光伏发电与5 kW屋顶并网系统在气象站应用的探讨

徐东亮，刘春生（.黑龙江省气象局，黑龙江哈尔滨5000；.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨50030）



光伏发电与5 kW屋顶并网系统在气象站应用的探讨

徐东亮1，刘春生2
（1.黑龙江省气象局，黑龙江哈尔滨150001；2.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨150030）

摘要：绿色发展是“十三五”乃至更长时期我国战略性的发展理念。充分利用太阳能可再生能源和气象站业务用房闲置屋顶，逐步试验在气象站安装5 kW分布式屋顶并网太阳能光伏发电系统，为日常基本气象业务运行提供电能，既可降低运行成本，又可实现向绿色气象台站建设的升级，对于节能环保、推行绿色发展、提高气象发展内涵具有重要意义。

关键词：气象；绿色建筑；建筑节能；光伏发电

1　引言

节能减排是绿色建筑内涵的重要内容。将太阳能光伏发电应用于室外气象探测设备、特别是无电源供给的野外探测设备的供电已在气象部门应用多年。充分利用太阳能可再生能源，逐步试验将太阳能光伏发电应用于气象站日常基本业务运行的供电，是将绿色建筑理念应用于基层气象台站基础设施建设，实现向绿色气象台站（以下简称“绿色台站”）建设的升级，也是在“绿色台站”建设中，尊重当地气候变化规律，以微气候改善大气候环境的有益尝试，对于节能环保、推行绿色发展、提高气象发展内涵具有重要意义。

2　太阳能光伏系统

2.1太阳能光伏系统

太阳能光伏系统（solar photovoltaic system）是利用太阳电池半导体材料的光伏效应将太阳光辐射能直接转换为电能的发电系统，简称光伏系统。

2.2太阳能光伏系统的分类

太阳能光伏系统可分为独立光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电系统3类。

（1）独立光伏发电系统（independent photovoltaic power system）。也叫离网光伏发电系统，是指太阳能光伏发电系统不与公共电网连接而独立运行的光伏系统，典型特征是需用蓄电池来存储电能以备夜晚用电。在民用范围，其主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级光伏电站等；在工业范围，其主要用于通信、卫星广播电视、太阳能水泵等，以及太阳能路灯等各种带有蓄电池需独立运行的光伏发电系统。

（2）并网光伏发电系统（grid-connected photovoltaic power supply system）。是指太阳能电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合市电要求的交流电后直接接入公共电网的光伏系统，可分为带蓄电池和不带蓄电池两种。带蓄电池的并网发电系统具有调峰和备用电源功能，可根据需要并入或退出电网，并在电网停电时向负载提供电能。带蓄电池的光伏并网发电系统常用于民用；不带蓄电池的并网发电系统不具备调峰和备用电源功能，一般应用在较大型的系统上。

（3）分布式光伏发电系统（distributed photovoltaic power generation system）。又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或附近安装小型光伏发电系统。该系统在有阳光时太阳能电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合市电要求的交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏技术是未来世界能源技术的重要发展方向，也是我国光伏产业政策重点支持的方向，具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。

3　屋顶光伏并网发电系统

3.1屋顶光伏并网发电系统概念

屋顶光伏并网发电系统就是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶上，系统与公共电网相连，共同承担供电任务。当有阳光时，逆变器将光伏发电系统所产生的直流电转变成符合市电要求的交流电，该交流电可以直接供给负载并将剩余电能输送给电网，或者直接将产生的全部电能并入电网。当没有阳光或光伏系统电力不足时，负载用电则由电网供给。这种系统又称为可逆流并网光伏发电系统。由于系统安装在屋顶上，即紧临用电现场，故屋顶光伏并网发电系统本质上就是分布式光伏发电系统。对于小型分布式并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化光伏发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

3.2分布式屋顶光伏并网发电系统构成

太阳能光伏系统无论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池阵列（组件）、控制器和逆变器三大部分组成。根据需要还可配置蓄电池。因光伏系统主要由电子元器件构成（电池组件模块化），不涉及机械部件，故光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。

图1　分布式并网光伏发电系统构成图

图1所示为分布式并网光伏发电系统构成图。图中，与典型并网系统相比，选择配置了储能用蓄电池，是考虑到黑龙江省现阶段光伏并网的实际困难和黑龙江省基层气象台站远离主城区并需24小时实时运行的实际情况。选配蓄电池所增投资将与光伏组件的投资相当，将比不配蓄电池的系统带来初装成本和运维成本的增加。

3.3装机容量与屋顶所需面积

屋顶光伏并网发电系统装机容量的大小取决于用电设备负荷、屋顶的样式（平面屋还是斜屋顶）及其面积大小。根据黑龙江省气象站日常基本业务用电情况，估算装机容量为5 kW。

一般情况下，平面屋顶安装量约为60-80 W/m2，斜屋顶安装量约为100-120 W/m2。黑龙江省气象站使用的业务用房多为斜屋顶，则5 kW装机容量约需占用屋顶面积42-50 m2。

3.4发电量估算

估算光伏发电系统的发电量，需知道光伏发电系统的装机容量、系统综合效率和装机地点的年平均日照时间，估算公式如下：

式中：E为光伏发电系统的理论发电量，单位千瓦小时（kW·h，俗称“度”）；P为光伏发电系统的装机容量，单位千瓦（kW）；H为装机地点的年平均日照时间，单位小时（h）；K为光伏发电的综合效率系数，是考虑了各种因素（包括光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角和方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路与升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数）影响后的修正系数，一般取值在75-85%之间，视情况而定。

理论发电量是理想日照条件下的发电量。通过光伏企业对黑龙江省正在运行的光伏系统实测数据分析得知，黑龙江省平均可利用日照时间远小于理想日照时间，根据经验大约只有理想日照时间情况下的2/3，这与黑龙江省年平均可利用日照时间1200 h的经验值相吻合，故实际可能的发电量可按上述理论发电量的2/3估算。

根据黑龙江省气候中心对全省气象台站最近30年（1981-2011年）整编资料日照时数统计结果，现将黑龙江省13个市（地）的日有效日照时间列于表1。

表1　黑龙江省13个市（地）日有效日照时间（单位：h）

例如，5 kW光伏并网发电系统，安装地点在哈尔滨市，根据表1，其年平均日照时间为365×6.6，即为2409 h，若光伏并网发电系统的综合效率系数取为80%，则该系统年理论发电量约为5×2409×80%，即9636 kW·h，实际可能的发电量约为6424 kW·h，折合到每一天相当于日有效发电量约为17.6 kW·h。

4　效益评估

光伏并网发电系统的效益可从经济效益、节能效益和环保效益3个方面考虑。

4.1经济效益

按国家和黑龙江光伏发电补贴现行政策，分布式光伏系统每发1 kW·h的电量可享受0.42元 （含税）补贴，通过可再生能源发展基金支付，由电网企业转付；自用有余上网的电量由电网企业按照当地燃煤机组标杆上网电价收购。按《国家发展改革委关于降低燃煤发电上网电价和工商业用电价格的通知》（发改价格〔2015〕748号），黑龙江燃煤机组标杆上网电价为0.3864元/kW·h。

以装机容量为5 kW、安装在哈尔滨市为例。通常光伏系统的使用寿命为25 a；目前屋顶光伏并网发电系统每瓦装机成本（含安装和储能装置）约为15元，则5 kW系统的成本约在7.5万元左右；哈尔滨市电实行阶梯电价，每月用电170 kW·h以下为0.51 元/kW·h、171-260 kW·h为0.56 kW·h、260 kW·h以上为0.81元/kW·h。单位用电通常超过260 kW·h，故按0.81元/kW·h计算。

（1）若全部自发自用。年收益＝全年发电量×（市电价格+补贴电价）＝6424×（0.81＋0.42）＝7901.52元，则投资回收期在9.49 a。考虑到更换电池等维持费用，收回成本时间将更长。

（2）若自发自用、余电上网。年收益=自发自用部分电费A+上网部分电费B

其中：A=自发自用部分电量×自发自用部分电价=自发自用部分电量×（市电价格+补贴电价）

B=上网部分电量×上网部分电价=上网部分电量×（当地燃煤标杆上网电价+补贴电价）

假设分布式光伏系统所发电量一半自用一半上网，则可分别算出：

A＝6424÷2×（0.81＋0.42）=3950.76元；B＝6424÷2× （0.3864＋0.42）=2590.16元

则年收益为6540.92元，则投资回收期在11.47 a，考虑维持成本，收回成本时间将更长。

表2　5 kW分布式光伏系统效益比较

（3）若全部上网。年收益＝全年发电量×（当地燃煤标杆上网电价+补贴电价）＝6424×（0.3864＋0.42）＝5180.31元，则投资回收期在14.48 a，考虑维持成本，收回成本时间将更长。

通过上述分析可知，在黑龙江省安装分布式光伏系统以自发自用收益最高，自发自用、余电上网收益次之，全部上网收益最低，特别是很多地方光伏发电还难以并网取得并网收益，收回成本实际周期将更长。表2给出了5 kW分布式光伏系统不同使用方式的效益比较。

4.2节能效益

有学者研究，屋顶光伏系统在建筑能耗中的影响相当于在屋顶设置了遮阳板，在夏季可减少顶层房间的制冷负荷，在冬季则增大了顶层房间的采暖负荷，两项综合的总能耗是减少的，这对低纬度地区的节能效果尤为明显。

4.3环保效益

环保效益主要体现在低碳减排。据专家统计：每节约1 kW·h市电，相当于节约0.4 kg标准煤，减少0.272 kg碳粉尘、0.997 kgCO2、0.03 kgSO2、0.015 kg-NOx的污染排放。据此，在哈尔滨市使用5 kW光伏并网发电系统全部自发自用，每年约可节约2 569.6 Kg标准煤，减少1 747.3 kg碳粉尘、6 404.7 kgCO2、192.72 kgSO2、96.36 kgNOx的污染排放。

5　影响光伏系统发电量的因素

5.1黑龙江省太阳能辐射的特点

在太阳电池组件转换效率一定的情况下，光伏系统的发电量是由太阳的辐射强度决定的，太阳的辐射强度、光谱特性是随着气象条件而改变的。

黑龙江省是我国纬度最高、年平均气温最低、太阳辐射较好、太阳能资源较丰富的省份之一，年太阳总辐射量为4400-5028 MJ/m2，辐射资源总储量约为2.30×106亿kW·h，位列全国第6；年日照时数在2400-2800 h，与长江中下游相当，为太阳辐射强度三类地区，日照百分率为60%，空间分布趋势为西南部太阳总辐射值最大，中东部和北部地区太阳总辐射相对较少，日照率主峰值出现在冬季（12-2月），这是因为黑龙江地理纬度高，冬季太阳高度角低，南向垂直面上的太阳辐射强度大。黑龙江省13个市（地）年平均日照时数均值为6.84 h，高于全国4 h的平均值，在“绿色台站”建设中安装分布式太阳能光伏发电系统具有可行性。

5.2光伏面板安装的方位角和倾角

光伏面板安装的方位角与倾角选定是光伏系统设计时最重要的因素之一。

（1）方位角。在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果光伏面板受设置场所（如屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等）的限制时，则应因地制宜，充分利用现有地形和有效面积，避开周围建筑物或树木产生的阴影，只要在正南±20°之内，均不会对发电量有太大影响。

（2）倾角。是指地平面（水平面）与光伏面板间的夹角，对光伏发电的影响较大，通常取当地纬度加上几度做为光伏面板安装的最佳倾角（如在哈尔滨市，纬度为45.68°，加上3°，即48.68°为最佳倾角），以使太阳能电池年发电量尽可能大、冬夏发电量差异尽可能小。倾角对于高纬度地区尤为重要，因高纬度地区冬、夏水平面太阳辐射量的差异非常大，如黑龙江省相差约5倍。

5.3太阳电池组件的效率

目前太阳电池组件根据工艺的不同分为单晶硅、多晶硅薄膜、非晶硅薄膜3类，其主流材料是硅。硅材料转化率的理论极限为29%，实验室记录已达25%。将第三代纳米技术与现有技术结合取得“革命性突破”已使硅材料的转化率提升至35%以上，该技术已在实验室完成，一旦产业化规模量生产将极大地降低太阳能发电成本。表3是三种硅基太阳能电池性能比较。

从单晶硅的晶体结构和效率考虑，单晶硅光伏

表3　三种硅基太阳能电池性能比较

系统的电能回报更高，也即单晶硅发电的长远价值更高，从而决定了单晶硅是高效晶硅电池最为成熟和理想的晶体硅材料，必将取代多晶硅成为未来太阳能发电的主导。

5.4组合损失

太阳电池根据需要需进行串联、并联和混联组合。串联组合会因组件的电流差异造成电流损失，并联组合会因组件的电压差异造成电压损失，综合组合损失可达8%以上，中国工程建设标准化协会标准规定组合损失小于10%。为减少组合损失，应挑选电流和衰减特性尽可能一致的组件串联，并增设隔离二极管。

5.5温度特性

一般硅太阳电池的标准工作温度为25℃。温度每升高1℃，硅太阳电池的最大输出功率将减少0.04%、开路电压减少0.04%（-2 mV/℃）、短路电流升高0.04%。因此，从自然条件来说，天气冷且晴朗有利于太阳能发电，黑龙江的天气特点较适于光伏发电。为减少温度对光伏系统发电量的影响，应保持光伏面板良好的通风条件，同时合理设计并网系统充放电控制器和逆变器，以实现太阳能电池“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）功能，精确跟踪工作电压和功率波动，最大化发挥太阳能电池效能。

5.6灰尘损失

覆盖在光伏面板表面的灰尘降低了玻璃的透光率，导致照射到面板上的有效面积减少，削弱了面板所接收的太阳辐射的强度，且引起太阳辐照不均匀，导致发电量降低。灰尘也使光伏面板散热受到影响，并使面板表面受到腐蚀。我国不同地区的环境和气候情况差别较大，同一地区不同季节的降尘情况也不相同，因此对光伏面板造成的影响也不一样。有资料显示，光伏面板的灰尘损失可达6-12%，因此光伏面板需要经常清洁。

5.7线路损失

光伏系统的直流、交流回路的线损要控制在5%以内。为此，设计上要采用导电性能好的导线并有足够的直径。施工不允许偷工减料。系统维护中要特别注意接插件以及接线端子是否牢固以保持接触良好。

5.8控制器、逆变器效率

控制器的充放电回路压降不得超过系统电压的5%。目前并网逆变器的效率均可大于95%。

5.9时间衰减

随着光伏组件的长期使用，其转换效率将逐年衰减。据报道，在我国西部运行了30 a的光伏电站，从抽检结果来看，最大功率下降已达近20%。

6　结语

（1）太阳能电池虽历经160多年的发展历史，但至今其基本结构和机理仍未发生改变。中国光伏产业起步于20世纪70年代，经历了初期示范（2007年以前）、产业化建立（2007-2010年）和规模化稳定发展（2011-2014年）3个阶段，目前已进入普及应用阶段，其发展方兴未艾。

（2）屋顶光伏并网发电系统是一种理念，也是一种尝试，是将闲置的屋顶利用起来实现“屋顶换能”，最大的效益是节能环保效益。使用装机容量为5 kW并带有蓄电池的光伏发电系统可满足基层气象台站日常基本业务运行的供电需求，对于大负荷设备和较长时间连续阴雨寡照天气还须市电供电。

（3）屋顶光伏系统可以保护屋顶结构，隔热保温，可以将光伏电池作为建筑材料；光伏建筑一体化设计即 BIPV （Building Integrated PV，PV即Photovoltaic），是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术，不同于光伏系统附着在建筑上。发展光伏建筑一体化对提高我国建筑节能水平、实现新型城镇化目标具有重要意义。

（4）太阳能电池板的安全性能。据了解，通过国家标准测试的薄膜太阳能电池板，在下冰雹时不会出现电池板破损，且能抵御自然风力；正规厂商所生产的太阳能电池板都按国家标准进行了绝缘耐压测试，出现漏电和触电的几率很小；太阳能电池板所用原材料主要是玻璃和发电硅层，不会对人体产生任何辐射。

（5）光伏系统价格趋势。据统计，2007-2015年的8年间，光伏组件的市场价格从每瓦36元下降到现在的3.5-3.8元，下降了86.4%；并网光伏系统价格从每瓦60元降到每瓦7-8元，下降了86.7%；逆变器价格从每瓦4元下降到了每瓦0.3元，下降了90%以上。这为光伏系统走进气象站提供了经济可行性。

参考文献

［1］杨杰，王素美．3kW屋顶并网光伏发电系统的设计方案［J］.能源研究与利用，2012（2）.

［2］霍玉佼，朱丽，等．屋顶光伏阵列优化及其对既有建筑能耗的影响研究［J］.建筑节能，2015（6）.

［3］JGJ203-2010．民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范.

［4］黑龙江省新能源和可再生能源产业发展规划（2010-2020年）.

文章编号：1002-252X（2016）02-0025-04

收稿日期：2016-3-1

第一作者简介：徐东亮（1962-），男，重庆市云阳县人，成都信息工程大学，本科生，高级工程师.