張 炳 伙

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

為推動(dòng)分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展,國(guó)家歷年出臺(tái)了各種政策。而光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分布式能源一種,具有無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)排放、無(wú)燃料、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn),具有明顯的節(jié)能減排特征。隨著國(guó)家提出在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo),光伏發(fā)電系統(tǒng)等可再生能源將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

在建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)遇到不少建設(shè)方擬建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池板將光照輻射轉(zhuǎn)化為直流電,提供給直流負(fù)載,或經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載。光伏發(fā)電系統(tǒng)因應(yīng)用地點(diǎn)、應(yīng)用的場(chǎng)合和負(fù)載的不同有很大差別。通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析探討,以便在工程設(shè)計(jì)中能夠借鑒。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｌ?yáng)能電池,又稱光伏電池,其發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí),電池吸收光能,產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下,光生電子和空穴被分離,電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累,即產(chǎn)生“光生電壓”,這就是“光生伏特效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載,則負(fù)載就有“光生電流”流過(guò),從而獲得功率輸出。這樣,太陽(yáng)的光能就直接變成可以使用的電能。通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)分類(lèi)

光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否接入公共電網(wǎng)可分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能電池方陣發(fā)出的直流電力經(jīng)過(guò)逆變器變換成交流電,且與電網(wǎng)并聯(lián)并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)又叫離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng),為完全依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏系統(tǒng),系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電力是唯一的能量來(lái)源。

1.3 系統(tǒng)主要設(shè)備

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、蓄電池、控制器、逆變器等組成。而光伏組件為光伏發(fā)電系統(tǒng)核心設(shè)備,可分為晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件和聚光光伏組件三種類(lèi)型。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程概況

某項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙市,為商業(yè)綜合體項(xiàng)目,主要由購(gòu)物中心、超高層辦公樓、兩棟住宅塔樓組成。商業(yè)裙房屋頂具有安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件。

2.2 地理氣象條件

長(zhǎng)沙位于中國(guó)中南部的長(zhǎng)江以南地區(qū),湖南的東部偏北;地處東經(jīng)111°53′～114°15′,北緯27°51′～28°41′。長(zhǎng)沙屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候:春末夏初多雨、夏末秋季多旱、春濕多變、夏秋多睛、嚴(yán)冬期短,暑熱期長(zhǎng)。全年無(wú)霜期約275天,年平均氣溫16.8～17.2 ℃,極端最高氣溫為40.6 ℃,極端最低氣溫為-12 ℃。年平均總降水量1 422.4 mm。

2.3 太陽(yáng)輻射量

太陽(yáng)能源等級(jí)劃分如表1所示。

表1 太陽(yáng)能源等級(jí)劃分[1]

長(zhǎng)沙市太陽(yáng)輻射量情況如表2所示。

長(zhǎng)沙市平均日輻射量3.16 kWh/m2,年輻射總量1 109 kWh/m2,為三類(lèi)地區(qū),具備一定的太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)的氣象條件。

項(xiàng)目為大型公共建筑,根據(jù)長(zhǎng)政辦發(fā)〔2017〕53號(hào)《長(zhǎng)沙市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)長(zhǎng)沙市民用建筑節(jié)能和綠色建筑管理辦法通知》和《長(zhǎng)沙市綠色建筑設(shè)計(jì)基本規(guī)定》要求:“政府機(jī)關(guān)建筑、政府投資的公益性建筑,以及20 000 m2及以上的大型公共建筑,應(yīng)至少利用1種以上的可再生能源,若采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電,其發(fā)電量不應(yīng)低于建筑總用電量的1%(按太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率與項(xiàng)目供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)荷比值計(jì)算)?！备鶕?jù)該項(xiàng)目的用電量,變壓器安裝容量為27 145 kVA,則光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不低于218 kW。

表2 長(zhǎng)沙市每月太陽(yáng)輻射量情況[2]

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)容量估算

分析比較晶硅光伏幕墻、薄膜光伏幕墻和單晶硅電池板的發(fā)電效率,光伏系統(tǒng)發(fā)電量以25年作為計(jì)算壽命,光伏系統(tǒng)每年發(fā)電量如表3所示。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)投資分析

4.1 系統(tǒng)投資成本

按市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能電池板及系統(tǒng)供應(yīng)價(jià)格水平給出設(shè)備初期投資,光伏系統(tǒng)投資成本如表4所示,其中設(shè)備單價(jià)包含安裝成本,為光伏發(fā)電系統(tǒng)單價(jià)。

表3 光伏系統(tǒng)每年發(fā)電量

表4 光伏系統(tǒng)投資成本

4.2 系統(tǒng)投資收益

長(zhǎng)沙市商業(yè)電度電價(jià)為0.680 3元/kWh,如光伏系統(tǒng)的發(fā)電量全部自用。25年光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電收益如表5所示。

表5 25年光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電收益

4.3 分析匯總

光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析如表6所示。

表6 光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電量1 kWh情況下,環(huán)境排放當(dāng)量:標(biāo)準(zhǔn)煤為0.36 kg,懸浮微粒為0.272 kg,二氧化碳0.997 kg,二氧化硫0.03 kg,氮氧化物0.015 kg;環(huán)境排放當(dāng)量交易費(fèi):每噸標(biāo)準(zhǔn)煤,交易價(jià)格480.10;每噸二氧化碳,交易價(jià)格44.08元。

光伏系統(tǒng)運(yùn)行25年的環(huán)境效益如表7所示。

表7 光伏系統(tǒng)運(yùn)行25年的環(huán)境效益[3]

根據(jù)上述計(jì)算分析,采用光伏發(fā)電系統(tǒng),有較大環(huán)境效益,有助于節(jié)能減排。并且采用單晶硅電池板在25年光伏系統(tǒng)計(jì)算壽命的條件下,可實(shí)現(xiàn)投資回收,有較大的經(jīng)濟(jì)效益,并且安裝面積為1 920 m2,在裙房商業(yè)屋頂具有可實(shí)施性。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

5.1 系統(tǒng)選擇基本原則

(1) 可靠性:采用技術(shù)和設(shè)備應(yīng)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、運(yùn)行的檢驗(yàn),并有良好可靠記錄,保證設(shè)備及系統(tǒng)的安全、可靠。

(2) 經(jīng)濟(jì)性:采用設(shè)要求技術(shù)先進(jìn)、使用安全可靠,著重分析采用技術(shù)是否經(jīng)濟(jì)合理,是否有利于節(jié)約投資和降低成本,提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 適用性:采用技術(shù)應(yīng)與可能得到設(shè)備、員工素質(zhì)和管理水平及環(huán)境保護(hù)要求、地區(qū)的實(shí)際情況相適應(yīng)。

(4) 安全性:采用技術(shù)在正常使用中應(yīng)確保安全生產(chǎn)運(yùn)行。

(5) 先進(jìn)性:設(shè)備選型合理,優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),采用技術(shù)接近國(guó)際或國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

5.2 光伏系統(tǒng)方案

根據(jù)15D202-4《建筑一體化光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)與施工》系統(tǒng)分類(lèi)的適用范圍:“光伏電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合公共電網(wǎng)要求的交流電之后并入電網(wǎng),并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣所產(chǎn)生的電能除供給交流負(fù)載外,多余的電能反饋給電網(wǎng)。當(dāng)日照不足、夜間、陰雨天,光伏電池組不能產(chǎn)生電能或產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)由公共電網(wǎng)給負(fù)載供電”,項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式,系統(tǒng)不設(shè)置儲(chǔ)能裝置。

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

項(xiàng)目并網(wǎng)容量為218 kW,結(jié)合15D202-4《建筑一體化光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)與施工》的并網(wǎng)方案,采用單點(diǎn)接入變配電房的低壓配電柜的母線段。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方案如圖2所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)該提高自身的專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí),結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,從投資成本、規(guī)范、技術(shù)等多角度考慮,給與建設(shè)方?jīng)Q策依據(jù)。