高校建筑太陽能光伏發電系統應用研究——以安徽建筑大學南校區實驗綜合樓為例

魏蒙蒙

高校建筑太陽能光伏發電系統應用研究——以安徽建筑大學南校區實驗綜合樓為例

魏蒙蒙

[安徽建筑大學]

文章結合安徽地區太陽能資源現狀，以安徽建筑大學南校區實驗綜合樓太陽能光伏發電系統作為研究對象，分析太陽能光伏系統理論和實際運行的特征和效果，評估該系統發電量的逐年變化情況，有益于太陽能光伏發電技術的開發利用。研究結果表明，該系統在運行期間年均發電4476kWh，減少標準煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應性氣體CO2約135.9噸，達到了太陽能資源的較好利用和良好的節能減排效果。系統首年實際運行情況良好，整體數據與理論發電量趨勢相似，實現了理論運行情況的98.6%。系統發電效率隨著時間推移顯著降低，第三年發電量基本為理論發電量的80.6%，高校能源管理人員應采取必要的優化措施，保證太陽能光伏系統的發電效率。

太陽能；光伏發電；節能減排；發電效率

能源與環境問題是當今世界追求可持續發展面臨的兩項最艱巨的挑戰，世界上約40%的能源消耗和近三分之一的溫室氣體排放均與建筑行業有關。[1]同時，隨著我國高等教育的逐步普及，高校建筑成為各類建筑中能耗較高的一部分。在高校建筑中建立太陽能光伏系統，即可以有效利用高校建筑密度較低的特點，為高校節約能源，又能夠方便教學科研，起到良好的示范性作用。[2]為了進一步建設“清潔低碳、安全高效的現代化能源體系”，下個十年中國將建設大規模光伏發電系統，每年新增光伏發電系統約80-160 GW/年。[3]高校建筑可以通過對太陽能光伏系統的科學開發利用，實現綠色校園的目標。[4-5]目前已有較多研究基于不同地區的氣候條件對高校太陽能光伏系統進行應用和探索。[6-8]在大多數高校建筑中，太陽能光伏系統具有良好的運行情況，為高校帶來了經濟效益和社會效益。[9-10]

一、基本信息

（一）建筑概況

安徽建筑大學實驗綜合樓位于安徽省合肥市安徽建筑大學南校區南大門東側（如圖1所示）。建筑占地面積為4957 m2，建筑總面積為39482 m2。整棟建筑由主樓和裙樓組成，主樓21層，高度為78.3 m，裙樓4層，高度為16.3 m。建筑功能主要作為學院實驗室用房和部分學校、學院行政辦公用房。[11]

圖1 實驗綜合樓外觀圖

（二）氣候資源

安徽省合肥市為夏熱冬冷地區，全年氣象參數如表1所示。年平均氣溫15.7度，降雨量近1000毫米，日照時數2100小時左右。最熱月為7-8月，平均氣溫超過28℃；最冷月為1月，平均氣溫僅3℃。全年最高水平面太陽輻照量出現在7月，平均為5.06 kWh/m2/d；最低水平面太陽輻照量出現在12月，平均為2.63 kWh/m2/d。根據國家氣象局風能太陽能資源中心發布的《2020年中國風能太陽能資源年景公報》[12]可得，合肥市平均年總輻照量在1369 kWh/m2左右，屬于三類地區，太陽能資源豐富，具有良好的開發前景。

表1 合肥全年氣象參數

二、太陽能光伏系統及其參數

（一）光伏組件

本項目裝機容量54 KWp，使用270 Wp多晶硅電池組件200塊，組件大小為1640 mm*990 mm*35 mm，工作電壓31.2 V，工作電流8.65 A。每20塊電池組件為1組串，安裝在一套支架上，單元內組件雙排豎向布置，采用3°-5°傾角固定式安裝。項目整體分為兩個安裝區域，南側鋪設120片組件，系統容量32.4 KWp，北側鋪設80片組件，系統容量21.6 KWp（如圖2所示）。

圖2 屋面光伏組件安裝實景

（二）逆變器

光伏面板發電需要逆變器將直流電轉換為交流電，以便建筑物日常使用和接入電網。本系統分為10個光伏組，串接入1臺50 KW光伏逆變器，逆變器將直流電源轉換為400 V交流電源，出線經光伏配電箱接入用戶側公共負載線路。逆變器大小為665 mm*906 mm*256 mm，額定輸入電壓620 V，最大效率為98.9 %。

（三）配電系統

本項目為并網性太陽能光伏發電系統，主要由太陽能電池陣列、匯流箱、逆變升壓單元、數據采集及監控系統等組成，系統示意圖如圖3。光伏陣列將太陽能轉化為直流電能接入匯流箱，經過直流部分的匯流調整之后，直流輸出接入逆變器。逆變器單元把直流電能轉換為市電網同相、同頻的交流電，再經過具有交流保護和短路保護的配電裝置后，接入400 V/50 Hz的低壓交流電網。監控系統主要由逆變器來實現，數據采集器可以和網絡及本地計算機連接，實現與逆變器的數據連接交換。

圖3 系統示意圖

三、系統運行分析

（一）系統理論發電量

光伏組件輸出電量由研究區域太陽輻射及環境因素決定。理論計算中使用如下公式（3-1）計算光伏組件的輸出電量[13]：

式中：EP為光伏發電量，kWh；HA為水平面太陽能總輻照量，kWh/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；ES為標準條件下的輻照度，常數=1 kWh/m2；K為綜合效率系數，%。

光伏組件的系統綜合效率是其在實際工況相對于額定工況下運行輸出的效率系數，本研究中主要考慮的影響因素如表2所示，考慮氣候變化等不可預見的自然現象，在計算中取0.99的修正系數，則系統綜合效率系數為81.66 %。

表2 系統效率估算表

取合肥市月均水平太陽輻照度作為模板計算，實驗綜合樓54 kWp太陽能光伏系統逐月發電量如圖4所示。該系統發電量從1月至5月呈逐月上升趨勢，從7月至12月呈逐月下降趨勢，6月系統發電量與5、7月相比有所降低。年度最大月發電量為7月的6917 kWh，5-8月發電量較大，均在6000 kWh以上。年度最小月發電量為12月的3595 kWh，11-2月發電量較少，均少于4000 kWh。系統發電量大小與氣候相關，全年變化較大。

該系統年產出電力總量為60360 kWh，月平均發電量水平為5030 kWh。光伏發電比傳統化石能源發電每年減少標準煤消耗約21.8噸，減輕排放溫室氣體CO2約60.2噸，減少排放有害氣體SO2約1.8噸、NOX約0.9噸。由此可見，本項目建成后的節能與減排效果顯著。

圖4 系統逐月發電量

（二）系統實際發電量

實驗綜合樓光伏發電系統的發電量數據自2018年7月開始接入電網檢測平臺。本文選取2018年9月-2021年8月（三年）的運行數據進行分析研究。各月發電量數據如表3，三年總發電量為161147 kWh，年均發電4476 kWh。與相同發電量的火力發電相比[14]，三年間減少標準煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應性氣體CO2約135.9噸，減少排放大氣污染氣體SO2約4.0噸、NOX約2.1噸。

監測數據中，第一年（2018年9月-2019年8月）總發電量為59532 kWh，月均發電量為4961 kWh。監測數據4-8月的發電量較大，月總發電量均可以達到6000 kWh以上。其中5月份月總發電量最大，為7383 kWh，7月份次之為7000 kWh。11月份月總發電量大大減少，為3063 kWh，冬季整體發電量較少，最小發電量出現在2月份，為2401 kWh。運行第二年（2019年9月-2020年8月）總發電量為52964 kWh，月均發電量為4414 kWh。其中4-5月、8-9月的發電量較大，6-7月的發電量明顯減少。年度最大月發電量為4月份的6757 kWh，5月份次之為6662 kWh。10月份起月發電量顯著減少，為3239 kWh，最小發電量為1月份的2248 kWh。運行第三年（2020年9月-2021年8月）總發電量為48651 kWh，月均發電量為4054 kWh。其中5-7月發電量較大，均在5000 kWh以上，最大月發電量為5月份的5796 kWh。10月份起月發電量呈下降趨勢，為4071 kWh，最小發電量為12月份的2069 kWh。

表3 光伏發電量監測表

（三）系統理論與實際情況分析

取太陽能光伏系統理論計算月發電量作為典型年數據，與實際監測中2018年9月-2021年8月中每年的月發電量數據做比較，結果如圖6所示。

總的看來，典型年月發電量數據整體趨勢與實際發電量數據趨勢有相似之處。9-1月份整體數據呈下降趨勢，2-5月份整體數據呈上升趨勢，6-8月份數據趨勢有所不同。由于實際氣象數據與理論氣象數據大小有差距，因此實際發電量有可能低于或高于理論計算發電量。在典型年數據中，月最大發電量出現在7月份，而實際數據中，月最大發電量有兩年出現在5月份，1年出現在4月份，這與合肥地區近年來夏季雨水量較多有關。典型年數據中最小月發電量出現在12月份，1月與2月月發電量相比變動較小，實際數據中三年最小月發電量12、1和2月份均有出現。可以得出，冬季月發電量全年最小，且數據波動平緩。

從數據大小分析可知：典型年系統總發電量為60360 kWh，系統實際運行第1年發電量為59532 kWh，是理論數據的98.6 %，整體計算偏差較小，表明系統理論計算的準確性以及太陽能光伏系統首年的實際運行情況良好。次年發電情況與首年相比，發電量減少了6568 kWh，發電能力下降了11.0 %，第三年發電量在次年的基礎上繼續呈下降趨勢，發電量減少了4313 kWh，發電能力下降了8.1 %。從圖5中可以看出，第1年實際發電量與典型年相比，實際發電量一年中有7個月小于理論發電量，5個月大于理論計算量；第2年中有8個月小于理論發電量，4個月大于理論計算量。而第3年中，全年12個月實際發電量均小于理論值，排除天氣因素，太陽能光伏發電系統在運行到第三年時，發電能力下降較多，基本為理論發電量的80.6 %。因此應采取必要的優化措施，保證太陽能光伏系統的發電量。

圖5 發電量理論值與實際值對比

四、結論

本研究以安徽建筑大學南校區實驗綜合樓屋面光伏發電系統作為研究對象，重點分析了在合肥地區太陽能光伏系統的理論和實際運行特點，得出以下三點結論。

第一，該系統三年總發電量為161147 kWh，年均發電4476 kWh。與相同發電量的火力發電相比，三年間減少標準煤消耗約49.1噸，減輕排放溫室效應性氣體CO2約135.9噸，減少排放大氣污染氣體SO2約4.0噸、NOX約2.1噸。表明該系統實現了太陽能資源的較好利用和良好的節能減排效果。

第二，典型年月發電量數據整體趨勢與實際發電量數據趨勢有相似之處。系統實際運行第1年發電量為59532 kWh，是理論數據的98.6 %，整體計算偏差較小，表明系統理論計算的準確性以及太陽能光伏系統首年的實際運行情況良好。

第三，該系統在運行第三年時，發電能力下降較快，為理論發電量的80.6 %。隨著時間推移，系統發電量會顯著降低，能源管理人員應采取必要的優化措施，以保證太陽能光伏系統的發電效率。

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（責任編輯：楊書元）