鄧 益 王 軍

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太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在西南高校的應(yīng)用實(shí)踐與效果評(píng)估研究

鄧 益1王 軍2

（1.四川大學(xué)后勤管理處 成都 610065；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

加強(qiáng)以太陽(yáng)能為代表的可再生能源在高校的利用是降低校園能耗，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能與綠色校園的重要舉措之一。結(jié)合成都地區(qū)的太陽(yáng)能資源現(xiàn)狀，以四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為對(duì)象，研究分析了基于光伏發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用在太陽(yáng)能資源ⅳ類地區(qū)的應(yīng)用特征與效果。研究結(jié)果表明，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量峰值和谷值分別出現(xiàn)在8月和12月，月平均發(fā)電量水平達(dá)到72.1～74.9kWh/m2。同時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率達(dá)到0.89，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤62071.86kg，減少CO2排量154714.11kg。由此表明，在成都地區(qū)日照條件下采用光伏發(fā)電方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的良好利用并達(dá)到較好的節(jié)能減排效果。

綠色校園；建筑節(jié)能；太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；節(jié)能減排

0 引言

加強(qiáng)可再生能源利用水平是我國(guó)能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，也是我國(guó)建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展的基本目標(biāo)之一[1-3]。另一方面，目前高校耗能已經(jīng)成為我國(guó)能源消耗的重要構(gòu)成部分，因此充分利用高校的場(chǎng)地空間以及技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)強(qiáng)化可再生能源利用程度可以在一定程度上降低高校建筑能耗水平，同時(shí)也有利于可再生能源應(yīng)用試點(diǎn)示范和普及推廣。

太陽(yáng)能光伏是可再生能源利用的重要形式之一。針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用特性，我國(guó)部分高校及研究人員進(jìn)行了一定應(yīng)用和探索。鳳江濤指出光伏示范校園項(xiàng)目中主要問(wèn)題有三個(gè)[4]：一是光伏組件特性，需要用完整參數(shù)特性方程來(lái)描述；二是陣列的安裝方位角與傾斜角和安裝間距對(duì)組件獲取太陽(yáng)輻射的影響；三是光伏校園工程的前期系統(tǒng)規(guī)劃。張豪以天津大學(xué)新校區(qū)為例[5]，從建筑設(shè)計(jì)的角度結(jié)合工程實(shí)例，闡述了光伏系統(tǒng)與校園建筑一體化的適宜方法。孫仲武通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在校園公共建筑中的應(yīng)用，提出了在大學(xué)校園中應(yīng)用光伏發(fā)電的構(gòu)想[6]。張萍等以山東建筑大學(xué)1MWp太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電示范工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)校園建設(shè)光伏建筑一體化具有良好的前景[7]。馮相賽等對(duì)東華大學(xué)屋頂光伏電站示范工程從初步設(shè)計(jì)到目前的實(shí)際運(yùn)行狀況等方面進(jìn)行分析說(shuō)明，結(jié)果表明該電站總體運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好[8]。可以看到，在太陽(yáng)能資源豐富或較豐富地區(qū)的高校，其太陽(yáng)能光伏利用取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。然而，以成都為代表的太陽(yáng)能資源ⅳ類地區(qū)，其太陽(yáng)能光伏利用效果如何還需進(jìn)一步研究分析和論證。為此，本文以位于成都市雙流區(qū)的四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了在成都?xì)夂騾?shù)條件下太陽(yáng)能光伏利用的特征和效果，為該地區(qū)太陽(yáng)能的高效利用提供重要指導(dǎo)。

1 成都地區(qū)太陽(yáng)能資源現(xiàn)狀

成都市位于川西北高原向四川盆地過(guò)渡的交接地帶，具有自己特有的氣候資源。冬濕冷、春早、無(wú)霜期較長(zhǎng)，四季分明，熱量豐富。年平均氣溫在16℃左右，晴天少，日照率在24～32%之間，全年各月份氣象參數(shù)如表1所示。

表1 成都全年各月份氣象參數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)源：NASA）

我國(guó)是太陽(yáng)能資源十分豐富的國(guó)家，三分之二的國(guó)土年日照量在2200小時(shí)以上，年輻射總量大約每年3340-8360MJ/m2，相當(dāng)于110-250kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2。根據(jù)我國(guó)氣象部門(mén)測(cè)量年輻射總量的大小，一般將我國(guó)大陸部分劃為四個(gè)太陽(yáng)能輻射資源帶，即一類地區(qū)（≥6700MJ/m2），二類地區(qū)（5400- 6700MJ/m2），三類地區(qū)（4200-5400MJ/m2），四類地區(qū)（4200MJ/m2），成都屬于上述的第四類資源帶內(nèi)，其太陽(yáng)能資源具有利用潛力。成都地區(qū)全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 成都地區(qū)全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

2 校園太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、并網(wǎng)逆變器及配電系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電原理

太陽(yáng)能光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為直流電能，再通過(guò)并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流饋入電網(wǎng)，供用戶負(fù)載使用。白天有日照時(shí)，太陽(yáng)能光伏組件發(fā)出的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載使用。當(dāng)光照不足或電網(wǎng)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。同時(shí)不斷檢測(cè)電網(wǎng)和光照條件，當(dāng)光照充足且電網(wǎng)正常時(shí)，系統(tǒng)再次并網(wǎng)運(yùn)行。

另一方面，四川大學(xué)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于四川省成都市雙流區(qū)四川大學(xué)江安校區(qū)內(nèi)，其地理坐標(biāo)為：北緯30.56°，東經(jīng)104.00°，如圖3所示。系統(tǒng)采用高效多晶硅電池組件，根據(jù)成都地區(qū)的光照資源，采用最佳傾角22°的固定式安裝光伏電池組件，采用22塊光伏組件串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)組串單元。系統(tǒng)總裝機(jī)容量為150kWp，其中第一基礎(chǔ)教學(xué)樓為75kWp，綜合教學(xué)樓為25kWp，第一教學(xué)樓為50kWp。此外，配備3臺(tái)33kW的組串式光伏逆變器及其他配套電氣設(shè)備。

圖3 四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目

四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將每棟建筑看作單獨(dú)的光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變成交流電后，就近送入配電間，并通過(guò)并網(wǎng)柜接入變壓器低壓側(cè)母線或者低壓配電柜的備用斷路器上，以三相五線制的形式并入建筑內(nèi)低壓配電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能符合國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，可以安全可靠地供交流負(fù)載使用。同時(shí)，光伏系統(tǒng)配置相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)、通信和電能計(jì)量裝置，并與光伏系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)建設(shè)、同時(shí)投入使用。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特征與效果

針對(duì)2016年4月至2017年5月期間，圖4～圖6分別給出了第一基礎(chǔ)教學(xué)樓為75kWp光伏電站逐月發(fā)電量、第一教學(xué)樓為50kWp光伏電站逐月發(fā)電量和綜合教學(xué)樓為25kWp光伏電站逐月發(fā)電量。

圖4 四川大學(xué)第一基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓75kWp光伏電站逐月發(fā)電量

圖5 四川大學(xué)第一教學(xué)樓50kWp光伏發(fā)電站逐月發(fā)電量

圖6 四川大學(xué)綜合教學(xué)樓25kWp光伏發(fā)電站逐月發(fā)電量

由圖4～圖6可以看到，第一基礎(chǔ)教學(xué)樓、第一教學(xué)樓和綜合教學(xué)樓光伏發(fā)電站的發(fā)電量從4月份開(kāi)始逐月上升，在8月份出現(xiàn)拐點(diǎn)，即8月份之后逐漸下降，到12月份再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，即12月份之后又開(kāi)始逐漸上升。

由此可以發(fā)現(xiàn)，年度最高發(fā)電量出現(xiàn)在8月份，第一基礎(chǔ)教學(xué)樓、第一教學(xué)樓和綜合教學(xué)樓的發(fā)電量峰值分別為9032.8kWh（120.4kWh/m2）、6089.9kWh（121.8kWh/m2）、2955.6kWh（118.2kWh/m2）；年度最低發(fā)電量出現(xiàn)在12月份，第一基礎(chǔ)教學(xué)樓、第一教學(xué)樓和綜合教學(xué)樓的發(fā)電量谷值分別為2887.1kWh（38.5kWh/m2）、1974.6kWh（39.5kWh/m2）、913.1kWh（36.5kWh/m2）。此外，第一基礎(chǔ)教學(xué)樓、第一教學(xué)樓和綜合教學(xué)樓的發(fā)電量月平均值分別為5531.0kWh（73.7kWh/m2）、3749.7kWh（74.9kWh/m2）、1803.6kWh（72.1kWh/m2）。

表2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率

另一方面，按照光伏電站系統(tǒng)總效率=光伏電站年發(fā)電量/(光伏電站裝機(jī)容量×年峰值日照小時(shí)數(shù))的方法，對(duì)四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如表2所示?？梢钥吹剑?yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率達(dá)到0.89，即在成都地區(qū)日照條件下光伏發(fā)電方式達(dá)到了良好的太陽(yáng)能利用水平。

最后，針對(duì)四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量，可以確定其節(jié)能減排效果如表3所示。

表3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排量

4 結(jié)論

本文以四川大學(xué)江安校區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了在太陽(yáng)能資源ⅳ類地區(qū)基于光伏發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用的特征與效果，得出以下結(jié)論：

（1）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量峰值出現(xiàn)在8月，谷值出現(xiàn)在12月，月平均發(fā)電量水平為72.1～74.9kWh/m2。

（2）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率達(dá)到0.89，即在成都地區(qū)日照條件下光伏發(fā)電方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能的良好利用水平。

（3）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤62071.86kg，減少CO2排量154714.11kg，即實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能減排效果。

[1] 徐永軍,王亮.校園建筑空調(diào)負(fù)荷影響因素及節(jié)能改善措施研究[J].制冷與空調(diào),2017,31(2)199-203.

[2] 李躍文.太陽(yáng)能分布式發(fā)電技術(shù)在通風(fēng)中的運(yùn)用初探—以麗江市某商場(chǎng)機(jī)械通風(fēng)前期方案為例[J].制冷與空調(diào),2016,30(6):660-663.

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[4] 鳳江濤.光伏示范校園中的關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2012.

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Application and Evaluation of Solar Photovoltaic Power Generation System in the Southwest University

Deng Yi1Wang Jun2

( 1.Logistics Management Office, Sichuan University, Chengdu, 610065;2.College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

Enhancing the application of renewable energy represented by solar in universities is one of the important measures to reduce energy consumption, achieve energy-efficient building and green campus. Combined with the current situation of solar energy resources in Chengdu city, solar photovoltaic power generation system in Jiangan campus of Sichuan University was chosen as the object in this present study, its applied characteristic and effectiveness was analyzed for solar energy utilization by photovoltaic power generation under solar energy resources iv region. The results show that the peak and valley values of solar photovoltaic power generation system emerge in August and December, respectively. The average power generation level has reached 72.1~74.9 kWh/m2. Meanwhile, the total efficiency of solar photovoltaic power generation system is 0.89, it saves standard coal of 62071.86 kg and reduces CO2emissions of 154714.11 kg, which indicates the great use of solar energy and better effect of energy saving and emissions reduction can be achieved by photovoltaic power generation under the sunshine condition of Chengdu city.

green campus; building energy saving; solar energy; photovoltaic power generation; energy saving and emissions reduction

TU834

A

1671-6612（2018）02-137-04

節(jié)約型校園建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目（2014218）

鄧 益（1978.9-），男，碩士研究生，助理研究員，E-mail：dyi@scu.edu.cn

王 軍（1983.5-），男，博士，副教授，E-mail：wangjunhvac@163.com

2017-06-19