席正飛，李小華，劉向龍，曹桂芳，郭 力

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

某高校屋頂太陽能的利用規(guī)劃

席正飛，李小華，劉向龍，曹桂芳，郭 力

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

進入21世紀后，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，導(dǎo)致能源消耗急劇增大，目前化石能源的過度開采對可持續(xù)能源造成了一定威脅，亦對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，因此運用綠色清潔能源勢在必行。某高校屋頂空間面積大，基本都處于空置狀態(tài)，每年用能量呈現(xiàn)遞增趨勢。鑒于此在屋頂搭建太陽能光伏發(fā)電裝置，有利于大大節(jié)約能源，并對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建進行了可行性分析及經(jīng)濟性評估，且對建成后的發(fā)電裝置節(jié)能性效益進行了預(yù)測。

能源消耗；節(jié)能；太陽能光伏發(fā)電；節(jié)能效益

世界經(jīng)濟的發(fā)展進入21世紀以來，各國對能源的消耗與日俱增.眾多不可再生能源的消耗殆盡和環(huán)境污染問題的日益嚴重，已成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩個關(guān)鍵性因素.當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力.太陽能作為一種可再生能源，擁有其他能源不可比擬的優(yōu)勢，因此開發(fā)和利用太陽能，對于緩解能源危機和環(huán)境污染有著重大的現(xiàn)實意義[1].

煤炭、石油、天然氣等化石能源是20世紀人類社會利用的主要能源[2].作為人類社會經(jīng)濟和文化發(fā)展的主要動力，能源的危機日益加重.調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：到2005年底，全世界化石能源儲量已經(jīng)告急，其中煤炭的平均剩余儲量可開采約227年，石油剩余儲量可開采僅43.9年，天然氣則約為61年[3].據(jù)估計，我國的化石能源在未來一百年內(nèi)即將枯竭.近年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對重工業(yè)的發(fā)展力度加大，工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向重型化方向轉(zhuǎn)型.為了保證我國國民經(jīng)濟健康、快速、可持續(xù)的發(fā)展，解決能源問題已經(jīng)刻不容緩，成為決定我國經(jīng)濟發(fā)展的首要問題[4-5].

正是在這樣的背景下，世界各國相繼采取措施，積極尋找替代性可再生綠色能源來緩解能源危機、保護環(huán)境以實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展.

我國目前國情下，高校不僅是當今社會的重要組成部分之一，也是社會用能大戶.截止至2014年全國共有普通高等學(xué)校和成人高等學(xué)校2600多所，在校學(xué)生人數(shù)高達3280萬人，占全國城鎮(zhèn)人口的5.3%，能源消耗總量占全國社會總能耗的10%.大學(xué)生人均能耗明顯高于全國居民人均能耗，全國大學(xué)生的人均能耗和水耗分別是是全國居民平均值的4倍和2倍.校園建筑數(shù)量龐大，高校類型多樣，能耗結(jié)構(gòu)不盡相同，各校的建筑類型繁多，不同地區(qū)不同建筑類型的能耗水平參差不齊陣.尤其是在20世紀90年代開始的大規(guī)模院校合并，招生人數(shù)擴招的背景下迎來了校園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，而節(jié)能環(huán)保意識薄弱導(dǎo)致了校園設(shè)施量大面廣，資源能源消耗大，校園能源管理者知識水平較低，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴重缺失，能源管理比較粗放，嚴重制約著校園節(jié)能工作深入持久的發(fā)展.

教育部于2007根據(jù)黨中央、國務(wù)院的部署，就高等院校建設(shè)低碳節(jié)約型校園問題專門發(fā)文《教育部關(guān)于建設(shè)節(jié)約型學(xué)校的通知》，標志著高校校園節(jié)能減排工作開始實施，節(jié)能減排將成為全國校園建設(shè)的一大主題.從2008年開始，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、教育部和財政部聯(lián)合國內(nèi)正在建設(shè)節(jié)約型校園的高校，積極開展節(jié)能意識培養(yǎng)、新技術(shù)應(yīng)用、管理等方面的研究工作[6].

根據(jù)某高校2013～2015年水、電消耗統(tǒng)計，在2013年度學(xué)校水、電費僅有2911977.3元人民幣，2014年度學(xué)校水、電費就到了3256422.8元人民幣，2015年度的水、電費就直接到達了3504265.5元人民幣，近三年學(xué)校用電量持續(xù)增加，除了濱江公寓群的投入使用外，各類用電設(shè)備逐年增加，缺乏統(tǒng)一監(jiān)測和管理也是造成用電量激增的一個重要因素.同時，在校學(xué)生已達2.02萬人，數(shù)量巨大，從早到晚，學(xué)生公寓、教室、辦公用房、食堂、科研實驗室、澡堂等處水的消費量龐大，浪費量更是龐大，近三年學(xué)校的用水量也在不斷增加.

如何減少這筆能源消耗進行開源節(jié)流，本文展開了對屋頂光伏發(fā)電的一系列規(guī)劃進行可行性分析及經(jīng)濟性分析研究.

1 湘潭太陽輻射情況分析

1.1 湖南年總輻射空間分布

利用1993年-2010年的太陽輻射觀測資料，使用目前公認最有效氣候?qū)W方法對我省年太陽總輻射進行推算，并繪制出湖南年太陽總輻射分布圖.

如圖1所示，湖南省年太陽總輻射在3200～4600 MJ/m2之間，以湘東北洞庭湖區(qū)年總輻射較多，湘西山區(qū)較少，超過4200 MJ/m2的高值區(qū)出現(xiàn)在包括安鄉(xiāng)、岳陽、華容、澧縣、臨湘、汨羅、湘陰、沅江等縣市在內(nèi)的洞庭湖區(qū)以及汝城、寧鄉(xiāng)等地，低于3600 MJ/m2的低值區(qū)出現(xiàn)在包括保靖、龍山、桑植、永順等縣市在內(nèi)的湘西北地區(qū)以及鳳、新晃等地，其他大部分地區(qū)的年太陽總輻射在3600～4200 MJ/m2之間；4000 MJ/m2分界線大致位于東經(jīng)111°～112°之間，呈南北走向，將湖南一分為二，東半部多于西半部.

圖1 湖南年太陽總輻射分布圖

1.2 湘潭市太陽輻射量情況

根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心通過對全國地面太陽能輻射和氣象影響因子的綜合分析，從太陽能資源分布圖可以看出，湘潭市年平均總輻射在4190～5016 MJ/m2之間.根據(jù)我國太陽能資源區(qū)劃標準，湘潭市屬于四類區(qū)，可以利用的太陽能資源較為豐富.項目所在地多年平均逐月太陽輻射量情況如圖2所示.

圖2 湘潭市逐月太陽輻射量情況

2 情況分析

某高?，F(xiàn)有主校區(qū)和南校區(qū)2個校區(qū)，其中主校區(qū)又分為新校區(qū)和北苑.學(xué)校校園總面積為108萬m2，其中建筑面積52萬m2.建筑物的總屋頂面積為109255 m2，具體情況如圖3所示.

圖3 某高校各建筑光伏安裝容量

3 太陽能光伏設(shè)計

某高?，F(xiàn)有屋頂總面積為11萬m2，能夠放置光伏板(太陽能電池)的有限面積約為5萬m2，如果采用規(guī)格為1.63 m2的太陽能電池(1640×992×40)，則搭建屋頂太陽能發(fā)電裝置所需太陽能電池的數(shù)量為：

太陽能電池的數(shù)量=50000/1.63=30675塊

搭建屋頂太陽能光伏發(fā)電裝置的的裝機規(guī)模為(每塊太陽能電池的功率為255 W考慮)：

255×30675=78 MW

該太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池、防雷匯流箱、直流配電箱、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜及其他附屬設(shè)備構(gòu)成，沒有儲能裝置.各主要設(shè)備清單如圖4所示.

圖4 光伏系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

本項目使每個區(qū)域進行并網(wǎng)發(fā)電，并入低壓配電網(wǎng)，所發(fā)電量自發(fā)自用，余電上網(wǎng).有陽光時，光伏發(fā)電系統(tǒng)將所發(fā)出的電饋入電網(wǎng)，并供負載使用，沒有陽光時不發(fā)電，負載直接從電網(wǎng)取電.當電網(wǎng)發(fā)生故障或變電站由于檢修臨時停電時，光伏電站也會自動停機不發(fā)電；當電網(wǎng)恢復(fù)后，光伏電站會檢測到電網(wǎng)的恢復(fù)，而自動恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電.

表1 主要設(shè)備清單

3.1 太陽能電池選型

光伏組件的類型可按下列條件選擇：

(1)按地區(qū)太陽輻射強度、氣候氣象特征、項目地區(qū)因素.

(2)在項目太陽輻射強度高的地區(qū)可選用晶體硅光伏組件或聚光組件.

(3)在項目太陽輻射強度低的地區(qū)可選用薄膜光伏組件.

本項目經(jīng)由以上因素進行考慮，采用255 W多晶硅太陽電池組件，組件性能如表2所示.

表2 組件基本參數(shù)

3.2 監(jiān)控測量系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控測量系統(tǒng)可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備進行實時監(jiān)控和控制.

圖5 光伏系統(tǒng)監(jiān)控方案圖

監(jiān)控測量系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)采集器采集各設(shè)備相應(yīng)的運行參量，可通過本地顯示如下參量：

(1)直流信息：直流電壓，各支路直流電流，直流輸入功率；

(2)交流信息：輸出電壓，輸出頻率，輸出電流，輸出功率，功率因數(shù)；

(3)累計信息：日累計發(fā)電量(有功、無功)，累計總發(fā)電量(有功、無功)，累計發(fā)電量(按月、年查詢)，累計CO2減排量；

(4)告警信息：逆變器的當前告警信息和歷史告警信息(包括電網(wǎng)電壓過低、電網(wǎng)頻率過高、電網(wǎng)頻率過低、直流電壓過高、逆變器過溫、逆變器故障、風(fēng)扇故障、逆變器孤島、CAN通訊失敗等)；

(5)環(huán)境信息：當前輻照度，溫度，風(fēng)速，風(fēng)向等.

可通過本地調(diào)度中心控制各設(shè)備的運行，可設(shè)置和控制如下參量：

(1)設(shè)置參量：逆變器時間和日期，逆變器通訊參數(shù)；

(2)控制參量：逆變器開關(guān)機，逆變器輸出有功功率降額，逆變器輸出無功功率調(diào)節(jié)(功率因數(shù)和無功功率方向.

4 節(jié)能性經(jīng)濟評價

光伏電站是將當?shù)氐奶柲苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程.不需要消耗其它一次性化石能源，不會對環(huán)境造成嚴重污染，屬于環(huán)境友好型能源.太陽能的節(jié)能效益主要體現(xiàn)在光伏電站運行時不需要消耗其他常規(guī)能源，只需要太陽能輻射強度足夠，就能源源不斷的進行運作.

每節(jié)約 1kWh電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標準煤，同時減少污染排放0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.272 kg碳粉塵、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX).(公式)

根據(jù)本項目情況，每年總能量輸出可計算：

E=I*e*A

其中，I為學(xué)校屋頂面積年總輻射量平均值，e是光伏板效率.

然后，將得到的年總量與某高校年總用電量進行比較，得到學(xué)校屋頂太陽能光伏發(fā)電的潛力：

式中P表示光伏潛力，E表示屋頂太陽能年總輸出量，ER表示學(xué)校實際年總用電量.

圖6 項目各年發(fā)電量計算表

在本項目中平均輻射量為3.3 kWh/m2·d，光伏陣列功率為7800 kW，光伏系統(tǒng)總效率為78%，光伏組件年衰減率為0.8%，某高校屋頂光伏電站項目建成后，25年內(nèi)系統(tǒng)累計發(fā)電量約為16639萬 kWh，節(jié)約標準煤59900 t，減少CO2排放量165891 t，減少碳粉塵排放量45258 t，減少SO2排放量4992 t，減少氮氧化合物排放量2496 t.建設(shè)本工程可以減少化石資源的消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，項目節(jié)能和環(huán)保效益顯著.

投資成本估算本項目計劃投資30675塊太陽能能源電池加上部分附屬設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)有通用的光伏發(fā)電的投資成本估算方法，一般按照每kW7000元考慮，則總投資成本約為：

總投資成本=7800*7000=5460萬人民幣

本項目直接運營成本包括：運行人員工資、維護費用、修理費用及項目管理費用.

圖7 運營成本構(gòu)成

由圖7可得，每年總運行費用為30.38萬元/年，分布式光伏電站的運營期一般是25年，根據(jù)項目所在地的太陽能條件，可估算出項目25年的平均發(fā)電量為665 WkW時，則從靜態(tài)回收期來說，按照每度電1元人民幣，則回收期為：

回收年限=5460/(665*1-30.4)=8.6年

根據(jù)財政部、國稅總局聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展增值稅營業(yè)稅和企業(yè)所得稅政策問題的通知》(財稅[2010]110號)，對符合條件的節(jié)能服務(wù)公司實施合同能源管理項目，取得的營業(yè)稅應(yīng)稅收入，暫免征收營業(yè)稅.節(jié)能服務(wù)公司實施符合條件的合同能源管理項目，將項目中的增值稅應(yīng)稅貨物轉(zhuǎn)讓給用能企業(yè)，暫免征收增值稅. 企業(yè)所得稅方面，《通知》明確要求，對符合條件的節(jié)能服務(wù)公司實施合同能源管理項目，符合企業(yè)所得稅稅法有關(guān)規(guī)定的，自項目取得第一筆生產(chǎn)經(jīng)營收入所屬納稅年度起，第一年至第三年免征企業(yè)所得稅，第四年至第六年按照25%的法定稅率減半征收企業(yè)所得稅.

5 結(jié) 論

(1)在屋頂實施太陽能光伏計劃，安裝1.63 m2太陽能電池板，前期預(yù)計投資5460萬元，按照計劃實施可在9年左右回收，本項目實施后，增強了地區(qū)的太陽能利用，降低了能耗，增強了可持續(xù)發(fā)展.

(2)建成后，建成后該系統(tǒng)在25年內(nèi)累計發(fā)電量約為16639萬kWh，同比節(jié)約標準煤59900 t，減少CO2排放量165891 t，減少碳粉塵排放量45258 t，減少SO2排放量4992 t，減少氮氧化合物排放量2496 t.建設(shè)本項目可以減少化石資源的消耗，對環(huán)境的保護和對經(jīng)濟的促進作用顯著.

(3)本項目建成后，不僅對學(xué)?？罩梦蓓斶M行了利用，而且不會影響學(xué)生生活，減少對地方資源的依賴，節(jié)約資源，為學(xué)校的可持續(xù)發(fā)展也能起到一定的促進作用.

[1] 王東嬌.太陽能光伏發(fā)電控制技術(shù)研究[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[2] 杜曉偉,路正南.我國可持續(xù)性發(fā)展過程中能源問題的戰(zhàn)略選擇[J].商場現(xiàn)代化,2006: 332-333.

[3] 楊名舟.中國新能源[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[4] 齊益群.淺談太陽能在建筑中的應(yīng)用與發(fā)展機[J].中小企業(yè)管理與科技，2012(9):151-152.

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UtilizationandPlanningofRoofSolarEnergyinSomeUniversity

XI Zheng-fei,LI Xiao-hua,LIU Xiang-long,CAO Gui-fang,GUO Li

(School of Architecture Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

After entering the 21th century, the world economy is developing rapidly, which results in the in crease of energy consumption. The current use of fossil fuels not only causes a certain threat to the sustainable energy, but also great damage to the ecological environment caused great. So it is imperative to use clean green energy. Some college and universities have the conditions and resources of solar energy that can be used. On one hand, the roof space is larnge and basically vacant; on the ather hand, energy comsumption shows a constantly increasing trend. So the installation of solar photovoltaic power generation device on the roof of the school house not only can reduce the energy consumption of the school, but also save energy to some extent. Feasibility analysis and economical evaluation on the building of solar photovoltaic power generation system are done and the prediction on the energy efficiency is also made.

energy consumption;energy conservation;solar photovoltaic power generation;energy efficiency

TU114

A

1671-119X(2017)03-0083-06

2017-03-30

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2016JJ5011).

席正飛 (1993-)，男，碩士研究生，研究方向：新能源技術(shù)及應(yīng)用.

李小華(1972-)，男，教授，研究方向：新能源技術(shù)及應(yīng)用、綠色建筑與建筑節(jié)能.