光伏發電與5 kW屋頂并網系統在氣象站應用的探討

徐東亮，劉春生（.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱5000；.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱50030）

?

光伏發電與5 kW屋頂并網系統在氣象站應用的探討

徐東亮1，劉春生2
（1.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱150001；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

摘要：綠色發展是“十三五”乃至更長時期我國戰略性的發展理念。充分利用太陽能可再生能源和氣象站業務用房閑置屋頂，逐步試驗在氣象站安裝5 kW分布式屋頂并網太陽能光伏發電系統，為日常基本氣象業務運行提供電能，既可降低運行成本，又可實現向綠色氣象臺站建設的升級，對于節能環保、推行綠色發展、提高氣象發展內涵具有重要意義。

關鍵詞：氣象；綠色建筑；建筑節能；光伏發電

1　引言

節能減排是綠色建筑內涵的重要內容。將太陽能光伏發電應用于室外氣象探測設備、特別是無電源供給的野外探測設備的供電已在氣象部門應用多年。充分利用太陽能可再生能源，逐步試驗將太陽能光伏發電應用于氣象站日常基本業務運行的供電，是將綠色建筑理念應用于基層氣象臺站基礎設施建設，實現向綠色氣象臺站（以下簡稱“綠色臺站”）建設的升級，也是在“綠色臺站”建設中，尊重當地氣候變化規律，以微氣候改善大氣候環境的有益嘗試，對于節能環保、推行綠色發展、提高氣象發展內涵具有重要意義。

2　太陽能光伏系統

2.1太陽能光伏系統

太陽能光伏系統（solar photovoltaic system）是利用太陽電池半導體材料的光伏效應將太陽光輻射能直接轉換為電能的發電系統，簡稱光伏系統。

2.2太陽能光伏系統的分類

太陽能光伏系統可分為獨立光伏發電、并網光伏發電和分布式光伏發電系統3類。

（1）獨立光伏發電系統（independent photovoltaic power system）。也叫離網光伏發電系統，是指太陽能光伏發電系統不與公共電網連接而獨立運行的光伏系統，典型特征是需用蓄電池來存儲電能以備夜晚用電。在民用范圍，其主要用于邊遠的鄉村，如家庭系統、村級光伏電站等；在工業范圍，其主要用于通信、衛星廣播電視、太陽能水泵等，以及太陽能路燈等各種帶有蓄電池需獨立運行的光伏發電系統。

（2）并網光伏發電系統（grid-connected photovoltaic power supply system）。是指太陽能電池組件產生的直流電經并網逆變器轉換成符合市電要求的交流電后直接接入公共電網的光伏系統，可分為帶蓄電池和不帶蓄電池兩種。帶蓄電池的并網發電系統具有調峰和備用電源功能，可根據需要并入或退出電網，并在電網停電時向負載提供電能。帶蓄電池的光伏并網發電系統常用于民用；不帶蓄電池的并網發電系統不具備調峰和備用電源功能，一般應用在較大型的系統上。

（3）分布式光伏發電系統（distributed photovoltaic power generation system）。又稱分散式發電或分布式供能，是指在用戶現場或附近安裝小型光伏發電系統。該系統在有陽光時太陽能電池組件產生的直流電經并網逆變器轉換成符合市電要求的交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節，以滿足特定用戶的需求，支持現存配電網的經濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。分布式光伏技術是未來世界能源技術的重要發展方向，也是我國光伏產業政策重點支持的方向，具有能源利用效率高，環境負面影響小，提高能源供應可靠性和經濟效益好的特點。

3　屋頂光伏并網發電系統

3.1屋頂光伏并網發電系統概念

屋頂光伏并網發電系統就是將太陽能電池板安裝在建筑物的屋頂上，系統與公共電網相連，共同承擔供電任務。當有陽光時，逆變器將光伏發電系統所產生的直流電轉變成符合市電要求的交流電，該交流電可以直接供給負載并將剩余電能輸送給電網，或者直接將產生的全部電能并入電網。當沒有陽光或光伏系統電力不足時，負載用電則由電網供給。這種系統又稱為可逆流并網光伏發電系統。由于系統安裝在屋頂上，即緊臨用電現場，故屋頂光伏并網發電系統本質上就是分布式光伏發電系統。對于小型分布式并網光伏系統，特別是光伏建筑一體化光伏發電系統，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流。

3.2分布式屋頂光伏并網發電系統構成

太陽能光伏系統無論是獨立使用還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽電池陣列（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。根據需要還可配置蓄電池。因光伏系統主要由電子元器件構成（電池組件模塊化），不涉及機械部件，故光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。

圖1　分布式并網光伏發電系統構成圖

圖1所示為分布式并網光伏發電系統構成圖。圖中，與典型并網系統相比，選擇配置了儲能用蓄電池，是考慮到黑龍江省現階段光伏并網的實際困難和黑龍江省基層氣象臺站遠離主城區并需24小時實時運行的實際情況。選配蓄電池所增投資將與光伏組件的投資相當，將比不配蓄電池的系統帶來初裝成本和運維成本的增加。

3.3裝機容量與屋頂所需面積

屋頂光伏并網發電系統裝機容量的大小取決于用電設備負荷、屋頂的樣式（平面屋還是斜屋頂）及其面積大小。根據黑龍江省氣象站日常基本業務用電情況，估算裝機容量為5 kW。

一般情況下，平面屋頂安裝量約為60-80 W/m2，斜屋頂安裝量約為100-120 W/m2。黑龍江省氣象站使用的業務用房多為斜屋頂，則5 kW裝機容量約需占用屋頂面積42-50 m2。

3.4發電量估算

估算光伏發電系統的發電量，需知道光伏發電系統的裝機容量、系統綜合效率和裝機地點的年平均日照時間，估算公式如下：

式中：E為光伏發電系統的理論發電量，單位千瓦小時（kW·h，俗稱“度”）；P為光伏發電系統的裝機容量，單位千瓦（kW）；H為裝機地點的年平均日照時間，單位小時（h）；K為光伏發電的綜合效率系數，是考慮了各種因素（包括光伏組件類型修正系數、光伏方陣的傾角和方位角修正系數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路與升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數、光伏組件轉換效率修正系數）影響后的修正系數，一般取值在75-85%之間，視情況而定。

理論發電量是理想日照條件下的發電量。通過光伏企業對黑龍江省正在運行的光伏系統實測數據分析得知，黑龍江省平均可利用日照時間遠小于理想日照時間，根據經驗大約只有理想日照時間情況下的2/3，這與黑龍江省年平均可利用日照時間1200 h的經驗值相吻合，故實際可能的發電量可按上述理論發電量的2/3估算。

根據黑龍江省氣候中心對全省氣象臺站最近30年（1981-2011年）整編資料日照時數統計結果，現將黑龍江省13個市（地）的日有效日照時間列于表1。

表1　黑龍江省13個市（地）日有效日照時間（單位：h）

例如，5 kW光伏并網發電系統，安裝地點在哈爾濱市，根據表1，其年平均日照時間為365×6.6，即為2409 h，若光伏并網發電系統的綜合效率系數取為80%，則該系統年理論發電量約為5×2409×80%，即9636 kW·h，實際可能的發電量約為6424 kW·h，折合到每一天相當于日有效發電量約為17.6 kW·h。

4　效益評估

光伏并網發電系統的效益可從經濟效益、節能效益和環保效益3個方面考慮。

4.1經濟效益

按國家和黑龍江光伏發電補貼現行政策，分布式光伏系統每發1 kW·h的電量可享受0.42元 （含稅）補貼，通過可再生能源發展基金支付，由電網企業轉付；自用有余上網的電量由電網企業按照當地燃煤機組標桿上網電價收購。按《國家發展改革委關于降低燃煤發電上網電價和工商業用電價格的通知》（發改價格〔2015〕748號），黑龍江燃煤機組標桿上網電價為0.3864元/kW·h。

以裝機容量為5 kW、安裝在哈爾濱市為例。通常光伏系統的使用壽命為25 a；目前屋頂光伏并網發電系統每瓦裝機成本（含安裝和儲能裝置）約為15元，則5 kW系統的成本約在7.5萬元左右；哈爾濱市電實行階梯電價，每月用電170 kW·h以下為0.51 元/kW·h、171-260 kW·h為0.56 kW·h、260 kW·h以上為0.81元/kW·h。單位用電通常超過260 kW·h，故按0.81元/kW·h計算。

（1）若全部自發自用。年收益＝全年發電量×（市電價格+補貼電價）＝6424×（0.81＋0.42）＝7901.52元，則投資回收期在9.49 a。考慮到更換電池等維持費用，收回成本時間將更長。

（2）若自發自用、余電上網。年收益=自發自用部分電費A+上網部分電費B

其中：A=自發自用部分電量×自發自用部分電價=自發自用部分電量×（市電價格+補貼電價）

B=上網部分電量×上網部分電價=上網部分電量×（當地燃煤標桿上網電價+補貼電價）

假設分布式光伏系統所發電量一半自用一半上網，則可分別算出：

A＝6424÷2×（0.81＋0.42）=3950.76元；B＝6424÷2× （0.3864＋0.42）=2590.16元

則年收益為6540.92元，則投資回收期在11.47 a，考慮維持成本，收回成本時間將更長。

表2　5 kW分布式光伏系統效益比較

（3）若全部上網。年收益＝全年發電量×（當地燃煤標桿上網電價+補貼電價）＝6424×（0.3864＋0.42）＝5180.31元，則投資回收期在14.48 a，考慮維持成本，收回成本時間將更長。

通過上述分析可知，在黑龍江省安裝分布式光伏系統以自發自用收益最高，自發自用、余電上網收益次之，全部上網收益最低，特別是很多地方光伏發電還難以并網取得并網收益，收回成本實際周期將更長。表2給出了5 kW分布式光伏系統不同使用方式的效益比較。

4.2節能效益

有學者研究，屋頂光伏系統在建筑能耗中的影響相當于在屋頂設置了遮陽板，在夏季可減少頂層房間的制冷負荷，在冬季則增大了頂層房間的采暖負荷，兩項綜合的總能耗是減少的，這對低緯度地區的節能效果尤為明顯。

4.3環保效益

環保效益主要體現在低碳減排。據專家統計：每節約1 kW·h市電，相當于節約0.4 kg標準煤，減少0.272 kg碳粉塵、0.997 kgCO2、0.03 kgSO2、0.015 kg-NOx的污染排放。據此，在哈爾濱市使用5 kW光伏并網發電系統全部自發自用，每年約可節約2 569.6 Kg標準煤，減少1 747.3 kg碳粉塵、6 404.7 kgCO2、192.72 kgSO2、96.36 kgNOx的污染排放。

5　影響光伏系統發電量的因素

5.1黑龍江省太陽能輻射的特點

在太陽電池組件轉換效率一定的情況下，光伏系統的發電量是由太陽的輻射強度決定的，太陽的輻射強度、光譜特性是隨著氣象條件而改變的。

黑龍江省是我國緯度最高、年平均氣溫最低、太陽輻射較好、太陽能資源較豐富的省份之一，年太陽總輻射量為4400-5028 MJ/m2，輻射資源總儲量約為2.30×106億kW·h，位列全國第6；年日照時數在2400-2800 h，與長江中下游相當，為太陽輻射強度三類地區，日照百分率為60%，空間分布趨勢為西南部太陽總輻射值最大，中東部和北部地區太陽總輻射相對較少，日照率主峰值出現在冬季（12-2月），這是因為黑龍江地理緯度高，冬季太陽高度角低，南向垂直面上的太陽輻射強度大。黑龍江省13個市（地）年平均日照時數均值為6.84 h，高于全國4 h的平均值，在“綠色臺站”建設中安裝分布式太陽能光伏發電系統具有可行性。

5.2光伏面板安裝的方位角和傾角

光伏面板安裝的方位角與傾角選定是光伏系統設計時最重要的因素之一。

（1）方位角。在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發電量最大。如果光伏面板受設置場所（如屋頂、土坡、山地、建筑物結構及陰影等）的限制時，則應因地制宜，充分利用現有地形和有效面積，避開周圍建筑物或樹木產生的陰影，只要在正南±20°之內，均不會對發電量有太大影響。

（2）傾角。是指地平面（水平面）與光伏面板間的夾角，對光伏發電的影響較大，通常取當地緯度加上幾度做為光伏面板安裝的最佳傾角（如在哈爾濱市，緯度為45.68°，加上3°，即48.68°為最佳傾角），以使太陽能電池年發電量盡可能大、冬夏發電量差異盡可能小。傾角對于高緯度地區尤為重要，因高緯度地區冬、夏水平面太陽輻射量的差異非常大，如黑龍江省相差約5倍。

5.3太陽電池組件的效率

目前太陽電池組件根據工藝的不同分為單晶硅、多晶硅薄膜、非晶硅薄膜3類，其主流材料是硅。硅材料轉化率的理論極限為29%，實驗室記錄已達25%。將第三代納米技術與現有技術結合取得“革命性突破”已使硅材料的轉化率提升至35%以上，該技術已在實驗室完成，一旦產業化規模量生產將極大地降低太陽能發電成本。表3是三種硅基太陽能電池性能比較。

從單晶硅的晶體結構和效率考慮，單晶硅光伏

表3　三種硅基太陽能電池性能比較

系統的電能回報更高，也即單晶硅發電的長遠價值更高，從而決定了單晶硅是高效晶硅電池最為成熟和理想的晶體硅材料，必將取代多晶硅成為未來太陽能發電的主導。

5.4組合損失

太陽電池根據需要需進行串聯、并聯和混聯組合。串聯組合會因組件的電流差異造成電流損失，并聯組合會因組件的電壓差異造成電壓損失，綜合組合損失可達8%以上，中國工程建設標準化協會標準規定組合損失小于10%。為減少組合損失，應挑選電流和衰減特性盡可能一致的組件串聯，并增設隔離二極管。

5.5溫度特性

一般硅太陽電池的標準工作溫度為25℃。溫度每升高1℃，硅太陽電池的最大輸出功率將減少0.04%、開路電壓減少0.04%（-2 mV/℃）、短路電流升高0.04%。因此，從自然條件來說，天氣冷且晴朗有利于太陽能發電，黑龍江的天氣特點較適于光伏發電。為減少溫度對光伏系統發電量的影響，應保持光伏面板良好的通風條件，同時合理設計并網系統充放電控制器和逆變器，以實現太陽能電池“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）功能，精確跟蹤工作電壓和功率波動，最大化發揮太陽能電池效能。

5.6灰塵損失

覆蓋在光伏面板表面的灰塵降低了玻璃的透光率，導致照射到面板上的有效面積減少，削弱了面板所接收的太陽輻射的強度，且引起太陽輻照不均勻，導致發電量降低。灰塵也使光伏面板散熱受到影響，并使面板表面受到腐蝕。我國不同地區的環境和氣候情況差別較大，同一地區不同季節的降塵情況也不相同，因此對光伏面板造成的影響也不一樣。有資料顯示，光伏面板的灰塵損失可達6-12%，因此光伏面板需要經常清潔。

5.7線路損失

光伏系統的直流、交流回路的線損要控制在5%以內。為此，設計上要采用導電性能好的導線并有足夠的直徑。施工不允許偷工減料。系統維護中要特別注意接插件以及接線端子是否牢固以保持接觸良好。

5.8控制器、逆變器效率

控制器的充放電回路壓降不得超過系統電壓的5%。目前并網逆變器的效率均可大于95%。

5.9時間衰減

隨著光伏組件的長期使用，其轉換效率將逐年衰減。據報道，在我國西部運行了30 a的光伏電站，從抽檢結果來看，最大功率下降已達近20%。

6　結語

（1）太陽能電池雖歷經160多年的發展歷史，但至今其基本結構和機理仍未發生改變。中國光伏產業起步于20世紀70年代，經歷了初期示范（2007年以前）、產業化建立（2007-2010年）和規模化穩定發展（2011-2014年）3個階段，目前已進入普及應用階段，其發展方興未艾。

（2）屋頂光伏并網發電系統是一種理念，也是一種嘗試，是將閑置的屋頂利用起來實現“屋頂換能”，最大的效益是節能環保效益。使用裝機容量為5 kW并帶有蓄電池的光伏發電系統可滿足基層氣象臺站日常基本業務運行的供電需求，對于大負荷設備和較長時間連續陰雨寡照天氣還須市電供電。

（3）屋頂光伏系統可以保護屋頂結構，隔熱保溫，可以將光伏電池作為建筑材料；光伏建筑一體化設計即 BIPV （Building Integrated PV，PV即Photovoltaic），是將太陽能發電（光伏）產品集成到建筑上的技術，不同于光伏系統附著在建筑上。發展光伏建筑一體化對提高我國建筑節能水平、實現新型城鎮化目標具有重要意義。

（4）太陽能電池板的安全性能。據了解，通過國家標準測試的薄膜太陽能電池板，在下冰雹時不會出現電池板破損，且能抵御自然風力；正規廠商所生產的太陽能電池板都按國家標準進行了絕緣耐壓測試，出現漏電和觸電的幾率很小；太陽能電池板所用原材料主要是玻璃和發電硅層，不會對人體產生任何輻射。

（5）光伏系統價格趨勢。據統計，2007-2015年的8年間，光伏組件的市場價格從每瓦36元下降到現在的3.5-3.8元，下降了86.4%；并網光伏系統價格從每瓦60元降到每瓦7-8元，下降了86.7%；逆變器價格從每瓦4元下降到了每瓦0.3元，下降了90%以上。這為光伏系統走進氣象站提供了經濟可行性。

參考文獻

［1］楊杰，王素美．3kW屋頂并網光伏發電系統的設計方案［J］.能源研究與利用，2012（2）.

［2］霍玉佼，朱麗，等．屋頂光伏陣列優化及其對既有建筑能耗的影響研究［J］.建筑節能，2015（6）.

［3］JGJ203-2010．民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范.

［4］黑龍江省新能源和可再生能源產業發展規劃（2010-2020年）.

文章編號：1002-252X（2016）02-0025-04

收稿日期：2016-3-1

第一作者簡介：徐東亮（1962-），男，重慶市云陽縣人，成都信息工程大學，本科生，高級工程師.