太阳能光伏发电系统在西南高校的应用实践与效果评估研究

邓 益 王 军



太阳能光伏发电系统在西南高校的应用实践与效果评估研究

邓 益1王 军2

（1.四川大学后勤管理处 成都 610065；2.四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

加强以太阳能为代表的可再生能源在高校的利用是降低校园能耗，实现建筑节能与绿色校园的重要举措之一。结合成都地区的太阳能资源现状，以四川大学江安校区太阳能光伏发电系统为对象，研究分析了基于光伏发电来实现太阳能利用在太阳能资源ⅳ类地区的应用特征与效果。研究结果表明，太阳能光伏发电系统的发电量峰值和谷值分别出现在8月和12月，月平均发电量水平达到72.1～74.9kWh/m2。同时，太阳能光伏发电系统的总效率达到0.89，太阳能光伏发电系统年节约标准煤62071.86kg，减少CO2排量154714.11kg。由此表明，在成都地区日照条件下采用光伏发电方式能够实现对太阳能的良好利用并达到较好的节能减排效果。

绿色校园；建筑节能；太阳能；光伏发电；节能减排

0 引言

加强可再生能源利用水平是我国能源发展的重要战略之一，也是我国建筑节能与绿色建筑发展的基本目标之一[1-3]。另一方面，目前高校耗能已经成为我国能源消耗的重要构成部分，因此充分利用高校的场地空间以及技术优势来强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，同时也有利于可再生能源应用试点示范和普及推广。

太阳能光伏是可再生能源利用的重要形式之一。针对该项技术应用特性，我国部分高校及研究人员进行了一定应用和探索。凤江涛指出光伏示范校园项目中主要问题有三个[4]：一是光伏组件特性，需要用完整参数特性方程来描述；二是阵列的安装方位角与倾斜角和安装间距对组件获取太阳辐射的影响；三是光伏校园工程的前期系统规划。张豪以天津大学新校区为例[5]，从建筑设计的角度结合工程实例，阐述了光伏系统与校园建筑一体化的适宜方法。孙仲武通过对太阳能光伏发电系统在校园公共建筑中的应用，提出了在大学校园中应用光伏发电的构想[6]。张萍等以山东建筑大学1MWp太阳能光伏并网发电示范工程项目为研究对象，发现校园建设光伏建筑一体化具有良好的前景[7]。冯相赛等对东华大学屋顶光伏电站示范工程从初步设计到目前的实际运行状况等方面进行分析说明，结果表明该电站总体运行稳定，效果良好[8]。可以看到，在太阳能资源丰富或较丰富地区的高校，其太阳能光伏利用取得了一定的成功经验。然而，以成都为代表的太阳能资源ⅳ类地区，其太阳能光伏利用效果如何还需进一步研究分析和论证。为此，本文以位于成都市双流区的四川大学江安校区太阳能光伏发电系统为研究对象，重点分析了在成都气候参数条件下太阳能光伏利用的特征和效果，为该地区太阳能的高效利用提供重要指导。

1 成都地区太阳能资源现状

成都市位于川西北高原向四川盆地过渡的交接地带，具有自己特有的气候资源。冬湿冷、春早、无霜期较长，四季分明，热量丰富。年平均气温在16℃左右，晴天少，日照率在24～32%之间，全年各月份气象参数如表1所示。

表1 成都全年各月份气象参数（数据来源：NASA）

我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的国土年日照量在2200小时以上，年辐射总量大约每年3340-8360MJ/m2，相当于110-250kg标准煤/m2。根据我国气象部门测量年辐射总量的大小，一般将我国大陆部分划为四个太阳能辐射资源带，即一类地区（≥6700MJ/m2），二类地区（5400- 6700MJ/m2），三类地区（4200-5400MJ/m2），四类地区（4200MJ/m2），成都属于上述的第四类资源带内，其太阳能资源具有利用潜力。成都地区全年太阳辐射强度如图1所示。

图1 成都地区全年太阳辐射强度

2 校园太阳能光伏发电系统构成

太阳能光伏并网发电系统主要由光伏组件、并网逆变器及配电系统组成，如图2所示。

图2 太阳能光伏并网发电原理

太阳能光伏组件将太阳能转化成为直流电能，再通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流馈入电网，供用户负载使用。白天有日照时，太阳能光伏组件发出的直流电经过并网逆变器转换成交流电供给负载使用。当光照不足或电网异常时，系统自动停止运行。同时不断检测电网和光照条件，当光照充足且电网正常时，系统再次并网运行。

另一方面，四川大学太阳能光伏发电系统项目建设地点位于四川省成都市双流区四川大学江安校区内，其地理坐标为：北纬30.56°，东经104.00°，如图3所示。系统采用高效多晶硅电池组件，根据成都地区的光照资源，采用最佳倾角22°的固定式安装光伏电池组件，采用22块光伏组件串联构成一个组串单元。系统总装机容量为150kWp，其中第一基础教学楼为75kWp，综合教学楼为25kWp，第一教学楼为50kWp。此外，配备3台33kW的组串式光伏逆变器及其他配套电气设备。

图3 四川大学江安校区太阳能光伏发电项目

四川大学江安校区太阳能光伏发电系统将每栋建筑看作单独的光伏并网发电单元，光伏组件产生的直流电经并网逆变器逆变成交流电后，就近送入配电间，并通过并网柜接入变压器低压侧母线或者低压配电柜的备用断路器上，以三相五线制的形式并入建筑内低压配电网。光伏系统产生的电能符合国家电网相关技术要求，可以安全可靠地供交流负载使用。同时，光伏系统配置相应的监控系统、通信和电能计量装置，并与光伏系统同时设计、同时建设、同时投入使用。

3 光伏发电系统运行特征与效果

针对2016年4月至2017年5月期间，图4～图6分别给出了第一基础教学楼为75kWp光伏电站逐月发电量、第一教学楼为50kWp光伏电站逐月发电量和综合教学楼为25kWp光伏电站逐月发电量。

图4 四川大学第一基础实验楼75kWp光伏电站逐月发电量

图5 四川大学第一教学楼50kWp光伏发电站逐月发电量

图6 四川大学综合教学楼25kWp光伏发电站逐月发电量

由图4～图6可以看到，第一基础教学楼、第一教学楼和综合教学楼光伏发电站的发电量从4月份开始逐月上升，在8月份出现拐点，即8月份之后逐渐下降，到12月份再次出现拐点，即12月份之后又开始逐渐上升。

由此可以发现，年度最高发电量出现在8月份，第一基础教学楼、第一教学楼和综合教学楼的发电量峰值分别为9032.8kWh（120.4kWh/m2）、6089.9kWh（121.8kWh/m2）、2955.6kWh（118.2kWh/m2）；年度最低发电量出现在12月份，第一基础教学楼、第一教学楼和综合教学楼的发电量谷值分别为2887.1kWh（38.5kWh/m2）、1974.6kWh（39.5kWh/m2）、913.1kWh（36.5kWh/m2）。此外，第一基础教学楼、第一教学楼和综合教学楼的发电量月平均值分别为5531.0kWh（73.7kWh/m2）、3749.7kWh（74.9kWh/m2）、1803.6kWh（72.1kWh/m2）。

表2 太阳能光伏发电系统的总效率

另一方面，按照光伏电站系统总效率=光伏电站年发电量/(光伏电站装机容量×年峰值日照小时数)的方法，对四川大学江安校区太阳能光伏发电系统的总效率进行测算，结果如表2所示。可以看到，太阳能光伏发电系统的总效率达到0.89，即在成都地区日照条件下光伏发电方式达到了良好的太阳能利用水平。

最后，针对四川大学江安校区太阳能光伏发电系统的年发电量，可以确定其节能减排效果如表3所示。

表3 太阳能光伏发电系统节能减排量

4 结论

本文以四川大学江安校区太阳能光伏发电系统为研究对象，重点分析了在太阳能资源ⅳ类地区基于光伏发电来实现太阳能利用的特征与效果，得出以下结论：

（1）太阳能光伏发电系统的发电量峰值出现在8月，谷值出现在12月，月平均发电量水平为72.1～74.9kWh/m2。

（2）太阳能光伏发电系统的总效率达到0.89，即在成都地区日照条件下光伏发电方式实现了对太阳能的良好利用水平。

（3）太阳能光伏发电系统年节约标准煤62071.86kg，减少CO2排量154714.11kg，即实现了良好的节能减排效果。

[1] 徐永军,王亮.校园建筑空调负荷影响因素及节能改善措施研究[J].制冷与空调,2017,31(2)199-203.

[2] 李跃文.太阳能分布式发电技术在通风中的运用初探—以丽江市某商场机械通风前期方案为例[J].制冷与空调,2016,30(6):660-663.

[3] 向波,袁艳平,杨晓娇,等.基于碳夹点分析的四川省可再生能源利用[J].制冷与空调,2016,30(5):615-621.

[4] 凤江涛.光伏示范校园中的关键问题研究[D].北京:北方工业大学,2012.

[5] 张豪.光伏建筑一体化在校园环境中的应用潜力研究—以天津大学新校区为例[D].天津:天津大学,2013.

[6] 孙仲武.光伏发电在大学校园的应用与探索[J].四川建筑科学研究,2013,39(6):332-334.

[7] 张萍,张大鹏,桑培东.校园光伏建筑一体化应用研究—以山东建筑大学1MWp太阳能光伏并网发电示范项目为例[J].四川建筑科学研究,2015,41(4):137-139.

[8] 冯相赛,乔虹桥,马旭东,等.校园光伏电站的设计与应用[J].能源与节能,2016,(2):3-5.

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

节约型校园建筑节能改造示范项目（2014218）

邓 益（1978.9-），男，硕士研究生，助理研究员，E-mail：dyi@scu.edu.cn

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

2017-06-19