四川盆地光伏車棚運行分析

□何 帆 鄧 開

一、引言

在全球氣候變化及能源經濟轉型大背景下，發展綠色低碳能源技術、構建以可再生能源為主的現代能源體系已成為國際社會的共識。太陽能光伏發電技術以其能源轉換直接、資源豐富、度電成本低等優勢已成為可再生能源技術創新、實現碳中和目標的核心技術之一。在過去十年里，隨著光伏器件及系統的效率不斷增加、成本持續降低，大多數國家太陽能光伏發電的平準化發電成本(Levelized Cost of Energy，LCOE)已經比傳統化石能源發電低。截至2020年，全球累計光伏裝機容量已達到716GW[1]。國際能源署(IEA)預測太陽能光伏發電將是未來幾十年中可再生能源增長的主要推動力，預計2022年后光伏發電每年都會創下發展新紀錄。我國光伏發電產業發展起步較晚，但保持高速率發展，截至2020年中國累計光伏裝機總量已達到254GW[1]，占到全球總裝機容量的30%以上，新增光伏裝機容量連續多年位居全球第一。

近年來，住建部、工業和信息化部等部門出臺多項文件，積極鼓勵光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)及“光伏+”創新應用發展[2]。目前，在我國光照資源較好地區，光伏采光頂、光伏車棚、光伏圍欄等光伏創新應用已隨處可見，成為推動綠色低碳能源轉型、促進綠色經濟發展的重要措施。然而，以四川盆地為代表的低光照資源區，光伏應用推進較為緩慢，光伏電站相關數據分析研究較少。本研究以樂山職業技術學院13.5kW光伏車棚為研究對象，分析一個自然年度下樂職院光伏車棚實際發電數據，并與理論發電量進行對比，旨在分析四川盆地地區光伏車棚項目經濟效益，為后期四川盆地地區光伏項目建設提供參考。

二、樂山地區光照資源及理論發電量

樂山職業技術學院光伏車棚項目點位于北緯N：29°36′，東經E：103°41′，海拔高度約400m,通過Meteonorm 7.1數據庫可以看到該項目點全年水平面累計輻射量約為998.7kWh/m2，如圖1所示。PVsyst是一款光伏系統設計輔助軟件，用于指導光伏系統設計及對光伏系統的發電量進行模擬計算[3]。本文采用PVsyst6.4模擬計算樂職院項目點傾斜面最大輻射量，可以看到，當光伏組件方位角為0°(朝正南方向)，傾斜角為15°時，組件接收到的累計輻射量最大，為1028kWh/m2，如圖2(a)所示。考慮到地形因素，該項目中組件實際方位角為+90°(正西方向)，傾斜角為5°，模擬計算得到實際安裝條件下理論輻射量為998kWh/m2，如圖2(b)所示，約為最佳傾角下輻射量的97.1%。可以看到，在項目實際安裝角度偏離理想安裝角度情況下，發電量損失并不大。同時也說明在四川盆地光伏項目建設中，方陣傾角及方位角具有較大的設計窗口。理論發電量反映了在不考慮灰塵遮擋、串并聯損失、逆變器效率等影響情況下，光伏組件傾斜面接收到的總輻射量可轉化成的電量。根據理論發電量計算公式：理論發電量=系統裝機容量×峰值日照小時數，其中峰值日照小時數為傾斜面總輻射量(998kWh/m2)與標準測試條件下光照強度(1,000W/m2)之比，可計算得到樂職院光伏車棚項目理論發電量約為13,473kWh。

圖2 PVsyst6.4模擬計算樂職院項目點最佳傾角下理論輻射量(a)及實際傾角下理論輻射量(b)

三、樂職院光伏車棚實際發電數據分析

樂山職業技術學院光伏車棚外觀如圖3所示，項目建成時間為2020年11月，共由30塊450W的光伏組件組成，項目容配比為1.35，光伏裝機容量為13.5kW，光伏組件分為兩個組串匯入10kW組串式逆變器，逆變后并入樂職院行政樓一樓配電柜。此外，項目還配套有4個7kW的充電樁，實現光伏車棚+充電樁一體化應用，在滿足學院公務車停放、充電的同時，可支撐光伏發電專業學生電站實訓教學。

圖3 樂職院光伏車棚外觀:(a)正視，(b)俯視

本研究通過逆變器監控系統對樂職院光伏車棚2021年1月至2021年12月每月發電數據進行統計，如圖4所示，可以看到該項目全年累計發電量為11468.2kWh，根據等效利用小時計算公式：等效利用小時=系統總發電量/系統裝機容量，可計算得到全年等效利用小時數為849.5h,其中5月份發電量最高，達到了1349.89kWh,12月份發電量最低，僅為505.56kWh，這與Meteonorm 7.1得到樂職院項目點光照資源數據基本一致。光伏電站系統效率PR(Performance Ratio)定義為系統實際交流發電量與理論直流發電量之比，該參數考慮了光伏電站入射能量、直流側、交流側等環節能量損失，較好反映了光伏電站的綜合性能和運行質量[4]。根據光伏電站系統效率計算公式：系統效率=實際發電量/理論發電量，可以計算得到，樂職院光伏車棚項目PR值約為85.1%。

圖4 2021年樂職院光伏車棚每月發電數據

四、樂職院光伏車棚經濟效益分析

考慮到支架材料差異、施工難度差異、組件價格波動等因素影響，光伏車棚成本存在一定波動[5]，總體而言，目前普通光伏車棚成本可降至7元/W以下。光伏車棚設計壽命為30年，結合樂山地區電價可以估算得出，在運行良好的情況下，該光伏項目十余年可收回建設成本。此外，以目前主流新能源汽車一度電可行駛7公里進行估算，可以發現該項目全年發電量可供新能源汽車累計行駛約80,000公里，可較好滿足4輛新能源汽車全年供電需求，通過該項目可實現減排二氧化碳約12.43噸。另外，光伏車棚的使用可以降低夏季車棚下汽車溫度，增加夏季汽車使用舒適性。同時，作為校企共建項目，樂職院光伏車棚還可以支撐光伏發電專業學生電站實訓教學，可減少學院教學電站建設投入。因此，可以看到，該光伏車棚的建設契合“雙碳”目標下綠色發展理念，具有較大的社會及經濟效益。

五、結語

相對于其他發電形式而言，太陽能光伏發電具有轉換直接、資源豐富、分布均勻等優點。樂職院光伏車棚項目將太陽能光伏利用與綠色電力需求結合，擴大、創新太陽能光伏應用場景，同時促進了科研、教育和產業的結合。通過對樂山職業技術學院13.5kW光伏車棚運行數據分析可以發現，盡管項目點光照資源較差，全年水平面累計輻射量不足1,000kWh/m2，但是仍然具有較好的社會和經濟效益。其中，該項目全年累計發電量達到11468.2kWh，可實現減排二氧化碳約12.43噸，可滿足4輛新能源汽車全年供電需求。因此，四川盆地仍然具有發展光伏應用的潛力，特別是隨著光伏發電進一步降本增效，“光伏+”應用必將成為推動綠色低碳能源轉型、促進綠色經濟發展的重要措施。