昆明高校分布式太陽能光伏系統(tǒng)工程應(yīng)用與評價(jià)

劉穎才

（云南賽安得建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

昆明市太陽輻射資源豐富，全年分布比較均衡，具有太陽能利用的獨(dú)特的自然優(yōu)勢。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)劃定的等級，昆明市屬于太陽能資源比較豐富地區(qū)，且昆明地區(qū)全年最熱月份和最冷月份溫差較小，故非常有利于太陽能可再生能源的使用。近年，云南省大力推廣太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，分布式光伏系統(tǒng)遍地開花。

西南林業(yè)大學(xué)第三教學(xué)樓建成較早，校方有節(jié)能改造相關(guān)需求，該建筑以教學(xué)辦公為主，照明燈具量大，使用人數(shù)多，且根據(jù)教學(xué)樓能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，該建筑晝間能耗占建筑能耗比重較大，屋面平整無遮擋。恰逢昆明市能效提升重點(diǎn)城市第二批建設(shè)項(xiàng)目推進(jìn)契機(jī)，通過與校方對接溝通，對第三教學(xué)樓開展建筑節(jié)能改造相關(guān)工作。

結(jié)合建筑屋面現(xiàn)場條件，經(jīng)調(diào)研，擬在該教學(xué)樓屋面新建一套分布式光伏系統(tǒng)，項(xiàng)目發(fā)電量基本用于本地消納，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，采用低壓 0.4 kV 電壓等級并入電網(wǎng)，不設(shè)儲(chǔ)能裝置［1］。但因該建筑年限較早，相關(guān)建筑設(shè)計(jì)資料尋求困難，且設(shè)計(jì)之初并未考慮屋面承重需求，故在樓頂安裝太陽能光伏系統(tǒng)時(shí)，承重校核成了項(xiàng)目第一要?jiǎng)?wù)；且由于專項(xiàng)資金數(shù)量局限，光伏系統(tǒng)規(guī)模受到一定制約，屋面較為寬敞的現(xiàn)場條件并不能實(shí)現(xiàn)全部利用；另外，由于正值新冠疫情爆發(fā)期，學(xué)校作為重點(diǎn)防控場所單位，面臨巨大疫情防控壓力，項(xiàng)目工期一拖再拖，在確保疫情防控的前提下，按時(shí)按質(zhì)按量完成現(xiàn)場施工工作異常艱難。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡要

本項(xiàng)目的主要系統(tǒng)組成部分如下，直流發(fā)電系統(tǒng)：指太陽電池組件到逆變器直流側(cè)的電氣系統(tǒng)，包括太陽電池組件、直流光伏電纜、組串式逆變器；交流輸配電系統(tǒng)：指逆變器交流 0.4 kV 輸出側(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)的電氣系統(tǒng)，包括交流電纜、箱變、高低壓配電柜等；光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 太陽能光伏組件

太陽電池組件是光伏電站的核心部件，其要求具有非常好的耐侯性，能在室外嚴(yán)酷的環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，同時(shí)具有高的轉(zhuǎn)換效率和廉價(jià)特性［2］。根據(jù)分析計(jì)算，采用越大功率組件系統(tǒng)效率越高，且大功率組件安裝快速、便捷；減少了設(shè)備的安裝時(shí)間；減少了設(shè)備的安裝材料；同時(shí)也減少了系統(tǒng)連線，降低線損。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，本項(xiàng)目選用目前國內(nèi)具備大規(guī)模量產(chǎn)條件，且峰值功率為 550 W 的單晶硅太陽電池組件來組建本項(xiàng)目的太陽電池方陣，共計(jì) 64 塊，光伏組件面積 163.5 m2，設(shè)計(jì)方陣面與地面成 10°角。

1.2 逆變器

本工程系統(tǒng)容量為 35 kW，選用單臺容量小的逆變設(shè)備，逆變器容量根據(jù)屋頂安裝光伏組件容量選擇 36 kW 機(jī)型。其采用 MPPT（最大功率跟蹤）技術(shù)最大限度將直流電（DC）轉(zhuǎn)變成交流電（AC），輸出符合電網(wǎng)要求的電能。具有交流過壓、欠壓保護(hù)、超頻、欠頻保護(hù)、高溫保護(hù)、交流及直流的過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、防孤島保護(hù)等保護(hù)功能。此外，逆變器帶有多種通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)控室，便于整個(gè)電站數(shù)據(jù)處理分析［3］。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)

分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)需要設(shè)置必要的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的組串式逆變器、匯流箱、箱變等設(shè)備的運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與控制，確保光伏電站在有效而便捷的監(jiān)控下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行［4］。本項(xiàng)目監(jiān)測系統(tǒng)具有多種通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到遠(yuǎn)控室，其控制器有模擬輸入端口與外部傳感器相連，測量日照和溫度等數(shù)據(jù)，便于整個(gè)電站數(shù)據(jù)處理分析。

1.4 電氣主接線與并網(wǎng)

電氣主接線分為交直流兩部分：直流部分為光伏組件至逆變器部分，交流部分為逆變器至并網(wǎng)柜，并網(wǎng)柜直接接至附近 10 kV 箱變低壓側(cè)進(jìn)行并網(wǎng)，低壓并網(wǎng)柜就近布置于低壓配電室內(nèi)。

1.5 現(xiàn)場土建工程

在完成相關(guān)承重校核的基礎(chǔ)上，根據(jù)原有建筑物屋面結(jié)構(gòu)情況，在屋面采用預(yù)制混凝土支墩作為配重，抵抗光伏板所承受的風(fēng)荷載，在混凝土支墩上預(yù)埋地腳螺栓，并采用螺栓與鋼支架可靠連接。此種方案對原有屋面建筑做法及防水層破壞較小，建設(shè)成本較低。

2 系統(tǒng)評價(jià)［5］

從現(xiàn)場太陽能光伏系統(tǒng)情況看，該系統(tǒng)觀感質(zhì)量基本達(dá)到國家相關(guān)規(guī)范要求，現(xiàn)場共計(jì)安裝 550 W 單晶硅太陽能光伏組件 64 塊，合計(jì)光伏組件面積 163.5 m2，現(xiàn)場光伏組件以南偏西 10°朝向、傾角 10°安裝于教學(xué)樓屋面，屋面空曠無遮擋。本次工程評價(jià)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)按 GB/T 50801－2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［6］進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)已正常負(fù)載運(yùn)行兩周余，按短期測試方法檢測三次，采集的參數(shù)包括：輻照度、發(fā)電量、電池組件背板溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速，在數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)要求前提下，取 11∶00～13∶00 測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 光伏系統(tǒng)性能評價(jià)結(jié)果

根據(jù) GB/T 50801－2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中主要城市日照量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，昆明市太陽輻照強(qiáng)度 3.9 MJ/m2共計(jì) 63 日，太陽輻照強(qiáng)度10.3 MJ/m2共計(jì) 48 日，太陽輻照強(qiáng)度 14.1 MJ/m2共計(jì) 92 日，太陽輻照強(qiáng)度 21.4 MJ/m2共計(jì) 162 日；根據(jù)屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)性能檢測結(jié)果，該光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化效率約 17.2 %。

通過計(jì)算，該光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá)43 035.35 kWh。

第三教學(xué)樓作為教學(xué)樓及辦公用途，能源種類只包含水耗和電耗兩類，從該棟建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，該教學(xué)樓年耗電量 159 010.3 kWh，根據(jù)《公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定導(dǎo)則》，光伏系統(tǒng)建成后，年節(jié)能率達(dá) 27.1 %，具有良好的節(jié)能示范作用。

按設(shè)計(jì)年限 25 年計(jì)算，達(dá)到的環(huán)境評價(jià)結(jié)果如表2 所示。

表2 光伏系統(tǒng)環(huán)境效益評價(jià)結(jié)果

3 展望

昆明市地處約東經(jīng) 102 度、北緯 25 度，按相應(yīng)太陽能光伏傾角相關(guān)研究及安裝經(jīng)驗(yàn)，集熱器傾角一般與當(dāng)?shù)鼐暥认噙m應(yīng)。即使考慮該系統(tǒng)并非儲(chǔ)能系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)年發(fā)電量最大化，稍微降低安裝傾角，但不應(yīng)降太多，故現(xiàn)場光伏組件安裝傾角可適當(dāng)調(diào)整，或由專業(yè)軟件計(jì)算最合理傾角。

圖1 為測試期間一日光伏組件背板溫度監(jiān)測記錄，從圖中可以看出在測試期間，光伏組件背板溫度在 40 ℃～50 ℃ 間，由峰值功率溫度系數(shù)知，組件溫度升高，系統(tǒng)效率將降低，而且在夏季，組件背板溫度甚至將超過 60 ℃。為此，筆者建議，云南省在大力推廣可再生能源建筑應(yīng)用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)光熱光伏一體化技術(shù)研究推廣，將太陽能熱水系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)融為一體，主要思路即通過光熱系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)以便帶走光伏組件熱量，降低組件溫度提高效率的同時(shí)，提供建筑熱水供應(yīng)。

圖1 測試日光伏組件背板溫度監(jiān)測結(jié)果

因項(xiàng)目性質(zhì)原因，本項(xiàng)目只提供一年運(yùn)行質(zhì)保，質(zhì)保期間，系統(tǒng)雖運(yùn)行相對穩(wěn)定，但是也需要質(zhì)保人員定期進(jìn)行巡視，如在系統(tǒng)運(yùn)行期間，維保人員發(fā)現(xiàn)個(gè)別光伏組件因光伏組件功率大，電流過大造成插接頭燒毀，若巡查不夠仔細(xì)，將造成問題光伏組件形同虛設(shè)，降低系統(tǒng)發(fā)電效率；為了使光伏系統(tǒng)能正常高效運(yùn)行，筆者發(fā)現(xiàn)，對光伏組件面板的定期清理工作也顯得尤為重要；隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加，易損設(shè)備部件也需要進(jìn)行定期更換保養(yǎng)。故質(zhì)保期結(jié)束后，是否有資金支持繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)維保工作，顯得尤為重要。

現(xiàn)今，低能耗、零能耗建筑一直是各國發(fā)展的重點(diǎn)，本項(xiàng)目因資金限制，本系統(tǒng)裝機(jī)容量較小。西南林業(yè)大學(xué)第三教學(xué)樓用能單一，用能量相對較小，現(xiàn)場安裝條件好，在資金允許的前提下，可以適當(dāng)增大裝機(jī)規(guī)模，更大程度降低常規(guī)能源使用量，朝低能耗甚至零能耗建筑目標(biāo)邁進(jìn)。

4 結(jié)語

西南林業(yè)大學(xué)率先在學(xué)校第三教學(xué)樓屋頂建設(shè)分布式光伏示范項(xiàng)目，高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃、高質(zhì)量建設(shè)、高效率推進(jìn)，切實(shí)把試點(diǎn)工作組織落實(shí)好，為全面推進(jìn)學(xué)校分布式光伏規(guī)?；_發(fā)探索路子、樹立標(biāo)桿，為實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)提供示范和引領(lǐng)意義，取得了較好的節(jié)能減排效果，雖因資金限制，本系統(tǒng)裝機(jī)容量相對較小，但作為示范典型，其在政策響應(yīng)、技術(shù)路線選擇上提供了一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，對于昆明市各高校探索節(jié)能改造思路提供了參考。Q