高校建筑太阳能光伏发电系统应用研究——以安徽建筑大学南校区实验综合楼为例

2022-06-15魏蒙蒙

高校后勤研究 2022年5期

魏蒙蒙

魏蒙蒙

[安徽建筑大学]

文章结合安徽地区太阳能资源现状，以安徽建筑大学南校区实验综合楼太阳能光伏发电系统作为研究对象，分析太阳能光伏系统理论和实际运行的特征和效果，评估该系统发电量的逐年变化情况，有益于太阳能光伏发电技术的开发利用。研究结果表明，该系统在运行期间年均发电4476kWh，减少标准煤消耗约49.1吨，减轻排放温室效应性气体CO2约135.9吨，达到了太阳能资源的较好利用和良好的节能减排效果。系统首年实际运行情况良好，整体数据与理论发电量趋势相似，实现了理论运行情况的98.6%。系统发电效率随着时间推移显著降低，第三年发电量基本为理论发电量的80.6%，高校能源管理人员应采取必要的优化措施，保证太阳能光伏系统的发电效率。

太阳能；光伏发电；节能减排；发电效率

能源与环境问题是当今世界追求可持续发展面临的两项最艰巨的挑战，世界上约40%的能源消耗和近三分之一的温室气体排放均与建筑行业有关。[1]同时，随着我国高等教育的逐步普及，高校建筑成为各类建筑中能耗较高的一部分。在高校建筑中建立太阳能光伏系统，即可以有效利用高校建筑密度较低的特点，为高校节约能源，又能够方便教学科研，起到良好的示范性作用。[2]为了进一步建设“清洁低碳、安全高效的现代化能源体系”，下个十年中国将建设大规模光伏发电系统，每年新增光伏发电系统约80-160 GW/年。[3]高校建筑可以通过对太阳能光伏系统的科学开发利用，实现绿色校园的目标。[4-5]目前已有较多研究基于不同地区的气候条件对高校太阳能光伏系统进行应用和探索。[6-8]在大多数高校建筑中，太阳能光伏系统具有良好的运行情况，为高校带来了经济效益和社会效益。[9-10]

一、基本信息

（一）建筑概况

安徽建筑大学实验综合楼位于安徽省合肥市安徽建筑大学南校区南大门东侧（如图1所示）。建筑占地面积为4957 m2，建筑总面积为39482 m2。整栋建筑由主楼和裙楼组成，主楼21层，高度为78.3 m，裙楼4层，高度为16.3 m。建筑功能主要作为学院实验室用房和部分学校、学院行政办公用房。[11]

图1 实验综合楼外观图

（二）气候资源

安徽省合肥市为夏热冬冷地区，全年气象参数如表1所示。年平均气温15.7度，降雨量近1000毫米，日照时数2100小时左右。最热月为7-8月，平均气温超过28℃；最冷月为1月，平均气温仅3℃。全年最高水平面太阳辐照量出现在7月，平均为5.06 kWh/m2/d；最低水平面太阳辐照量出现在12月，平均为2.63 kWh/m2/d。根据国家气象局风能太阳能资源中心发布的《2020年中国风能太阳能资源年景公报》[12]可得，合肥市平均年总辐照量在1369 kWh/m2左右，属于三类地区，太阳能资源丰富，具有良好的开发前景。

表1 合肥全年气象参数

二、太阳能光伏系统及其参数

（一）光伏组件

本项目装机容量54 KWp，使用270 Wp多晶硅电池组件200块，组件大小为1640 mm*990 mm*35 mm，工作电压31.2 V，工作电流8.65 A。每20块电池组件为1组串，安装在一套支架上，单元内组件双排竖向布置，采用3°-5°倾角固定式安装。项目整体分为两个安装区域，南侧铺设120片组件，系统容量32.4 KWp，北侧铺设80片组件，系统容量21.6 KWp（如图2所示）。

图2 屋面光伏组件安装实景

（二）逆变器

光伏面板发电需要逆变器将直流电转换为交流电，以便建筑物日常使用和接入电网。本系统分为10个光伏组，串接入1台50 KW光伏逆变器，逆变器将直流电源转换为400 V交流电源，出线经光伏配电箱接入用户侧公共负载线路。逆变器大小为665 mm*906 mm*256 mm，额定输入电压620 V，最大效率为98.9 %。

（三）配电系统

本项目为并网性太阳能光伏发电系统，主要由太阳能电池阵列、汇流箱、逆变升压单元、数据采集及监控系统等组成，系统示意图如图3。光伏阵列将太阳能转化为直流电能接入汇流箱，经过直流部分的汇流调整之后，直流输出接入逆变器。逆变器单元把直流电能转换为市电网同相、同频的交流电，再经过具有交流保护和短路保护的配电装置后，接入400 V/50 Hz的低压交流电网。监控系统主要由逆变器来实现，数据采集器可以和网络及本地计算机连接，实现与逆变器的数据连接交换。

图3 系统示意图

三、系统运行分析

（一）系统理论发电量

光伏组件输出电量由研究区域太阳辐射及环境因素决定。理论计算中使用如下公式（3-1）计算光伏组件的输出电量[13]：

式中：EP为光伏发电量，kWh；HA为水平面太阳能总辐照量，kWh/m2；PAZ为组件安装容量，kWp；ES为标准条件下的辐照度，常数=1 kWh/m2；K为综合效率系数，%。

光伏组件的系统综合效率是其在实际工况相对于额定工况下运行输出的效率系数，本研究中主要考虑的影响因素如表2所示，考虑气候变化等不可预见的自然现象，在计算中取0.99的修正系数，则系统综合效率系数为81.66 %。

表2 系统效率估算表

取合肥市月均水平太阳辐照度作为模板计算，实验综合楼54 kWp太阳能光伏系统逐月发电量如图4所示。该系统发电量从1月至5月呈逐月上升趋势，从7月至12月呈逐月下降趋势，6月系统发电量与5、7月相比有所降低。年度最大月发电量为7月的6917 kWh，5-8月发电量较大，均在6000 kWh以上。年度最小月发电量为12月的3595 kWh，11-2月发电量较少，均少于4000 kWh。系统发电量大小与气候相关，全年变化较大。

该系统年产出电力总量为60360 kWh，月平均发电量水平为5030 kWh。光伏发电比传统化石能源发电每年减少标准煤消耗约21.8吨，减轻排放温室气体CO2约60.2吨，减少排放有害气体SO2约1.8吨、NOX约0.9吨。由此可见，本项目建成后的节能与减排效果显著。

图4 系统逐月发电量

（二）系统实际发电量

实验综合楼光伏发电系统的发电量数据自2018年7月开始接入电网检测平台。本文选取2018年9月-2021年8月（三年）的运行数据进行分析研究。各月发电量数据如表3，三年总发电量为161147 kWh，年均发电4476 kWh。与相同发电量的火力发电相比[14]，三年间减少标准煤消耗约49.1吨，减轻排放温室效应性气体CO2约135.9吨，减少排放大气污染气体SO2约4.0吨、NOX约2.1吨。

监测数据中，第一年（2018年9月-2019年8月）总发电量为59532 kWh，月均发电量为4961 kWh。监测数据4-8月的发电量较大，月总发电量均可以达到6000 kWh以上。其中5月份月总发电量最大，为7383 kWh，7月份次之为7000 kWh。11月份月总发电量大大减少，为3063 kWh，冬季整体发电量较少，最小发电量出现在2月份，为2401 kWh。运行第二年（2019年9月-2020年8月）总发电量为52964 kWh，月均发电量为4414 kWh。其中4-5月、8-9月的发电量较大，6-7月的发电量明显减少。年度最大月发电量为4月份的6757 kWh，5月份次之为6662 kWh。10月份起月发电量显著减少，为3239 kWh，最小发电量为1月份的2248 kWh。运行第三年（2020年9月-2021年8月）总发电量为48651 kWh，月均发电量为4054 kWh。其中5-7月发电量较大，均在5000 kWh以上，最大月发电量为5月份的5796 kWh。10月份起月发电量呈下降趋势，为4071 kWh，最小发电量为12月份的2069 kWh。

表3 光伏发电量监测表

（三）系统理论与实际情况分析

取太阳能光伏系统理论计算月发电量作为典型年数据，与实际监测中2018年9月-2021年8月中每年的月发电量数据做比较，结果如图6所示。

总的看来，典型年月发电量数据整体趋势与实际发电量数据趋势有相似之处。9-1月份整体数据呈下降趋势，2-5月份整体数据呈上升趋势，6-8月份数据趋势有所不同。由于实际气象数据与理论气象数据大小有差距，因此实际发电量有可能低于或高于理论计算发电量。在典型年数据中，月最大发电量出现在7月份，而实际数据中，月最大发电量有两年出现在5月份，1年出现在4月份，这与合肥地区近年来夏季雨水量较多有关。典型年数据中最小月发电量出现在12月份，1月与2月月发电量相比变动较小，实际数据中三年最小月发电量12、1和2月份均有出现。可以得出，冬季月发电量全年最小，且数据波动平缓。

从数据大小分析可知：典型年系统总发电量为60360 kWh，系统实际运行第1年发电量为59532 kWh，是理论数据的98.6 %，整体计算偏差较小，表明系统理论计算的准确性以及太阳能光伏系统首年的实际运行情况良好。次年发电情况与首年相比，发电量减少了6568 kWh，发电能力下降了11.0 %，第三年发电量在次年的基础上继续呈下降趋势，发电量减少了4313 kWh，发电能力下降了8.1 %。从图5中可以看出，第1年实际发电量与典型年相比，实际发电量一年中有7个月小于理论发电量，5个月大于理论计算量；第2年中有8个月小于理论发电量，4个月大于理论计算量。而第3年中，全年12个月实际发电量均小于理论值，排除天气因素，太阳能光伏发电系统在运行到第三年时，发电能力下降较多，基本为理论发电量的80.6 %。因此应采取必要的优化措施，保证太阳能光伏系统的发电量。