支 琴 姚仁忠 郝 存上海交通大學(xué)

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上海高校分布式光伏系統(tǒng)建設(shè)的探索與實(shí)踐

支 琴 姚仁忠 郝 存
上海交通大學(xué)

摘要：從分布式光伏系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)出發(fā)，解讀了國(guó)家對(duì)分布式光伏項(xiàng)目建設(shè)的政策支持，分析了上海高校的地區(qū)資源。并以上海交通大學(xué)開(kāi)展分布式光伏系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐為例進(jìn)行了技術(shù)探討。

關(guān)鍵詞：高校；分布式；光伏

在普遍被大家認(rèn)可的分布式光伏系統(tǒng)走進(jìn)工業(yè)企業(yè)，走進(jìn)居民家庭的今天，分布式光伏系統(tǒng)是否也可以走進(jìn)高校呢？特別是作為屋頂、校園空地等資源較為豐富的高校，實(shí)際情況是并沒(méi)有得到有效利用，這是學(xué)校管理者需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。

本文以上海交通大學(xué)為例，利用己有屋頂資源，從政策配套應(yīng)用、己有資源分析、技術(shù)路線選擇等方面探討上海高校開(kāi)展分布式光伏系統(tǒng)的建設(shè)。

1　分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的推進(jìn)

1.1應(yīng)用分類

國(guó)家能源局將分布式發(fā)電系統(tǒng)定義為：用戶附近，裝機(jī)規(guī)模較小，電能主要由用戶自用和就地利用的可再生能源、資源綜合利用發(fā)電設(shè)施或有電力輸出的能量梯級(jí)利用多聯(lián)供系統(tǒng)，并網(wǎng)電壓等級(jí)在10 kV及以下。具體分類如圖1。

圖1　分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

目前，根據(jù)國(guó)家政策和系統(tǒng)性價(jià)比，10 kV及以下，單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)容量小于6 MW的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用最廣。

1.2政策支撐

2013年，國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)大量分布式光伏發(fā)電政策，以此來(lái)激勵(lì)和推進(jìn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目的發(fā)展。主要政策如下。

（1）分布式發(fā)電管理暫行辦法（發(fā)改能源［2013］1381號(hào)） ；

（2）關(guān)于分布式光伏發(fā)電實(shí)行按照電量補(bǔ)貼政策等有關(guān)問(wèn)題的通知（財(cái)建［2013］390號(hào)） ；

（3）關(guān)于印發(fā)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)方面相關(guān)意見(jiàn)和規(guī)定 （2013年國(guó)網(wǎng)印發(fā)修訂版）；

（4）關(guān)于開(kāi)展分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)建設(shè)的通知（國(guó)能新能［2013］296號(hào)）；

（5）關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知（發(fā)改價(jià)格［2013］1651號(hào)）。

這些政策，使并網(wǎng)難的問(wèn)題得以緩解，電網(wǎng)接入申報(bào)及核準(zhǔn)有章可循。

2013年8月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布“關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知（發(fā)改價(jià)格［2013］1651號(hào)） ”，明確對(duì)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，國(guó)家按0.42元/kWh實(shí)行全電量補(bǔ)貼，為期20年。同時(shí)按照新版的 《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項(xiàng)資金扶持辦法》，根據(jù)發(fā)電量可獲得為期5年的獎(jiǎng)勵(lì)。分布式光伏的“度電補(bǔ)貼”金額為工、商業(yè)用戶0.25元/kWh，個(gè)人用戶0.4元/kWh，由電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)付。其中，余電上網(wǎng)電量，電網(wǎng)企業(yè)按當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)收購(gòu)。

1.3氣象資源分析

該項(xiàng)目擬建地點(diǎn)位于上海交通大學(xué)閔行校區(qū)，經(jīng)度121.44，緯度31.05；海拔高度4 m。輻照參數(shù)依據(jù)收集的NASA地面氣象和太陽(yáng)能觀測(cè)數(shù)據(jù)。如表1所示。

表1　上海交通大學(xué)閔行校區(qū)氣象數(shù)據(jù)

從上表中可以看出，年平均日輻照度在3.81 kWh·（m-2·d-1）左右。年平均溫度15.6℃，其中1月為最小，平均氣溫在4.8℃左右；7月最熱，平均氣溫為25.8℃。年平均風(fēng)速在5.6 m/s左右，其中5月份風(fēng)速最低，平均風(fēng)速在5 m/s左右；1月和2月風(fēng)速最大，平均風(fēng)速在6.2 m/s左右。該地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，主要?dú)夂蛱卣魇牵捍禾鞙嘏奶煅谉?，秋天涼爽，冬天陰冷，全年雨量適中，季節(jié)分配比較均勻。總的說(shuō)來(lái)就是溫和濕潤(rùn)，四季分明。這樣的氣象資源較為適合分布式光伏項(xiàng)目的開(kāi)展。

2　分布式光伏系統(tǒng)技術(shù)方案

上海交通大學(xué)項(xiàng)目包括：101 kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)依托屋頂結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)并網(wǎng)電壓380 V。項(xiàng)目集教學(xué)、科研、示范于一體，能夠體現(xiàn)光伏組件、逆變器等硬件的集成、測(cè)試、監(jiān)控等多個(gè)方面，是一個(gè)涉及到材料、機(jī)械、物理、電子、電氣等多個(gè)學(xué)科綜合研發(fā)的平臺(tái)。系統(tǒng)采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，對(duì)校內(nèi)設(shè)施供電或是并網(wǎng)供給其他用戶。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

綜合各項(xiàng)要求及對(duì)各種組建方式的分析，制定了組建方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2　光伏分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該電網(wǎng)系統(tǒng)的組成有：容量為101 kWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)及測(cè)控系統(tǒng)。主要設(shè)備有：太陽(yáng)能電池板、光伏并網(wǎng)逆變器含隔離變壓器、智能電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控裝置。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)原則

（1）考慮建筑物的周邊環(huán)境，盡量避開(kāi)或遠(yuǎn)離遮蔭物

為了增加光伏陣列的輸出能量，應(yīng)盡量避免太陽(yáng)電池板之間互相遮光及被高塔、屋頂邊緣及其他障礙物遮擋陽(yáng)光。

（2）確定最優(yōu)的太陽(yáng)電池組件朝向及傾角

太陽(yáng)電池組件不同的傾角及朝向，所發(fā)電量不同，一個(gè)地區(qū)會(huì)有最佳的傾角及朝向可使太陽(yáng)電池組件發(fā)電量達(dá)到最大（通過(guò)專業(yè)的計(jì)算軟件得到）。

（3）考慮太陽(yáng)電池組件的通風(fēng)，盡量保證通風(fēng)良好

應(yīng)當(dāng)注意太陽(yáng)電池組件的通風(fēng)設(shè)計(jì)，以避免太陽(yáng)電池溫度過(guò)高造成發(fā)電效率降低（晶體硅太陽(yáng)電池的結(jié)溫超過(guò)25℃時(shí)，每升高一度功率損失大約千分之四）。太陽(yáng)電池的溫升與安裝位置和通風(fēng)情況有關(guān)，保證太陽(yáng)電池組件良好的通風(fēng)，有助于提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。

（4）根據(jù)建筑形態(tài)及組件大小確定組件排布方案進(jìn)而確定逆變器

根據(jù)建筑形態(tài)及組件的大小，計(jì)算每一個(gè)屋面可以安裝的組件總數(shù)及排列方式。根據(jù)逆變器輸入直流電壓，確定每組可串聯(lián)的總數(shù)，由于每一個(gè)屋面的朝向不同，光照量和光照時(shí)間都不同，一般一個(gè)屋面對(duì)應(yīng)一個(gè)逆變器，以提高逆變器的效率。

（5）合理設(shè)計(jì)盡量減少電纜長(zhǎng)度

減少電纜長(zhǎng)度，可以減小線路上的電壓降損失，提高系統(tǒng)的輸出能量；減小電纜尺寸，可以降低成本，同時(shí)減輕屋頂負(fù)荷并增加靈活性。所以從太陽(yáng)電池到接線箱、接線箱到并網(wǎng)逆變器以及并網(wǎng)逆變器到并網(wǎng)交流配電柜的電力電纜應(yīng)盡可能保持在最短距離。

（6）安全性

應(yīng)考慮太陽(yáng)電池組件在屋面安裝時(shí)對(duì)屋頂載荷的影響，包括太陽(yáng)電池板自身載荷和抗風(fēng)、抗冰雹沖擊能力、防雷等工程應(yīng)用問(wèn)題，保證光伏系統(tǒng)與建筑安全可靠。

2.2.2光伏組件選擇

太陽(yáng)能電池材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅（薄膜）等。單晶硅的轉(zhuǎn)換率12%～19%，是太陽(yáng)能電池中轉(zhuǎn)換率最高的一種，但安裝位置要求較高；而薄膜電池雖然轉(zhuǎn)換率不高，但安裝位置要求低，受光照影響也較低，因此，根據(jù)組件安裝地的位置，綜合電池的轉(zhuǎn)換效率等可選用不同的電池組件。本項(xiàng)目選擇了薄膜電池組件。

2.2.3光伏組件排布

光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮冬至日8：30～15：30時(shí)段內(nèi)無(wú)遮擋，因此在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需在滿足建筑要求的情況下，通過(guò)排布位置及分區(qū)逆變的方式最大限度的降低陰影遮擋的影響。同時(shí)由于建筑構(gòu)件本身存在遮擋，組件排布要進(jìn)行一定的規(guī)避，本設(shè)計(jì)采用10°傾角排布，光伏組件可安裝面積較大。

2.3并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的重要器件，它的作用是將光伏系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同電壓、同相位的交流電，這樣就可并入電網(wǎng)為負(fù)載供電。

光伏并網(wǎng)逆變?cè)O(shè)計(jì)一般采用組串式和集中式兩種。組串式并網(wǎng)可就近布置，不需要固定場(chǎng)地，人力即可完成安裝；一臺(tái)有故障，對(duì)整體沖擊小；布置要求性不高；電站定期除塵相比時(shí)間可以稍長(zhǎng)。而集中型并網(wǎng)具有木桶效應(yīng)，對(duì)臟污、陰影、老化、升溫、熱斑等現(xiàn)象將無(wú)法集中型的布局無(wú)法避免木桶效應(yīng)。因此本系統(tǒng)采用組串式設(shè)計(jì)。

由于本系統(tǒng)實(shí)施的屋面較為分散，且存在不同的光伏組件規(guī)格及安裝方式，因此我們配置5 臺(tái)20 kW逆變器。

2.4光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的配置電氣設(shè)計(jì)共分為5個(gè)電氣子系統(tǒng)，具體如圖3。

圖3　東上院光伏系統(tǒng)電氣圖

5個(gè)光伏子系統(tǒng)經(jīng)交流配電柜分別就近接入低壓側(cè)（380 V）電網(wǎng)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控及調(diào)度。

2.5監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式發(fā)電系統(tǒng)需配備完善的系統(tǒng)工作及環(huán)境參數(shù)監(jiān)控裝置，完成光伏系統(tǒng)工作參數(shù)的采集和監(jiān)控，以便與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.5.1監(jiān)控系統(tǒng)配置

并網(wǎng)項(xiàng)目配置1套監(jiān)控裝置，主要包括：監(jiān)控用工業(yè)控制機(jī)、網(wǎng)絡(luò)版監(jiān)控軟件和液晶顯示裝置。系統(tǒng)采用獨(dú)立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)并網(wǎng)電站運(yùn)行狀況，利用工業(yè)控制機(jī)采集數(shù)據(jù)，可以連續(xù)每天24h不間斷對(duì)所有的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

2.5.2系統(tǒng)功能

分布式光伏系統(tǒng)可連續(xù)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。具有以下特點(diǎn)：

（1）檢測(cè)電站運(yùn)行參數(shù)，可實(shí)時(shí)顯示電站的當(dāng)前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計(jì)總發(fā)電量、累計(jì)CO2總減排量以及每天發(fā)電功率曲線圖；

（2）可查看每臺(tái)并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行參數(shù)，主要包括：直流電壓、直流電流、直流功率、交流電壓、交流電流、逆變器機(jī)內(nèi)溫度、時(shí)鐘、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、累計(jì)CO2減排量、每天發(fā)電功率曲線圖；

（3）監(jiān)控所有逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，采用聲光報(bào)警方式提示設(shè)備出現(xiàn)故障，可查看故障原因及故障時(shí)間，監(jiān)控的故障信息主要包括：電網(wǎng)電壓過(guò)高、電網(wǎng)電壓過(guò)低、電網(wǎng)頻率過(guò)高、電網(wǎng)頻率過(guò)低、直流電壓過(guò)高、直流電壓過(guò)低、逆變器過(guò)載、逆變器過(guò)熱、逆變器短路、散熱器過(guò)熱、逆變器孤島、DSP故障、通訊失敗等；

（4）具有集成環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，主要包括日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、室外和室內(nèi)環(huán)境溫度和電池板溫度等參量。

3　效益分析

項(xiàng)目地屋頂面積1 800 ㎡，裝機(jī)容量101 kWp。2015年6月開(kāi)始實(shí)施，9月正式并網(wǎng)，目前項(xiàng)目運(yùn)行良好。

3.1系統(tǒng)發(fā)電量

分布式發(fā)電系統(tǒng)的壽命很長(zhǎng)，太陽(yáng)電池組件壽命在20～25年，逆變器壽命在12年以上，而且在20年到期之后，太陽(yáng)電池組件仍然有設(shè)計(jì)功率80%的發(fā)電功率，可以繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，本項(xiàng)目首年發(fā)電量為10.95萬(wàn)kWh，全部就地消納。

3.2經(jīng)濟(jì)效益

按照上海交通大學(xué)的用電電價(jià)0.641元/kWh計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)7萬(wàn)元，同時(shí)可申領(lǐng)國(guó)家補(bǔ)貼0.42 元/kWh，上海市補(bǔ)貼0.40/kWh，補(bǔ)貼共計(jì)9萬(wàn)元。本系統(tǒng)總投資90萬(wàn)元，預(yù)計(jì)6年回收成本。

3.3社會(huì)效益

按照光伏組件的壽命以25年計(jì)，結(jié)合首年實(shí)際發(fā)電量，25年節(jié)能情況如表2所示。

表2　25年節(jié)能減排情況統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)語(yǔ)

上海交通大學(xué)東上院分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施充分利用了學(xué)校屋頂?shù)目臻g資源，合理規(guī)劃和使用了清潔的、可再生的太陽(yáng)能資源，對(duì)于減少大氣污染排放，保護(hù)環(huán)境具有一定的作用，社會(huì)效益及環(huán)境效益良好，取得了節(jié)能減排的效果。由于屋頂資源有限，該項(xiàng)目裝機(jī)容量不是很大，但作為分布式光伏走進(jìn)高校的一個(gè)典型示范，不管是在政策的響應(yīng)、技術(shù)路線的選擇等方面均進(jìn)行了一定的探索，對(duì)于屋頂?shù)荣Y源相對(duì)比較豐富的高校在開(kāi)展節(jié)能減排專項(xiàng)應(yīng)用等方面提供了參考。

Exploration and Practice of Distributed Photovoltaic System Construction in Shanghai Colleges and Universities

Zhi Qin，Yao Renzhong，Hao Cun
Shanghai Jiaotong University

Abstract：The article is based on characteristics of distributed photovoltaic system application to interpret national policy support for distributed photovoltaic project construction.It also analyzes regional resource of Shanghai colleges and universities.It takes an example of Shanghai Jiaotong University distributed photovoltaic system construction practice to carry out technical discussion.

Key words：Colleges and Universities，Distributed，Photovoltaic

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.002