光伏發(fā)電技術(shù)在檔案館建筑中的應(yīng)用

文/沈顯明

當(dāng)前，檔案館新館建設(shè)發(fā)展速度較快。“十二五”規(guī)劃期間，國(guó)家投入了大量的專項(xiàng)資金用于新建檔案館，在已建成的諸多新館中，因檔案自身長(zhǎng)期存放的需要及國(guó)家規(guī)范的要求，其能耗普遍較高，如何在檔案安全保管保存的前提下，最大限度地降低檔案館建筑的能耗，是擺在全國(guó)檔案館新建、改建、擴(kuò)建過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是踐行“綠色發(fā)展”理念的根本要求。如何解決好能源節(jié)約與檔案安全保管之間的關(guān)系，找到實(shí)現(xiàn)檔案館建筑“安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展”的新技術(shù)、新手段，成為檔案館建設(shè)過(guò)程中的重要課題。

作為可再生能源的太陽(yáng)能，是未來(lái)替代傳統(tǒng)化石能源的重要能源之一，而光伏發(fā)電技術(shù)則是利用晶硅材料制成的電池板將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N新型的發(fā)電技術(shù)。近年來(lái)，隨著國(guó)家綠色發(fā)展的政策要求，光伏發(fā)電技術(shù)得以快速發(fā)展，并逐漸走向成熟，這使得建設(shè)節(jié)能型檔案館成為了可能。將分布式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到檔案館建筑中，不僅可以很好地解決檔案庫(kù)房能源消耗的問(wèn)題，而且還能解決西部偏遠(yuǎn)地區(qū)檔案館、南部島嶼檔案館供電難的問(wèn)題，又能在緊急停電時(shí)代替柴油發(fā)電機(jī)作為儲(chǔ)備電源。綜上所述，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講，在檔案館中推廣光伏發(fā)電技術(shù)，對(duì)于檔案建筑的能源節(jié)約，實(shí)現(xiàn)檔案館的“綠色發(fā)展”具有重要意義。

一、光伏發(fā)電技術(shù)在檔案館建筑中應(yīng)用

在檔案館建筑應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)時(shí)，要綜合考慮檔案館建筑所在地的光照條件、裝機(jī)容量、組件的最佳安裝傾角以及組件類型等要素，它們共同決定著系統(tǒng)的發(fā)電總量、發(fā)電收益、以及前期成本，進(jìn)而影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本回收周期。因此，在應(yīng)用之初就應(yīng)將上述因素納入到檔案館建設(shè)的整體規(guī)劃之中。

發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)是未來(lái)建綠色檔案館建筑的一個(gè)重要方向。本文淺析了檔案館建筑在應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)需要考慮的因素，包括裝機(jī)容量的設(shè)計(jì)、最佳安裝傾角的確定以及不同組件的選型組件；同時(shí)以江蘇某檔案中心為例，分析了10.8kw光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益、回收周期以及環(huán)境效益等指標(biāo)，為今后檔案館建筑應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)提供理論參考

（一）我國(guó)太陽(yáng)能資源分布

我國(guó)有著豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)陸地面積太陽(yáng)能年輻射能總量約為 3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當(dāng)于燃燒2.4×104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的熱量。根據(jù)國(guó)家氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能評(píng)估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)太陽(yáng)能資源按輻射量的不同可分為四類地區(qū)。太陽(yáng)能全年輻射量在6700～8370MJ/m2之間的稱為一類地區(qū)，這類地區(qū)全年日照資源充足，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，主要集中在青藏高原、山西北部、寧夏北部、甘肅北部等地區(qū)；太陽(yáng)能全年輻射量在5400～6700MJ/m2之間的稱為二類地區(qū)，這類地區(qū)全年日照資源較充足，日照時(shí)數(shù)較一類地區(qū)稍短，主要集中在河南、山東、遼寧、吉林、福建南部、廣東南部等地；全年輻射量在4200～5400MJ/m2之間的稱為三類地區(qū)，這類地區(qū)春夏多陰雨，秋冬季太陽(yáng)能資源較豐富，主要集中在福建、浙江以及長(zhǎng)江中下游一帶；全年太陽(yáng)能輻射量在4200MJ/m2以下的我們稱之為四類地區(qū)，主要分布在貴州和四川兩省，這類地區(qū)是我國(guó)太陽(yáng)能資源最少的地區(qū)。

（二）裝機(jī)容量的設(shè)計(jì)

裝機(jī)容量指的是光伏組件額定功率的總和，它由建筑的場(chǎng)地情況、光伏組件的效率以及前期投入等因素共同決定。對(duì)于已經(jīng)建成的檔案館，在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量時(shí)，要充分考慮屋頂?shù)膱?chǎng)地情況，如可利用面積、設(shè)計(jì)荷載以及電氣設(shè)備布置情況等。對(duì)于待建的檔案館，在項(xiàng)目建設(shè)之初就應(yīng)做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面規(guī)劃，科學(xué)合理地利用光伏發(fā)電技術(shù)為檔案館服務(wù)。在安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，檔案館建筑的屋頂結(jié)構(gòu)形式的可以是平面屋頂，也可以是斜面屋頂。通常來(lái)說(shuō)，平面屋頂1平方米的面積其裝機(jī)容量約75-100W，屋面承重增加約35-45公斤。朝南向斜面屋頂1平方米其裝機(jī)容量約為130-150W，屋面承重增加約15公斤。以上海地區(qū)一萬(wàn)平方米的平面屋頂為例，去除設(shè)備設(shè)施所占屋頂面積，其裝機(jī)容量可在600-800kW之間，年發(fā)電量約在70-95萬(wàn)度之間，年收益效益可觀。

（三）最佳傾角的確定

光伏陣列與安裝平面之間的最優(yōu)夾角稱為最佳傾角，它是影響光伏組件發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。最佳傾角與系統(tǒng)所在地區(qū)的經(jīng)緯度、各月輻射量分布以光照的直散比等因素有關(guān)。經(jīng)緯度、各月輻射量分布以光照直散比的不同會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)高度角變化，從而改變著光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳傾角的值。對(duì)于檔案館建設(shè)人員而言，在應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，我們希望的是通過(guò)簡(jiǎn)單快捷的方法確定最佳傾角。在這里筆者列出北京、上海、天津三個(gè)地區(qū)光伏組件的最佳安裝傾角供參考，更多城市的最佳安裝傾角可查詢?nèi)珖?guó)各地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)表確定。

（四）太陽(yáng)能電池組件的選型

太陽(yáng)能電池組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心和價(jià)值最高的部分，它的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，推動(dòng)負(fù)載工作。組件質(zhì)量和成本將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本，從而決定檔案館建筑應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)前期所需的投入。目前，太陽(yáng)能電池組件均是以晶硅原材料制作而成，如：發(fā)電效率較高的單晶硅太陽(yáng)電池組件，應(yīng)用范圍最廣泛的多晶硅太陽(yáng)能電池組件以及技術(shù)尚未成熟的非晶硅太陽(yáng)能組件等。

1.單晶硅太陽(yáng)能電池組件

單晶硅太陽(yáng)電池是一種以純度為99.999%的單晶硅棒為原料的組件，其生產(chǎn)工藝成熟，光電轉(zhuǎn)化效率高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，國(guó)際公認(rèn)最高效率的單晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)24%，而目前常用的單晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)化也在15%-18%之間。由于單晶硅電池板對(duì)原材料高純度的要求，使其制造成本較高，但目前單晶硅的轉(zhuǎn)化效率是其他晶硅材料中最高的，每瓦售價(jià)在36-40元之間。

2.多晶硅太陽(yáng)能電池組件

多晶硅太陽(yáng)電池多半是采用廢次單晶硅材料和冶金級(jí)硅材料加工而成。與單晶硅相比，其制作成本便宜，制作工藝簡(jiǎn)單便捷。因此，近些年來(lái)多晶硅電池板得到了快速發(fā)展。但由于多晶硅內(nèi)存在明顯的晶粒界面、晶格錯(cuò)位等缺陷，其光電轉(zhuǎn)化率與單晶硅相比要低，通常在13%-15%之間。此外，多晶硅電池組件還存在載流子遷移率、壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度等問(wèn)題。盡管如此，多晶硅電池組件由于價(jià)格便宜，量產(chǎn)率高，仍是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的電池組件，其每瓦售價(jià)在34-36元之間。

3.非晶硅太陽(yáng)能電池組件

非晶硅太陽(yáng)電池組件是上世紀(jì)20年代初誕生的一種新型薄膜式太陽(yáng)電池。與上述兩種晶硅材料相比，它有諸多優(yōu)點(diǎn)。在制作工藝上，非晶硅太陽(yáng)電池組件的制作過(guò)程大為簡(jiǎn)化，且所消耗的硅材料很少。此外，非晶硅太陽(yáng)電池組件即使是在光照條件很弱的情況下，也能夠進(jìn)行發(fā)電。但非晶硅太陽(yáng)電池由于目前的技術(shù)尚未成熟，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率偏低，且運(yùn)行不夠穩(wěn)定。目前，國(guó)際先進(jìn)水平的非晶硅電池組件的轉(zhuǎn)化效率也只有10%左右，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率逐漸衰減。因此，該種類型的電池板尚未被用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，僅作為微型電子設(shè)備的供電電源，如便攜式計(jì)算器、移動(dòng)充電電源等方面。

二、光伏發(fā)電技術(shù)在檔案館建筑中應(yīng)用實(shí)例分析

（一）項(xiàng)目概況

江蘇某檔案寄存中心位于蘇州昆山花橋鎮(zhèn)，年日照時(shí)常大約為1965小時(shí)。近十年該地區(qū)太陽(yáng)能年輻射量約為4651.1J/m2，屬于我國(guó)太陽(yáng)能資源三類地區(qū)，適宜建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目。該檔案寄存中心屋頂總面積約為1500平方米，光伏發(fā)電系統(tǒng)占用屋頂面積為150平方米，裝機(jī)容量為10.8kW。根據(jù)江蘇省蘇州市的氣象資料以及該屋頂現(xiàn)有設(shè)備的安裝情況等因素，最終確定安裝傾角為南偏西20°。試驗(yàn)屋頂為鋼筋混凝土屋頂，經(jīng)信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院荷載復(fù)核，該屋頂可承受10.8kw光伏荷載。

（二）系統(tǒng)設(shè)備配置

本項(xiàng)目采用的太陽(yáng)能光伏發(fā)電組件為多晶硅組件，單塊電池板的額定發(fā)電功率為270W，組件數(shù)量合計(jì)40塊。逆變器采用三相雙路智能逆變器，可通過(guò)手機(jī)客戶端對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全程記錄該檔案寄存中心的能耗情況。此外，在發(fā)電的輸出端還加設(shè)了計(jì)量表具和防倒送裝置，便于國(guó)家光伏補(bǔ)貼的結(jié)算和保證系統(tǒng)安全。

（三）系統(tǒng)并網(wǎng)形式

由于該檔案寄存中心用電量較大，且試驗(yàn)項(xiàng)目裝機(jī)容量較小，故本工程采用“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的發(fā)電模式。該模式下，三相雙路直流逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電，再通過(guò)配電柜與變電所內(nèi)的變壓器低壓端并聯(lián)，對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，并將多余的電能送入電網(wǎng)。

（四）系統(tǒng)效益分析

目前，市場(chǎng)上光伏電池組件的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命為25年，且25年內(nèi)光伏組件的發(fā)電效率衰減額不大于20%。因此，基于上述假設(shè)，利用光伏分析軟件PVsys可模擬出從系統(tǒng)裝機(jī)開(kāi)始至未來(lái)25年的發(fā)電量，10.8kW光伏發(fā)電系統(tǒng)25年的發(fā)電總量約為28萬(wàn)度，年均發(fā)電量1.1萬(wàn)度。

1.經(jīng)濟(jì)效益分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為近年來(lái)新興的綠色技術(shù)，得到了國(guó)家政策層面的大力支持。本套系統(tǒng)投資總金額約17萬(wàn)元，根據(jù)“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的并網(wǎng)政策，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的補(bǔ)貼電價(jià)為0.42元/度，那么系統(tǒng)每度電的價(jià)值為0.97元（基準(zhǔn)電價(jià)）+0.42元（國(guó)家補(bǔ)貼）=1.39元，光伏發(fā)電系統(tǒng)在25年內(nèi)的發(fā)電總價(jià)值為280000度×1.39元=389200元。根據(jù)國(guó)家并網(wǎng)政策（“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的國(guó)家補(bǔ)貼政策為自并網(wǎng)之日起20年不變），年平均發(fā)電量按11000度計(jì)算，則投資回收期為170000元（投入總金額）/11000度×1.39元（光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電總價(jià)值）≈11年，則去除成本后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總利潤(rùn)為（25-11）年×11000度×1.39元=214060元。因此，在組件壽命期限內(nèi)，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.環(huán)境效益分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的效益不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，更體現(xiàn)在對(duì)于環(huán)境有害物質(zhì)的排放上。

光伏發(fā)電系統(tǒng)較常規(guī)燃料發(fā)電站而言，可以有效減少 CO2、粉塵、SO2、氮氧化物等有害氣體的排放，符合國(guó)家綠色發(fā)展理念的要求。因此，在檔案館建筑中應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)，具有良好的環(huán)境效益。

將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于檔案館建筑的屋頂上，可以有效地開(kāi)發(fā)現(xiàn)有屋頂?shù)拈e置空間，降低檔案館建筑的用電成本和高峰期對(duì)電網(wǎng)的用電需求，緩解電網(wǎng)的用電壓力。從環(huán)境保護(hù)和投資收益比的角度來(lái)講，對(duì)于檔案館建筑這樣高能耗的建筑，采用光伏發(fā)電技術(shù)與檔案館建筑相結(jié)合符合發(fā)展綠色檔案館建筑的要求。

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種新型的綠色技術(shù)，其應(yīng)用形式多樣。例如，光伏建筑一體化技術(shù)（BIPV）就是將光伏系統(tǒng)集成到建筑上（幕墻、玻璃、屋頂、遮陽(yáng)設(shè)施、女兒墻等）。就目前檔案館建筑而言，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用形式仍較為單一，多數(shù)是建于建筑的屋頂之上。這是因?yàn)楣夥?yáng)能發(fā)電技術(shù)作為一種新穎的供電方式，檔案館管理人員對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用方式、方法仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。那么如何在檔案館建設(shè)之初就對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)作出科學(xué)地設(shè)計(jì)、規(guī)劃，既體現(xiàn)檔案館建筑的美學(xué)特點(diǎn)，又能滿足能耗的要求，成為建設(shè)綠色檔案館下一步工作需要著重解決的問(wèn)題之一。此外，應(yīng)加強(qiáng)檔案館管理人員對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)和能源管理模式的認(rèn)識(shí)。檔案館建筑作為國(guó)家財(cái)政支持的項(xiàng)目，在光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)方面可采用第三方（能源投資管理公司）投資的方式。第三方的介入，不僅能夠有效控制檔案館建設(shè)的前期預(yù)算，而且有助于降低用電成本和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。同時(shí)，對(duì)于投資方來(lái)說(shuō)，檔案館建筑相比于其他建筑具有更理想的用電需求和較小的投資風(fēng)險(xiǎn)。因此，這種能源管理模式應(yīng)在未來(lái)的檔案館建設(shè)中予以推廣，也為我們下一步工作提供了新思路、新方法。