高校光伏發(fā)電系統(tǒng)及其綜合功效探析

摘 要：文章介紹了黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了分析；闡述了安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能作用和環(huán)境保護(hù)的功能；淺析了它的教學(xué)和科研功能；分析結(jié)果表明在高校開發(fā)建設(shè)太陽能發(fā)電工程具有多重綜合功能，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；高校；環(huán)境與節(jié)能；教育與科研

21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人類對(duì)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(jī)迫在眉睫。另外，由于對(duì)化石能源的過度開采和利用，已經(jīng)引起全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境日益惡化，各種生態(tài)和自然災(zāi)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(huán)保、清潔、安全的可再生能源[1-2]。發(fā)達(dá)國家大力研究開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)，并取得了舉世矚目的成就。近年來，我國太陽能發(fā)電技術(shù)也趨于成熟，光伏產(chǎn)業(yè)有了飛速的發(fā)展，國家出臺(tái)一系列經(jīng)濟(jì)政策，在全國強(qiáng)力推行“太陽能屋頂計(jì)劃”[3]。在國家政策春風(fēng)的吹拂下，黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院為提高本校供配電系統(tǒng)的供電可靠性，解決經(jīng)常出現(xiàn)的停電問題，保障多媒體教學(xué)活動(dòng)的順利開展，開發(fā)建設(shè)了太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該工程于2011年底正式建成并網(wǎng)發(fā)電。本文就高校太陽能發(fā)電系統(tǒng)所具有的綜合功能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

高校校園一般有教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、行政辦公樓、學(xué)生宿舍樓等建筑群，是建設(shè)太陽能光伏電站的理想場所。黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)樓組團(tuán)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)樓組團(tuán)、學(xué)生宿舍樓組團(tuán)，各類樓群的坐向各異，屋頂面積45000平方米。根據(jù)校園建筑特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和太陽輻射資源開發(fā)建設(shè)了2MWp太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

此太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、陣列架體、DC/DC變換器、逆變?cè)O(shè)備、變壓器、交直流電力網(wǎng)絡(luò)、交流配電柜、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該光伏發(fā)電系統(tǒng)采用了分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的方案，即將系統(tǒng)分成若干個(gè)小型光伏發(fā)電單元，經(jīng)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(jīng)過升壓變壓器將光伏發(fā)電系統(tǒng)并入常規(guī)10KV電網(wǎng)，把常規(guī)電網(wǎng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的載體，與常規(guī)電網(wǎng)構(gòu)成高品質(zhì)的雙回路電源供電系統(tǒng)為學(xué)校教學(xué)供電。

本項(xiàng)目的電池組件為標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，共安裝8511塊，組件轉(zhuǎn)換效率16%，額定功率為235Wp，系統(tǒng)峰值總功率2000.09KWp，采用4臺(tái)500KW并網(wǎng)逆變器。

光伏電池組件安裝在教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)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(jié)構(gòu)，支架設(shè)計(jì)保證光伏組件與支架連接牢固、可靠，底座與基礎(chǔ)連接牢固。支架采用鍍鋅角鋼制作的鋼結(jié)構(gòu)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(fā)電系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是關(guān)鍵設(shè)備。一方面，它不但要擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的DC/AC轉(zhuǎn)換作用，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)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(zhì)量很高，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量造成污染，滿足國家電網(wǎng)電能質(zhì)量要求；②在輸出功率>50%額定功率，電網(wǎng)波動(dòng)<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(tǒng)運(yùn)行過程中，它還要與控制監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用，實(shí)時(shí)采集交流電網(wǎng)的電壓信號(hào)，通過閉環(huán)控制，準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波含量等重要指標(biāo)，使得其交流輸出的電壓與電網(wǎng)電壓的相位、頻率保持高度一致。同時(shí)它還負(fù)責(zé)該光伏發(fā)電系統(tǒng)的各部分與公共電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)可能發(fā)生的各種異常狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。

2 經(jīng)濟(jì)效益

為合理評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，我們根據(jù)相關(guān)的可再生能源評(píng)價(jià)原理，結(jié)合太陽能光伏發(fā)電的特點(diǎn)，充分考慮各方面的因素，運(yùn)用動(dòng)態(tài)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法，以投資利用率、費(fèi)效必為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算軟件采用聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和加拿大自然資源部聯(lián)合編寫的可再生能源技術(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件RETSCREEN[4]，對(duì)上述工程以26年（含1年建設(shè)期）為計(jì)算期，對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算可得，本工程總發(fā)電量約為5446.51萬kWh，年平均發(fā)電約217.86萬KWh，太陽能光電系統(tǒng)效率為78%，費(fèi)效比為1.36元/度，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

通過對(duì)上述經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：本項(xiàng)目稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為13.84%，動(dòng)態(tài)投資回收期為7.64年，投資利潤率為1.32%，說明本項(xiàng)目建成后不但能解決學(xué)校的自身用電問題，同時(shí)還具有一定的盈利，即本項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3 環(huán)境和節(jié)能效益

光伏發(fā)電是一種清潔的能源，既不直接消耗資源，同時(shí)又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會(huì)有廢渣的堆放、廢水排放等問題，有利于保護(hù)周圍環(huán)境，是一種綠色可再生能源。開封是一個(gè)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(xiàng)目工程的實(shí)施對(duì)于開封市的環(huán)境保護(hù)具有特殊重要的意義。

目前，我國發(fā)電耗煤為平均390g標(biāo)煤/kWh，本項(xiàng)目預(yù)計(jì)年發(fā)電量為217.86萬KWh，那么該光伏電站預(yù)計(jì)每年節(jié)約標(biāo)煤為：217.86萬KWh390g標(biāo)煤/kWh=849.65t；預(yù)計(jì)25年總節(jié)約標(biāo)煤就為：217.86萬KWh390g標(biāo)煤/kWh 25年=21241.35。

另外，我國每發(fā)1kWh電排放CO2為1.4kg，那么本項(xiàng)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(fā)電工程項(xiàng)目與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)煤849.65噸；在其經(jīng)濟(jì)使用壽命25年使用期內(nèi)將節(jié)省標(biāo)煤21241.35噸；能減排溫室氣體CO2 共約76251噸，具有明顯的節(jié)能和環(huán)境保護(hù)效益。

4 教學(xué)與科研功能

在高校建設(shè)太陽能光伏發(fā)電站不但具有環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的重要意義，另外還具有特殊的教學(xué)和科研功能。

首先，在能源危機(jī)的威脅下，在國家政策的支持下，全國各地的太陽能發(fā)電工程近幾年如雨后春筍般紛紛上馬，建成的太陽發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，投入運(yùn)行。然而，隨著太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，新設(shè)備需要不斷地開發(fā)、生產(chǎn)規(guī)模需要不斷地?cái)U(kuò)大，這意味著對(duì)專業(yè)人才的需求不斷增多。同時(shí)，由于光伏設(shè)備必須在安裝調(diào)試通過以后才能夠投入生產(chǎn)運(yùn)行，故需要生產(chǎn)企業(yè)委派具備豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技能型人才到現(xiàn)場，為企業(yè)解決設(shè)備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種技術(shù)問題。然而，目前該行業(yè)內(nèi)的技術(shù)及服務(wù)人員數(shù)量很少，光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展面臨著人才缺乏的問題。因而，國家教育系統(tǒng)應(yīng)該加大對(duì)太陽能光伏行業(yè)的人才培養(yǎng)力度，應(yīng)該在高校開設(shè)太陽能光伏發(fā)電專業(yè)，尤其是要充分利用高級(jí)職業(yè)院校為該行業(yè)培養(yǎng)實(shí)踐型的高級(jí)技能人才[4]。可是，由于太陽能發(fā)電技術(shù)專業(yè)是一個(gè)新型的專業(yè)，目前高職院校中開設(shè)太陽能發(fā)電課程的并不多，更不用說太陽能發(fā)電技術(shù)專業(yè)了。而且有些院校雖然已經(jīng)開設(shè)此類專業(yè)和課程，但是由于實(shí)訓(xùn)條件缺乏，教學(xué)質(zhì)量也不太理想。黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院是國家首批示范性高職，其中電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)是國建示范性專業(yè)，為更好地起到引領(lǐng)示范性作用，我院自動(dòng)化工程系為該專業(yè)開設(shè)了“太陽能發(fā)電技術(shù)”的課程，課程就是以本院的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為教學(xué)平臺(tái)和實(shí)訓(xùn)基地，開展“教、學(xué)、練、做”一體化教學(xué)活動(dòng)的，培養(yǎng)了既懂太陽能發(fā)電原理，又能從事太陽能發(fā)電系統(tǒng)各種設(shè)備的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)和管理的高級(jí)技能人才；同時(shí)也是我院2013年度獲得國家重點(diǎn)支持建設(shè)“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室”的基礎(chǔ)，這些都在為我們即將開設(shè)的“新能源發(fā)電技術(shù)專業(yè)”準(zhǔn)備條件和積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

其次，我院太陽能光伏發(fā)電站的建成不僅為我院搭建了新能源發(fā)電技術(shù)的培訓(xùn)與教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)也搭建了新能源發(fā)電技術(shù)的科研平臺(tái)：為了主動(dòng)適應(yīng)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，為其提供清潔能源，我院的科研工作者還以該項(xiàng)目作為研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)基地，開展“分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、分布式發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量的影響、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)”等多個(gè)項(xiàng)目的研究工作，從而提升了高職院校的科研能力，帶動(dòng)了我院科研工作的深入開展，推動(dòng)了河南省太陽能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步提高。

最后，通過我院的太陽能示范工程的建設(shè)，不但可以提高人們對(duì)太陽能發(fā)電的認(rèn)識(shí)，為高校開發(fā)校園建筑物節(jié)能體系積累經(jīng)驗(yàn)；而且可以為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶的發(fā)展，為河南省高新技術(shù)開發(fā)起了示范引領(lǐng)的作用。

5 結(jié)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(shè)太陽能光伏發(fā)電工程，不但可以解決高校的用電問題，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以節(jié)約能源、清潔環(huán)境，并且還可以為高校教學(xué)和科研工作發(fā)揮它的特定作用。因此，在高校校園中建設(shè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有多重效益和功能，值得在全國高校中廣泛推廣。

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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(dòng)化技術(shù)專業(yè)教學(xué)與研究工作。