高校光伏發電系統及其綜合功效探析

摘 要：文章介紹了黃河水利職業技術學院的光伏發電系統，并對其經濟可行性進行了分析；闡述了安裝太陽能發電系統的節能作用和環境保護的功能；淺析了它的教學和科研功能；分析結果表明在高校開發建設太陽能發電工程具有多重綜合功能，具有良好的社會、經濟效益和廣闊的應用前景。

關鍵詞：光伏發電；高校；環境與節能；教育與科研

21世紀全球經濟飛速發展，人們生活水平不斷提高，人類對資源的需求與日俱增，然而煤炭、石油、天然氣等一次化石性能源正日趨枯竭，能源危機迫在眉睫。另外，由于對化石能源的過度開采和利用，已經引起全球氣候變暖、生態環境日益惡化，各種生態和自然災難接踵而至，極大地威脅著人類的生存。在此背景下，人們把目光投向了太陽能等取之不盡、用之不竭、環保、清潔、安全的可再生能源[1-2]。發達國家大力研究開發太陽能發電技術，并取得了舉世矚目的成就。近年來，我國太陽能發電技術也趨于成熟，光伏產業有了飛速的發展，國家出臺一系列經濟政策，在全國強力推行“太陽能屋頂計劃”[3]。在國家政策春風的吹拂下，黃河水利職業技術學院為提高本校供配電系統的供電可靠性，解決經常出現的停電問題，保障多媒體教學活動的順利開展，開發建設了太陽能發電系統，該工程于2011年底正式建成并網發電。本文就高校太陽能發電系統所具有的綜合功能進行分析和評價。

1 光伏發電系統

高校校園一般有教學樓、實驗樓、圖書館、行政辦公樓、學生宿舍樓等建筑群，是建設太陽能光伏電站的理想場所。黃河水利職業技術學院位于河南省中部開封市，日照資源充足，年均輻射量為5106.15MJ/m2。校園建筑有教學樓組團、實驗實訓樓組團、學生宿舍樓組團，各類樓群的坐向各異，屋頂面積45000平方米。根據校園建筑特點，結合當地氣象資料和太陽輻射資源開發建設了2MWp太陽能光伏發電系統。

此太陽能光伏發電系統主要由光伏陣列、陣列架體、DC/DC變換器、逆變設備、變壓器、交直流電力網絡、交流配電柜、數據采集及監控系統等組成，如圖1所示。該光伏發電系統采用了分塊發電、集中并網的方案，即將系統分成若干個小型光伏發電單元，經過DC/DC變換器后，由DC/AC逆變裝置將直流電變換為50Hz、270V的三相交流電，然后經過升壓變壓器將光伏發電系統并入常規10KV電網，把常規電網作為光伏發電系統的載體，與常規電網構成高品質的雙回路電源供電系統為學校教學供電。

本項目的電池組件為標準光伏組件，共安裝8511塊，組件轉換效率16%，額定功率為235Wp，系統峰值總功率2000.09KWp，采用4臺500KW并網逆變器。

光伏電池組件安裝在教學樓、辦公樓、學生宿舍樓屋頂，光伏組件陣列安裝傾角30度。屋頂上光伏方陣支架采用鋼結構，支架設計保證光伏組件與支架連接牢固、可靠，底座與基礎連接牢固。支架采用鍍鋅角鋼制作的鋼結構支架。方陣組件的安裝采用螺栓與鋼支架固定，陣列間距D為1.5米。該光伏發電系統主要技術參數見表1。

在本光伏發電系統中，逆變器是關鍵設備。一方面，它不但要擔負著系統的DC/AC轉換作用，實現與電網友好連接：①具有高性能濾波電路，使逆變器交流輸出的電能質量很高，不會對電網質量造成污染，滿足國家電網電能質量要求；②在輸出功率>50%額定功率，電網波動<5%的情況下，逆變器的交流輸出電流總諧波分量<5%，各次諧波分量<3%。另一方面，在系統運行過程中，它還要與控制監測系統協調作用，實時采集交流電網的電壓信號，通過閉環控制，準確控制轉換電壓、頻率、相位、諧波含量等重要指標，使得其交流輸出的電壓與電網電壓的相位、頻率保持高度一致。同時它還負責該光伏發電系統的各部分與公共電網的協調運行，并對系統可能發生的各種異常狀態進行保護。

2 經濟效益

為合理評價該系統的經濟效益，我們根據相關的可再生能源評價原理，結合太陽能光伏發電的特點，充分考慮各方面的因素，運用動態的經濟評價方法，以投資利用率、費效必為評價指標，計算軟件采用聯合國環境規劃署和加拿大自然資源部聯合編寫的可再生能源技術規劃設計軟件RETSCREEN[4]，對上述工程以26年（含1年建設期）為計算期，對其經濟效益進行計算。經計算可得，本工程總發電量約為5446.51萬kWh，年平均發電約217.86萬KWh，太陽能光電系統效率為78%，費效比為1.36元/度，具體計算結果見表2。

通過對上述經濟指標進行分析，可以得出以下結論：本項目稅后財務內部收益率為13.84%，動態投資回收期為7.64年，投資利潤率為1.32%，說明本項目建成后不但能解決學校的自身用電問題，同時還具有一定的盈利，即本項目在經濟上是可行的。

3 環境和節能效益

光伏發電是一種清潔的能源，既不直接消耗資源，同時又不釋放污染物、廢料，也不產生溫室氣體破壞大氣環境，也不會有廢渣的堆放、廢水排放等問題，有利于保護周圍環境，是一種綠色可再生能源。開封是一個有著悠久歷史的都城，目前開封人民正在為打造“世界旅游名城”而奮斗，本項目工程的實施對于開封市的環境保護具有特殊重要的意義。

目前，我國發電耗煤為平均390g標煤/kWh，本項目預計年發電量為217.86萬KWh，那么該光伏電站預計每年節約標煤為：217.86萬KWh390g標煤/kWh=849.65t；預計25年總節約標煤就為：217.86萬KWh390g標煤/kWh 25年=21241.35。

另外，我國每發1kWh電排放CO2為1.4kg，那么本項目將每年減排二氧化碳為：217.86萬KWh×1.4kgCO2/kWh=3050.04t CO2；25年減排二氧化碳為：217.86萬KWh×1.4kgCO2/kWh×25Y=76251t CO2

由此可見，黃河水院建成的2MWp太陽能光伏發電工程項目與相同發電量的火電廠相比，每年可為電網節約標煤849.65噸；在其經濟使用壽命25年使用期內將節省標煤21241.35噸；能減排溫室氣體CO2 共約76251噸，具有明顯的節能和環境保護效益。

4 教學與科研功能

在高校建設太陽能光伏發電站不但具有環境保護和節能的重要意義，另外還具有特殊的教學和科研功能。

首先，在能源危機的威脅下，在國家政策的支持下，全國各地的太陽能發電工程近幾年如雨后春筍般紛紛上馬，建成的太陽發電系統并網發電，投入運行。然而，隨著太陽能光伏發電產業的迅速發展，新設備需要不斷地開發、生產規模需要不斷地擴大，這意味著對專業人才的需求不斷增多。同時，由于光伏設備必須在安裝調試通過以后才能夠投入生產運行，故需要生產企業委派具備豐富實踐經驗的技能型人才到現場，為企業解決設備在生產過程中出現的各種技術問題。然而，目前該行業內的技術及服務人員數量很少，光伏發電行業的發展面臨著人才缺乏的問題。因而，國家教育系統應該加大對太陽能光伏行業的人才培養力度，應該在高校開設太陽能光伏發電專業，尤其是要充分利用高級職業院校為該行業培養實踐型的高級技能人才[4]。可是，由于太陽能發電技術專業是一個新型的專業，目前高職院校中開設太陽能發電課程的并不多，更不用說太陽能發電技術專業了。而且有些院校雖然已經開設此類專業和課程，但是由于實訓條件缺乏，教學質量也不太理想。黃河水利職業技術學院是國家首批示范性高職，其中電氣自動化技術專業是國建示范性專業，為更好地起到引領示范性作用，我院自動化工程系為該專業開設了“太陽能發電技術”的課程，課程就是以本院的太陽能光伏發電系統作為教學平臺和實訓基地，開展“教、學、練、做”一體化教學活動的，培養了既懂太陽能發電原理，又能從事太陽能發電系統各種設備的安裝、調試、運行、維護和管理的高級技能人才；同時也是我院2013年度獲得國家重點支持建設“風光互補發電系統實訓室”的基礎，這些都在為我們即將開設的“新能源發電技術專業”準備條件和積累實踐經驗。

其次，我院太陽能光伏發電站的建成不僅為我院搭建了新能源發電技術的培訓與教學平臺，同時也搭建了新能源發電技術的科研平臺：為了主動適應智能電網建設的要求，為其提供清潔能源，我院的科研工作者還以該項目作為研究對象和實驗基地，開展“分布式發電并網技術、分布式發電對電能質量的影響、風光互補發電技術”等多個項目的研究工作，從而提升了高職院校的科研能力，帶動了我院科研工作的深入開展，推動了河南省太陽能發電技術的進一步提高。

最后，通過我院的太陽能示范工程的建設，不但可以提高人們對太陽能發電的認識，為高校開發校園建筑物節能體系積累經驗；而且可以為中原經濟區高新技術產業帶的發展，為河南省高新技術開發起了示范引領的作用。

5 結束語

由于太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”的清潔能源，如果充分利用高校建筑樓群的屋頂建設太陽能光伏發電工程，不但可以解決高校的用電問題，獲得一定的經濟效益，而且可以節約能源、清潔環境，并且還可以為高校教學和科研工作發揮它的特定作用。因此，在高校校園中建設太陽能光伏發電系統具有多重效益和功能，值得在全國高校中廣泛推廣。

參考文獻

[1]趙春江.太陽能光伏發電系統的技術發展[J].創新與技術，2011：56-63.

[2]胡阿芹，孟棋.我國太陽能光伏發電產業發展研究[J].湖北社會科學，2011（4）：92-95.

[3]柴玉梅，王峰.某15MW太陽能屋頂光伏發電工程的應用分析[J].節能，2010（9）：24-26.

[4]田飛，胡長明，等.農村建設中太陽能路燈綜合效益評價研究[J].青島農業大學學報（自然科學版）2011，28（1）65-68.

作者簡介：李小雄（1968-），女，漢族，湖南新寧人，副教授，博士，從事電氣自動化技術專業教學與研究工作。