性的對(duì)光伏組件類型進(jìn)行合理選擇。除此之外，還根據(jù)電站建設(shè)所在地的實(shí)際太陽(yáng)能資源供應(yīng)情況以及光伏組件的具體類型，對(duì)光伏發(fā)電站的年發(fā)電總量進(jìn)行計(jì)算，以此為光伏組件的最佳選擇提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)業(yè)主提供的太陽(yáng)光照總量數(shù)據(jù)資料可知，上海市的全年太陽(yáng)總輻射量為。光伏組件安裝傾角在10°左右，但是組件的朝向位置與正南方向之間存有14°的夾角，根據(jù)全年日照輻射總量對(duì)傾斜面按照進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)日照條件進(jìn)行折合計(jì)算得出，下日照峰值小時(shí)數(shù)為小時(shí)。經(jīng)過對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，光伏組件的傾斜面的年輻射量為，年發(fā)電量的小時(shí)發(fā)電量的初始值為：

光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率在時(shí)間的推移下會(huì)逐漸降低，且整體光伏發(fā)電系統(tǒng)的年應(yīng)用壽命在25年內(nèi)也會(huì)在小時(shí)數(shù)的變化中逐漸降低。

通過光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)光伏組件的效率衰減速率進(jìn)行計(jì)算得知，在該系統(tǒng)應(yīng)用的第一年，其衰減速率在2.5%以下，10年間的轉(zhuǎn)換效率也不會(huì)超過10%。其計(jì)算公式如下：某年（N）發(fā)電量=初始年發(fā)電量x（1-N×組件衰減率）。因此可以將該系統(tǒng)的25年具體發(fā)電量估算結(jié)果為總發(fā)電量為萬(wàn)度，總發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為，年平均發(fā)電總量為萬(wàn)度，年平均發(fā)電當(dāng)量小時(shí)數(shù)：900.7h。

綜上，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂安裝中，不僅需要對(duì)其電價(jià)、電量消耗以及發(fā)電量進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)對(duì)發(fā)電組件的選擇類型也要進(jìn)行綜合考慮。一般情況下，在能耗較大的工業(yè)園區(qū)或者辦公場(chǎng)所，由于其辦公量大，工作連續(xù)性強(qiáng)，其能源應(yīng)用消耗情況大，針對(duì)這種區(qū)域，相關(guān)部門應(yīng)該加大對(duì)光伏供電的持續(xù)推廣和實(shí)施力度，以此來降低不可再生資源的發(fā)電消耗，提高資源利用效率。

[1]暴二平，祝新成，崔海明，等.某工程屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性分析[J].智能建筑電氣技術(shù)，2015，9（3）：24-29-40.

Photovoltaic power generation is a new industry of sustainable development in China's energy development strategy. The promotion and implementation of photovoltaic power generation in people's daily life can effectively change the way of urban and rural power consumption， ensure energy security and improve the ecological environment. In this paper， the application of roof photovoltaic power generation system in a project in Shanghai is studied in order to provide reference for similar projects.

Engineering example; Roof; Photovoltaic power generation system