楊汝俊，范宗強(qiáng)，馬永玲

（山東博物館山東，山東 濟(jì)南 250014）

隨著生態(tài)環(huán)境惡化和能源危機(jī)的到來，太陽能的開發(fā)利用引起世界各國的高度重視。2019年，我國發(fā)展改革委和能源局著手推進(jìn)光伏發(fā)電無補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)。山東位于太陽能資源較富區(qū)，具有天然開發(fā)優(yōu)勢。山東博物館太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是可再生能源應(yīng)用示范項(xiàng)目，研究該項(xiàng)目的運(yùn)行實(shí)況可以為推進(jìn)太陽能在文化設(shè)施中的應(yīng)用提供實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，具有重要意義。

1 文化設(shè)施能耗現(xiàn)狀

近年來，隨著我國公共文化服務(wù)體系建設(shè)工作的推進(jìn)，完善的公共文化工程和文化項(xiàng)目建設(shè)成為提高公共文化服務(wù)水平的重要保障。

文化設(shè)施的主要功能是承擔(dān)文化藝術(shù)的宣傳和氛圍營造，提供空間使用服務(wù)。建筑體內(nèi)的功能區(qū)主以展覽、閱讀、宣教、賞析為核心內(nèi)容，鑒于展品展示的客觀需要、閱讀或觀展的舒適度標(biāo)準(zhǔn)，人工照明需要調(diào)節(jié)較高的照度、合適的色溫，照明耗能數(shù)量巨大，科學(xué)有效的節(jié)能降耗成為新建或既有文化設(shè)施升級改造中的必答題。采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，既能承擔(dān)一定的電力供應(yīng)，又可減少環(huán)境污染，應(yīng)用優(yōu)勢凸顯，已引起業(yè)界人士的高度重視。

2 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目

山東博物館太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)位于建筑物頂層，屋頂設(shè)施有機(jī)房、豎井和穹頂、安裝風(fēng)機(jī)等設(shè)備。為科學(xué)利用空間，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用高度3.8m的H型鋼做鋼結(jié)構(gòu)平臺，把電池板架在平臺上；采用4#熱鍍鋅角鋼制作電池板三角支架，固定安裝角度為35°，陣列不遮擋間距設(shè)計(jì)為1120mm，陣列建筑布局實(shí)施面積約7100m2，所有的電池板朝向正南方，既不影響建筑本體的外觀效果，又可以最大限度地利用太陽能。

光伏矩陣采用標(biāo)準(zhǔn)功率為180Wp的多晶硅光伏組件，規(guī)格為1580mm×808mm×35mm，峰值電壓為35.5V，峰值電流為5.07A，短路電流5.45A，開路電壓44V，13塊或12塊串接，共計(jì)39組2500塊，總裝機(jī)容量429kWp。配電系統(tǒng)的主設(shè)備選用39臺德國SMA品牌（型號：11000TL-10）全智能逆變器。樓頂室外安裝逆變器21臺，機(jī)房室內(nèi)安裝18臺。機(jī)房選用3臺低壓匯流柜，1臺并網(wǎng)逆功率保護(hù)柜，作為交流電源的回流、控制、分配及保護(hù)。

3 仿真計(jì)算

PVSYST是一款光伏系統(tǒng)仿真模擬軟件，內(nèi)嵌豐富的氣象資源庫、國內(nèi)外光伏組件和逆變器數(shù)據(jù)庫等，可以分析影響系統(tǒng)發(fā)電量的各種因素，計(jì)算理論發(fā)電量。山東博物館太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)2010年7月正式啟用發(fā)電，經(jīng)現(xiàn)場發(fā)電試驗(yàn)測算，太陽能光伏電池板光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)為14%。結(jié)合具體實(shí)施情況設(shè)置模型參數(shù)，光伏電池板的發(fā)電能力按照第一年衰減2.5%，后續(xù)每年的衰減量增加0.8%，采用山東省濟(jì)南市典型氣象年的氣候數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件建立仿真模型推算發(fā)電量，見圖1。首年實(shí)測發(fā)電量和理論發(fā)電量的對比見圖2。

數(shù)據(jù)分析：

由圖2可見，理論值和實(shí)測值的首年發(fā)電變化規(guī)律一致。3～6月發(fā)電量最高，此時(shí)正值雨季前期，空氣干燥，大氣透明度好，日照資源最豐富；7～10月進(jìn)入雨季，日照百分率相對較低，發(fā)電量減少；11～次年2月間進(jìn)入冬季，日照時(shí)間明顯下降，發(fā)電量最低。對比理論值和實(shí)測值，除投入運(yùn)行的第一個(gè)月發(fā)電量偏差較大外，其他月份波動較小。將光伏電站的實(shí)測數(shù)值與軟件理論數(shù)值總體做相關(guān)性分析，可以看出，項(xiàng)目實(shí)測發(fā)電量與理論發(fā)電量的相關(guān)系數(shù)r=0.7695，相關(guān)程度較高，即采用PVSYST軟件對光伏電站發(fā)電量具有良好的預(yù)測性。

圖2

軟件模擬全年日照總輻射量時(shí)，選取源于NASA數(shù)據(jù)庫的典型氣象年進(jìn)行測算，并非實(shí)際天氣情況，日照時(shí)數(shù)、太陽輻射量、溫度等氣象因素的變化對發(fā)電量產(chǎn)生了較大影響，是理論值和實(shí)測值產(chǎn)生數(shù)據(jù)差異的主要原因；另外，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、線路損耗、組串損耗和逆變器損耗等設(shè)備設(shè)施因素的影響，實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生差距；最后，軟件理論計(jì)算時(shí)選取的太陽能光伏電池板光電轉(zhuǎn)換效率為恒定值，實(shí)際上，電池板表面塵埃遮擋損失、不可利用太陽輻射損失等因素均為變量，因此，光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)是變量值。

4 應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 屋頂空間優(yōu)勢

根據(jù)建設(shè)規(guī)模，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為分布式和集中式兩種，分布式光伏發(fā)電主要應(yīng)用于屋樓頂、工業(yè)廠房和蔬菜大棚等地方。作為展示文化建設(shè)成果、開展群眾文化活動的重要物質(zhì)載體，博物館、圖書館、文化館、美術(shù)館等文化基礎(chǔ)設(shè)施擁有廣闊的平層面積，屋面可利用空間豐富，具備光伏發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用推廣的空間優(yōu)勢。光伏電站可結(jié)合負(fù)荷需要和場地空間等具體情況靈活確定裝機(jī)容量。

4.2 太陽能有效利用

場館設(shè)備設(shè)施日常工作的用電高峰期是白天，夜晚要求很低，與太陽能光伏發(fā)電的工作時(shí)間十分吻合，可以對太陽能合理有效地利用。光伏電源位于用戶側(cè)，采取就地隨發(fā)隨用的方式，節(jié)省了長距離大容量的輸電線纜和線損，而且故障可以隨時(shí)維修處理，節(jié)約時(shí)間，能夠提高電站的利用率。

4.3 并網(wǎng)優(yōu)勢

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)較多應(yīng)用于城市建筑中，采用合理的并網(wǎng)方案即可實(shí)現(xiàn)與市電聯(lián)網(wǎng)。山東博物館采用支路式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)將光伏電池矩陣串聯(lián)起來，接到并網(wǎng)逆變器輸入端，通過逆變器輸出230/400V、50Hz交流電，并入館內(nèi)配電箱交流母線，與市電并聯(lián)運(yùn)行。在電站電量充裕時(shí)可由電力公司購買多余電量；電量不足時(shí)，則由市網(wǎng)補(bǔ)充供電。

4.4 綠色環(huán)保

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，不帶蓄電池，能夠避免蓄電池帶來的二次污染，節(jié)省蓄電池占用的空間，降低電站投資和維護(hù)費(fèi)用。眾所周知，蓄電池存儲容量有限，其放電深度將會影響其壽命，放電深度越大，使用壽命就會相應(yīng)縮短；而過小的放電深度又會造成蓄電池容量的浪費(fèi)。

5 結(jié)語

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50189-2015）》提出，公共建筑設(shè)計(jì)宜充分利用太陽能。本文通過山東博物館太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)況和PVSYST仿真模型的對比分析，得出PVSYST軟件對光伏電站發(fā)電量具有良好的預(yù)測性，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)能夠帶來可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，在大型公共文化建筑中具有獨(dú)特的應(yīng)用推廣優(yōu)勢。