太陽能并網發電示范項目在公共文化設施中的運用探討
——以山東博物館為例

楊汝俊，范宗強，馬永玲

（山東博物館山東，山東 濟南 250014）

隨著生態環境惡化和能源危機的到來，太陽能的開發利用引起世界各國的高度重視。2019年，我國發展改革委和能源局著手推進光伏發電無補貼平價上網項目建設。山東位于太陽能資源較富區，具有天然開發優勢。山東博物館太陽能光伏并網發電系統是可再生能源應用示范項目，研究該項目的運行實況可以為推進太陽能在文化設施中的應用提供實際經驗和理論指導，具有重要意義。

1 文化設施能耗現狀

近年來，隨著我國公共文化服務體系建設工作的推進，完善的公共文化工程和文化項目建設成為提高公共文化服務水平的重要保障。

文化設施的主要功能是承擔文化藝術的宣傳和氛圍營造，提供空間使用服務。建筑體內的功能區主以展覽、閱讀、宣教、賞析為核心內容，鑒于展品展示的客觀需要、閱讀或觀展的舒適度標準，人工照明需要調節較高的照度、合適的色溫，照明耗能數量巨大，科學有效的節能降耗成為新建或既有文化設施升級改造中的必答題。采用太陽能光伏發電技術，既能承擔一定的電力供應，又可減少環境污染，應用優勢凸顯，已引起業界人士的高度重視。

2 太陽能光伏并網發電項目

山東博物館太陽能光伏并網發電系統位于建筑物頂層，屋頂設施有機房、豎井和穹頂、安裝風機等設備。為科學利用空間，太陽能光伏并網發電系統采用高度3.8m的H型鋼做鋼結構平臺，把電池板架在平臺上；采用4#熱鍍鋅角鋼制作電池板三角支架，固定安裝角度為35°，陣列不遮擋間距設計為1120mm，陣列建筑布局實施面積約7100m2，所有的電池板朝向正南方，既不影響建筑本體的外觀效果，又可以最大限度地利用太陽能。

光伏矩陣采用標準功率為180Wp的多晶硅光伏組件，規格為1580mm×808mm×35mm，峰值電壓為35.5V，峰值電流為5.07A，短路電流5.45A，開路電壓44V，13塊或12塊串接，共計39組2500塊，總裝機容量429kWp。配電系統的主設備選用39臺德國SMA品牌（型號：11000TL-10）全智能逆變器。樓頂室外安裝逆變器21臺，機房室內安裝18臺。機房選用3臺低壓匯流柜，1臺并網逆功率保護柜，作為交流電源的回流、控制、分配及保護。

3 仿真計算

PVSYST是一款光伏系統仿真模擬軟件，內嵌豐富的氣象資源庫、國內外光伏組件和逆變器數據庫等，可以分析影響系統發電量的各種因素，計算理論發電量。山東博物館太陽能光伏并網發電系統2010年7月正式啟用發電，經現場發電試驗測算，太陽能光伏電池板光電轉換效率計為14%。結合具體實施情況設置模型參數，光伏電池板的發電能力按照第一年衰減2.5%，后續每年的衰減量增加0.8%，采用山東省濟南市典型氣象年的氣候數據，應用軟件建立仿真模型推算發電量，見圖1。首年實測發電量和理論發電量的對比見圖2。

數據分析：

由圖2可見，理論值和實測值的首年發電變化規律一致。3～6月發電量最高，此時正值雨季前期，空氣干燥，大氣透明度好，日照資源最豐富；7～10月進入雨季，日照百分率相對較低，發電量減少；11～次年2月間進入冬季，日照時間明顯下降，發電量最低。對比理論值和實測值，除投入運行的第一個月發電量偏差較大外，其他月份波動較小。將光伏電站的實測數值與軟件理論數值總體做相關性分析，可以看出，項目實測發電量與理論發電量的相關系數r=0.7695，相關程度較高，即采用PVSYST軟件對光伏電站發電量具有良好的預測性。

圖2

軟件模擬全年日照總輻射量時，選取源于NASA數據庫的典型氣象年進行測算，并非實際天氣情況，日照時數、太陽輻射量、溫度等氣象因素的變化對發電量產生了較大影響，是理論值和實測值產生數據差異的主要原因；另外，在實際運行時，受設備運行狀態、線路損耗、組串損耗和逆變器損耗等設備設施因素的影響，實際發電數據也會產生差距；最后，軟件理論計算時選取的太陽能光伏電池板光電轉換效率為恒定值，實際上，電池板表面塵埃遮擋損失、不可利用太陽輻射損失等因素均為變量，因此，光電轉換效率應是變量值。

4 應用優勢

4.1 屋頂空間優勢

根據建設規模，光伏并網發電系統可分為分布式和集中式兩種，分布式光伏發電主要應用于屋樓頂、工業廠房和蔬菜大棚等地方。作為展示文化建設成果、開展群眾文化活動的重要物質載體，博物館、圖書館、文化館、美術館等文化基礎設施擁有廣闊的平層面積，屋面可利用空間豐富，具備光伏發電項目應用推廣的空間優勢。光伏電站可結合負荷需要和場地空間等具體情況靈活確定裝機容量。

4.2 太陽能有效利用

場館設備設施日常工作的用電高峰期是白天，夜晚要求很低，與太陽能光伏發電的工作時間十分吻合，可以對太陽能合理有效地利用。光伏電源位于用戶側，采取就地隨發隨用的方式，節省了長距離大容量的輸電線纜和線損，而且故障可以隨時維修處理，節約時間，能夠提高電站的利用率。

4.3 并網優勢

分布式光伏發電系統較多應用于城市建筑中，采用合理的并網方案即可實現與市電聯網。山東博物館采用支路式并網光伏系統將光伏電池矩陣串聯起來，接到并網逆變器輸入端，通過逆變器輸出230/400V、50Hz交流電，并入館內配電箱交流母線，與市電并聯運行。在電站電量充裕時可由電力公司購買多余電量；電量不足時，則由市網補充供電。

4.4 綠色環保

并網發電系統，不帶蓄電池，能夠避免蓄電池帶來的二次污染，節省蓄電池占用的空間，降低電站投資和維護費用。眾所周知，蓄電池存儲容量有限，其放電深度將會影響其壽命，放電深度越大，使用壽命就會相應縮短；而過小的放電深度又會造成蓄電池容量的浪費。

5 結語

《公共建筑節能設計標準（GB50189-2015）》提出，公共建筑設計宜充分利用太陽能。本文通過山東博物館太陽能光伏并網發電系統運行實況和PVSYST仿真模型的對比分析，得出PVSYST軟件對光伏電站發電量具有良好的預測性，太陽能光伏發電技術能夠帶來可觀的社會效益和經濟效益，在大型公共文化建筑中具有獨特的應用推廣優勢。