太陽能光伏發電系統在重慶地區三星級綠色建筑中的應用

戴輝自，劉軍，秦硯瑤，高敏

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司綠色建筑技術中心，重慶 400016）

0 引言

重慶地區年總輻射量在3400～4180MJ/m2，年日照時數為1000～1400h，日照百分率為25%～35%，輻照量在3-10月份較為充足，夏季太陽輻射量最大，春秋季次之，冬季最小[1]。太陽能應用主要分為光熱應用、光伏（電）應用、太陽能制冷等。

重慶市自2014年11月1日起實施了 《綠色建筑評價標準》DBJ50/T-066-2014，其中第5.2.17條規定：根據當地氣候和自然資源條件，合理利用可再生能源，由可再生能源提供的電量比例不低于1%，得4分，每提高0.5%加1分，最高得分10分[2]。根據重慶市綠色建筑專業委員會發布的數據顯示，對于一般辦公樓等，建筑能耗約在60～80kW·h/m2；重慶市綠色建筑2017年度發展報告顯示，2017年重慶市全年新增二星級以上綠色建筑361萬m2，按5.2.17條規定，如4%的高星級綠色建筑采用太陽能光伏系統，可節約電能約866.4～1155.2萬kW·h[3]。目前，在重慶地區開展太陽能光熱建筑應用的工程較多，但針對太陽能光電應用的系統仍然較少。該文通過實際工程，對太陽能光伏發電系統在綠色建筑中的應用進行分析，為重慶地區其他項目的太陽能光電系統應用提供參考和借鑒。

1 太陽能利用方式

太陽能利用方式多種多樣，就重慶地區而言，主要為光熱應用，其次為光伏應用，太陽能制冷幾乎未涉及。重慶市作為全國首批可再生能源應用示范城市，重慶市云陽縣、重慶市巫溪縣為全國可再生能源應用示范縣，先后在學校建筑中開展了大量的太陽能光熱應用，為學校提供大量的生活衛生熱水，取得了良好的節能效益。

在太陽能光伏應用上，部分學者對太陽能光伏應用進行了研究，李衛平等人針對重慶地區建筑一體化太陽能發電系統經濟性進行了分析，由于重慶地區太陽輻射的特點，部分時段連續陰雨天較長，即使是為日耗電量為2.6kW·h左右的普通家庭供電，也需配置較大容量的蓄電池組及峰值功率較高的太陽能電池陣列[4]。丁勇等人針對重慶市太陽能資源進行實際測試與分析對比，結果表明，重慶地區非晶硅太陽能電池板的比功率發電量大于單、多晶硅的比功率發電量，光伏發電成本約為常規發電技術的2～3倍[5]。但是隨著太陽能光伏系統規模的增大，規模效應帶來了成本的降低。目前，太陽能光伏發電系統存在部分應用，如解放軍后勤工程學院綠色建筑示范樓，兄弟裝飾公司總部辦公樓等。

2 案例分析

2.1 項目概況

該項目為重慶某高校水力實驗樓，位于重慶市江津區，該樓主要功能為開展國內各主要水利航道的水力實驗研究，截至目前，已獲得重慶市三星級綠色建筑設計標識。項目場地周邊開闊，無高大建筑遮擋，適合太陽能光伏應用。項目總用地面積15.4萬m2，總建筑面積41645.86m2。項目包含4個試驗廳，其中1#試驗廳地上一層，局部夾層，總建筑面積4184.48m2；2#試驗廳為單層結構，局部有夾層，總建筑面積3301.25m2；3#試驗廳為單層結構，局部夾層，總建筑面積3116.55m2；4#試驗廳為單層結構，總建筑面積31043.58m2。項目在設計建造過程中以三星級綠色建筑為設計目標，綜合采用綠色建筑技術措施，實現“四節一環保”，達到三星級綠色建筑標準。項目效果圖如圖1。

圖1 項目效果圖

2.2 太陽能光伏發電系統設計

該項目的主要功能為水力實驗，根據業主單位提供的數據顯示，參考其已有的實驗樓，該類型建筑全年單位建筑面積耗電量約為55kW·h/m2，總建筑面積為41645.86m2，每年能耗量約為2290522.3kW·h，按4%的用電量來自于可再生能源計算，則太陽能光伏發電系統發電量不少于91620.9kW·h，據此要求進行設計。

（1）光伏系統選擇

目前市面上太陽能光伏發電系統形式較多，根據業主提供的設計資料，太陽能資源條件如表1所示。從表1中可以看出，一年中總輻照量最少時段在春冬季的11-1月份，日平均太陽輻射在1.74～1.93kW·h/m2之間，極少值出現在12月，極大值出現在7月份；最多的時段是夏秋季節的4-8月份，日平均太陽輻射在3.64～4.56kW·h/m2之間。從表1可計算得出，全年平均太陽輻射為1116.9 kW·h/m2。

表1 項目所在地氣象資料條件

（2）光伏組件的選擇

作為太陽能發電系統的核心部件，太陽能電池組件技術性能和指標對系統的長期穩定運行起到至關重要的作用。一般要求其轉換率高，使用壽命長，技術性能穩定；結合業主的需求，及技術性能，該系統選擇270Wp/31.5V多晶硅光伏組件，技術參數如表2所示，光伏組件如圖2所示。

（3）裝機容量計算

通過計算分析，總裝機容量需達125.1kWp，共需安裝450塊270W高效多晶硅光伏組件。

（4）光伏系統平面布置

該項目電氣設計中，太陽能光伏發電系統主要供應室內的照明用電，動力用電采用市電，多余電量上網。經核算，該項目共有4棟建筑，結合業主的要求以及太陽能光伏系統相關設計規范，光伏組件安裝于3#樓船模及波浪試驗廳，并與支架固定在屋面鋼結構上，發電系統共30組串，每組串由15塊太陽能電池組件串聯，每13/7路（不同顏色）并聯至1個60/36kW組串式逆變器（圖3、圖4）。

表2 270Wp多晶硅光伏組件參數表

圖2 光伏組件

圖3 光伏組件平面布置圖

圖4 光伏組件局部放大圖

2.3 太陽能光伏發電系統發電量計算

根據《光伏發電站設計規范》GB50797－2012第6.6條發電量計算中規定，光伏發電站年平均發電量Ep計算如下：Ep=HA×PAZ×K，式中：HA為水平面太陽能年總輻照量（kW·h/m2）；Ep為上網發電量（kW·h）；PAZ為系統安裝容量（kW）；K為綜合效率系數。綜合效率系數K是考慮了各種因素影響后的修正系數，其中包括：光伏組件類型修正系數；光伏方陣的傾角、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、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[8]。

根據計算，Ep=1116.9×125.1×0.7=97806.9kW·h。

表3 太陽能光伏發電系統25年發電量計算

根據重慶地區的太陽能資源條件，該項目首年發電量約為97024.4kW·h，隨著時間的推移，電池組發電效率的降低，按年衰減率0.8%計算，25年內發電量總數為2206426.6kW·h，25年內年平均發電量為88257.1kW·h。

3 系統經濟性分析

3.1 投資回收期分析

經與業主單位溝通咨詢，該系統造價約為122.0萬元（含材料費、人工費、安裝費等）。經計算，系統年均發電量約88257.1kW·h，按電價為0.52元/kW·h計（學校用電），每年可節約電費約88257.1×0.52=45893.7元（4.59萬元），根據《國家發展改革委關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》，分布式光伏電站發電實行全電量補貼政策，補貼標準為0.42元/kW·h。則每年的補貼費用為88257.1×0.42=37067.9元（3.71萬元），太陽能光伏發電系統的投資回收期為122÷（4.59+3.71）=14.7年，根據目前部分文獻數據顯示，投資回收期為14.7年時，基本與福建省的太陽能光伏發電系統投資回收期持平[9]。

3.2 節能減排分析

按2017年國家公布的數據計算，每節約1kW·h電，相當于節約0.36kg標準煤，減少污染排放0.272kg粉塵、0.262kg CO2，整個項目太陽能光伏發電系統每年可減少燃煤53.3t，減排粉塵40.3t，減排CO256.5t。

3.3 存在的問題與不足

該項目太陽能光伏發電系統在設計實施過程中，主要存在以下問題：

（1）太陽能光伏發電系統需與建筑主體結構設計同步進行，如在既有建筑上實施，一方面需考慮光伏發電系統設備對建筑荷載的影響；一方面可能對建筑立面或屋面（第五立面）影響較大。該項目屋面造型為曲面造型，在設計過程中需很好地結合屋面造型，將其對屋面的影響降到最低。

（2）重慶地區位于太陽能資源貧乏區，太陽輻射密度低，且陰雨天氣多，在年發電量相同時，較拉薩等地區太陽能光伏發電系統裝機容量多近50%，造價也高近50%，因此，太陽能光伏發電系統的相對造價較高，投資回收期較長，在重慶地區目前暫未大規模推廣。

4 結論

通過對某三星級綠色建筑的光伏發電系統進行設計分析，結合項目實際情況，按可再生能源應用比例不低于4%計算，對項目進行經濟性分析，發現該系統每年可節約運行費用8.2萬元（含補貼）。并且，光伏發電系統的投資回收期為14.7年，基本與其他地區類似項目持平。因此，在太陽能光伏系統應用過程中，有如下情況時，可考慮采用太陽能光伏發電系統：

（1）在以照明負荷較大、負荷平穩的建筑中，采用光伏發電系統，設備投入可降低系統的復雜程度。

（2）在三星級綠色建筑中，一般均存在可再生能源應用，如建筑無中央空調系統，可考慮采用光伏發電系統，提升綠色建筑的綠色化性能。

該項目光伏發電系統的實施，可為重慶地區其他項目的太陽能光伏發電系統建設提供借鑒。

[1]丁勇，連大旗，李百戰.重慶地區太陽能資源的建筑應用潛力分析[J].太陽能學報，2011，32（2）：165-170.

[2]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：17.

[3]重慶市建筑節能協會綠色建筑專業委.DBJ50/T-066-2014重慶市綠色建筑評價標準 [S].重慶市城鄉建設委員會，2014.

[4]住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心.綠色與建筑運行評價標識項目案例集[M].北京：中國建筑工業出版社，2016：71-76.

[5]李衛平，王維俊.重慶地區建筑一體化太陽能發電系統經濟性淺析[J].重慶建筑，2010，9（3）：5-8.

[6]唐爽，丁勇，董孟能，等.重慶地區太陽能光伏發電潛力分析[J].重慶建筑，2014，13（9）：8-11.

[7]重慶市綠色建筑專業委員會，重慶大學綠色建筑與人居環境營造教育部國際合作聯合實驗室.重慶市建筑綠色化發展年度報告2017[M].北京：科學出版社，2017：21-24.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50797－2012光伏發電站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2012.

[9]邱壽豐，王庫.省域居民分布式光伏發電系統投資回收期研究——以福建省為例[J].閩江學院學報，2016，37（4）：46-55.