高校建筑太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究——以安徽建筑大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)綜合樓為例

魏蒙蒙

高校建筑太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究——以安徽建筑大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)綜合樓為例

魏蒙蒙

[安徽建筑大學(xué)]

文章結(jié)合安徽地區(qū)太陽(yáng)能資源現(xiàn)狀，以安徽建筑大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)綜合樓太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分析太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)理論和實(shí)際運(yùn)行的特征和效果，評(píng)估該系統(tǒng)發(fā)電量的逐年變化情況，有益于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的開發(fā)利用。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在運(yùn)行期間年均發(fā)電4476kWh，減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應(yīng)性氣體CO2約135.9噸，達(dá)到了太陽(yáng)能資源的較好利用和良好的節(jié)能減排效果。系統(tǒng)首年實(shí)際運(yùn)行情況良好，整體數(shù)據(jù)與理論發(fā)電量趨勢(shì)相似，實(shí)現(xiàn)了理論運(yùn)行情況的98.6%。系統(tǒng)發(fā)電效率隨著時(shí)間推移顯著降低，第三年發(fā)電量基本為理論發(fā)電量的80.6%，高校能源管理人員應(yīng)采取必要的優(yōu)化措施，保證太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；節(jié)能減排；發(fā)電效率

能源與環(huán)境問題是當(dāng)今世界追求可持續(xù)發(fā)展面臨的兩項(xiàng)最艱巨的挑戰(zhàn)，世界上約40%的能源消耗和近三分之一的溫室氣體排放均與建筑行業(yè)有關(guān)。[1]同時(shí)，隨著我國(guó)高等教育的逐步普及，高校建筑成為各類建筑中能耗較高的一部分。在高校建筑中建立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，即可以有效利用高校建筑密度較低的特點(diǎn)，為高校節(jié)約能源，又能夠方便教學(xué)科研，起到良好的示范性作用。[2]為了進(jìn)一步建設(shè)“清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代化能源體系”，下個(gè)十年中國(guó)將建設(shè)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年新增光伏發(fā)電系統(tǒng)約80-160 GW/年。[3]高校建筑可以通過對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的科學(xué)開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)綠色校園的目標(biāo)。[4-5]目前已有較多研究基于不同地區(qū)的氣候條件對(duì)高校太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用和探索。[6-8]在大多數(shù)高校建筑中，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行情況，為高校帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。[9-10]

一、基本信息

（一）建筑概況

安徽建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合樓位于安徽省合肥市安徽建筑大學(xué)南校區(qū)南大門東側(cè)（如圖1所示）。建筑占地面積為4957 m2，建筑總面積為39482 m2。整棟建筑由主樓和裙樓組成，主樓21層，高度為78.3 m，裙樓4層，高度為16.3 m。建筑功能主要作為學(xué)院實(shí)驗(yàn)室用房和部分學(xué)校、學(xué)院行政辦公用房。[11]

圖1 實(shí)驗(yàn)綜合樓外觀圖

（二）氣候資源

安徽省合肥市為夏熱冬冷地區(qū)，全年氣象參數(shù)如表1所示。年平均氣溫15.7度，降雨量近1000毫米，日照時(shí)數(shù)2100小時(shí)左右。最熱月為7-8月，平均氣溫超過28℃；最冷月為1月，平均氣溫僅3℃。全年最高水平面太陽(yáng)輻照量出現(xiàn)在7月，平均為5.06 kWh/m2/d；最低水平面太陽(yáng)輻照量出現(xiàn)在12月，平均為2.63 kWh/m2/d。根據(jù)國(guó)家氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心發(fā)布的《2020年中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)》[12]可得，合肥市平均年總輻照量在1369 kWh/m2左右，屬于三類地區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，具有良好的開發(fā)前景。

表1 合肥全年氣象參數(shù)

二、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及其參數(shù)

（一）光伏組件

本項(xiàng)目裝機(jī)容量54 KWp，使用270 Wp多晶硅電池組件200塊，組件大小為1640 mm*990 mm*35 mm，工作電壓31.2 V，工作電流8.65 A。每20塊電池組件為1組串，安裝在一套支架上，單元內(nèi)組件雙排豎向布置，采用3°-5°傾角固定式安裝。項(xiàng)目整體分為兩個(gè)安裝區(qū)域，南側(cè)鋪設(shè)120片組件，系統(tǒng)容量32.4 KWp，北側(cè)鋪設(shè)80片組件，系統(tǒng)容量21.6 KWp（如圖2所示）。

圖2 屋面光伏組件安裝實(shí)景

（二）逆變器

光伏面板發(fā)電需要逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以便建筑物日常使用和接入電網(wǎng)。本系統(tǒng)分為10個(gè)光伏組，串接入1臺(tái)50 KW光伏逆變器，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為400 V交流電源，出線經(jīng)光伏配電箱接入用戶側(cè)公共負(fù)載線路。逆變器大小為665 mm*906 mm*256 mm，額定輸入電壓620 V，最大效率為98.9 %。

（三）配電系統(tǒng)

本項(xiàng)目為并網(wǎng)性太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能電池陣列、匯流箱、逆變升壓?jiǎn)卧?、?shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)示意圖如圖3。光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能接入?yún)R流箱，經(jīng)過直流部分的匯流調(diào)整之后，直流輸出接入逆變器。逆變器單元把直流電能轉(zhuǎn)換為市電網(wǎng)同相、同頻的交流電，再經(jīng)過具有交流保護(hù)和短路保護(hù)的配電裝置后，接入400 V/50 Hz的低壓交流電網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)主要由逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集器可以和網(wǎng)絡(luò)及本地計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與逆變器的數(shù)據(jù)連接交換。

圖3 系統(tǒng)示意圖

三、系統(tǒng)運(yùn)行分析

（一）系統(tǒng)理論發(fā)電量

光伏組件輸出電量由研究區(qū)域太陽(yáng)輻射及環(huán)境因素決定。理論計(jì)算中使用如下公式（3-1）計(jì)算光伏組件的輸出電量[13]：

式中：EP為光伏發(fā)電量，kWh；HA為水平面太陽(yáng)能總輻照量，kWh/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度，常數(shù)=1 kWh/m2；K為綜合效率系數(shù)，%。

光伏組件的系統(tǒng)綜合效率是其在實(shí)際工況相對(duì)于額定工況下運(yùn)行輸出的效率系數(shù)，本研究中主要考慮的影響因素如表2所示，考慮氣候變化等不可預(yù)見的自然現(xiàn)象，在計(jì)算中取0.99的修正系數(shù)，則系統(tǒng)綜合效率系數(shù)為81.66 %。

表2 系統(tǒng)效率估算表

取合肥市月均水平太陽(yáng)輻照度作為模板計(jì)算，實(shí)驗(yàn)綜合樓54 kWp太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)逐月發(fā)電量如圖4所示。該系統(tǒng)發(fā)電量從1月至5月呈逐月上升趨勢(shì)，從7月至12月呈逐月下降趨勢(shì)，6月系統(tǒng)發(fā)電量與5、7月相比有所降低。年度最大月發(fā)電量為7月的6917 kWh，5-8月發(fā)電量較大，均在6000 kWh以上。年度最小月發(fā)電量為12月的3595 kWh，11-2月發(fā)電量較少，均少于4000 kWh。系統(tǒng)發(fā)電量大小與氣候相關(guān)，全年變化較大。

該系統(tǒng)年產(chǎn)出電力總量為60360 kWh，月平均發(fā)電量水平為5030 kWh。光伏發(fā)電比傳統(tǒng)化石能源發(fā)電每年減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約21.8噸，減輕排放溫室氣體CO2約60.2噸，減少排放有害氣體SO2約1.8噸、NOX約0.9噸。由此可見，本項(xiàng)目建成后的節(jié)能與減排效果顯著。

圖4 系統(tǒng)逐月發(fā)電量

（二）系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量

實(shí)驗(yàn)綜合樓光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)自2018年7月開始接入電網(wǎng)檢測(cè)平臺(tái)。本文選取2018年9月-2021年8月（三年）的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。各月發(fā)電量數(shù)據(jù)如表3，三年總發(fā)電量為161147 kWh，年均發(fā)電4476 kWh。與相同發(fā)電量的火力發(fā)電相比[14]，三年間減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應(yīng)性氣體CO2約135.9噸，減少排放大氣污染氣體SO2約4.0噸、NOX約2.1噸。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，第一年（2018年9月-2019年8月）總發(fā)電量為59532 kWh，月均發(fā)電量為4961 kWh。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)4-8月的發(fā)電量較大，月總發(fā)電量均可以達(dá)到6000 kWh以上。其中5月份月總發(fā)電量最大，為7383 kWh，7月份次之為7000 kWh。11月份月總發(fā)電量大大減少，為3063 kWh，冬季整體發(fā)電量較少，最小發(fā)電量出現(xiàn)在2月份，為2401 kWh。運(yùn)行第二年（2019年9月-2020年8月）總發(fā)電量為52964 kWh，月均發(fā)電量為4414 kWh。其中4-5月、8-9月的發(fā)電量較大，6-7月的發(fā)電量明顯減少。年度最大月發(fā)電量為4月份的6757 kWh，5月份次之為6662 kWh。10月份起月發(fā)電量顯著減少，為3239 kWh，最小發(fā)電量為1月份的2248 kWh。運(yùn)行第三年（2020年9月-2021年8月）總發(fā)電量為48651 kWh，月均發(fā)電量為4054 kWh。其中5-7月發(fā)電量較大，均在5000 kWh以上，最大月發(fā)電量為5月份的5796 kWh。10月份起月發(fā)電量呈下降趨勢(shì)，為4071 kWh，最小發(fā)電量為12月份的2069 kWh。

表3 光伏發(fā)電量監(jiān)測(cè)表

（三）系統(tǒng)理論與實(shí)際情況分析

取太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)理論計(jì)算月發(fā)電量作為典型年數(shù)據(jù)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)中2018年9月-2021年8月中每年的月發(fā)電量數(shù)據(jù)做比較，結(jié)果如圖6所示。

總的看來(lái)，典型年月發(fā)電量數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)與實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)趨勢(shì)有相似之處。9-1月份整體數(shù)據(jù)呈下降趨勢(shì)，2-5月份整體數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，6-8月份數(shù)據(jù)趨勢(shì)有所不同。由于實(shí)際氣象數(shù)據(jù)與理論氣象數(shù)據(jù)大小有差距，因此實(shí)際發(fā)電量有可能低于或高于理論計(jì)算發(fā)電量。在典型年數(shù)據(jù)中，月最大發(fā)電量出現(xiàn)在7月份，而實(shí)際數(shù)據(jù)中，月最大發(fā)電量有兩年出現(xiàn)在5月份，1年出現(xiàn)在4月份，這與合肥地區(qū)近年來(lái)夏季雨水量較多有關(guān)。典型年數(shù)據(jù)中最小月發(fā)電量出現(xiàn)在12月份，1月與2月月發(fā)電量相比變動(dòng)較小，實(shí)際數(shù)據(jù)中三年最小月發(fā)電量12、1和2月份均有出現(xiàn)?？梢缘贸觯驹掳l(fā)電量全年最小，且數(shù)據(jù)波動(dòng)平緩。

從數(shù)據(jù)大小分析可知：典型年系統(tǒng)總發(fā)電量為60360 kWh，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行第1年發(fā)電量為59532 kWh，是理論數(shù)據(jù)的98.6 %，整體計(jì)算偏差較小，表明系統(tǒng)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)首年的實(shí)際運(yùn)行情況良好。次年發(fā)電情況與首年相比，發(fā)電量減少了6568 kWh，發(fā)電能力下降了11.0 %，第三年發(fā)電量在次年的基礎(chǔ)上繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，發(fā)電量減少了4313 kWh，發(fā)電能力下降了8.1 %。從圖5中可以看出，第1年實(shí)際發(fā)電量與典型年相比，實(shí)際發(fā)電量一年中有7個(gè)月小于理論發(fā)電量，5個(gè)月大于理論計(jì)算量；第2年中有8個(gè)月小于理論發(fā)電量，4個(gè)月大于理論計(jì)算量。而第3年中，全年12個(gè)月實(shí)際發(fā)電量均小于理論值，排除天氣因素，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行到第三年時(shí)，發(fā)電能力下降較多，基本為理論發(fā)電量的80.6 %。因此應(yīng)采取必要的優(yōu)化措施，保證太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。

圖5 發(fā)電量理論值與實(shí)際值對(duì)比

四、結(jié)論

本研究以安徽建筑大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)綜合樓屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了在合肥地區(qū)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的理論和實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，得出以下三點(diǎn)結(jié)論。

第一，該系統(tǒng)三年總發(fā)電量為161147 kWh，年均發(fā)電4476 kWh。與相同發(fā)電量的火力發(fā)電相比，三年間減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應(yīng)性氣體CO2約135.9噸，減少排放大氣污染氣體SO2約4.0噸、NOX約2.1噸。表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能資源的較好利用和良好的節(jié)能減排效果。

第二，典型年月發(fā)電量數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)與實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)趨勢(shì)有相似之處。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行第1年發(fā)電量為59532 kWh，是理論數(shù)據(jù)的98.6 %，整體計(jì)算偏差較小，表明系統(tǒng)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)首年的實(shí)際運(yùn)行情況良好。

第三，該系統(tǒng)在運(yùn)行第三年時(shí)，發(fā)電能力下降較快，為理論發(fā)電量的80.6 %。隨著時(shí)間推移，系統(tǒng)發(fā)電量會(huì)顯著降低，能源管理人員應(yīng)采取必要的優(yōu)化措施，以保證太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

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（責(zé)任編輯：楊書元）