昆明高校分布式太陽能光伏系統工程應用與評價

劉穎才

（云南賽安得建設工程質量檢測有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

昆明市太陽輻射資源豐富，全年分布比較均衡，具有太陽能利用的獨特的自然優勢。根據行業標準劃定的等級，昆明市屬于太陽能資源比較豐富地區，且昆明地區全年最熱月份和最冷月份溫差較小，故非常有利于太陽能可再生能源的使用。近年，云南省大力推廣太陽能光伏系統應用技術，分布式光伏系統遍地開花。

西南林業大學第三教學樓建成較早，校方有節能改造相關需求，該建筑以教學辦公為主，照明燈具量大，使用人數多，且根據教學樓能耗監測數據資料，該建筑晝間能耗占建筑能耗比重較大，屋面平整無遮擋。恰逢昆明市能效提升重點城市第二批建設項目推進契機，通過與校方對接溝通，對第三教學樓開展建筑節能改造相關工作。

結合建筑屋面現場條件，經調研，擬在該教學樓屋面新建一套分布式光伏系統，項目發電量基本用于本地消納，采用“自發自用、余電上網”模式，采用低壓 0.4 kV 電壓等級并入電網，不設儲能裝置［1］。但因該建筑年限較早，相關建筑設計資料尋求困難，且設計之初并未考慮屋面承重需求，故在樓頂安裝太陽能光伏系統時，承重校核成了項目第一要務；且由于專項資金數量局限，光伏系統規模受到一定制約，屋面較為寬敞的現場條件并不能實現全部利用；另外，由于正值新冠疫情爆發期，學校作為重點防控場所單位，面臨巨大疫情防控壓力，項目工期一拖再拖，在確保疫情防控的前提下，按時按質按量完成現場施工工作異常艱難。

1 系統設計簡要

本項目的主要系統組成部分如下，直流發電系統：指太陽電池組件到逆變器直流側的電氣系統，包括太陽電池組件、直流光伏電纜、組串式逆變器；交流輸配電系統：指逆變器交流 0.4 kV 輸出側到并網點的電氣系統，包括交流電纜、箱變、高低壓配電柜等；光伏發電監控系統。

1.1 太陽能光伏組件

太陽電池組件是光伏電站的核心部件，其要求具有非常好的耐侯性，能在室外嚴酷的環境下長期穩定可靠地運行，同時具有高的轉換效率和廉價特性［2］。根據分析計算，采用越大功率組件系統效率越高，且大功率組件安裝快速、便捷；減少了設備的安裝時間；減少了設備的安裝材料；同時也減少了系統連線，降低線損。根據現場調研結果，本項目選用目前國內具備大規模量產條件，且峰值功率為 550 W 的單晶硅太陽電池組件來組建本項目的太陽電池方陣，共計 64 塊，光伏組件面積 163.5 m2，設計方陣面與地面成 10°角。

1.2 逆變器

本工程系統容量為 35 kW，選用單臺容量小的逆變設備，逆變器容量根據屋頂安裝光伏組件容量選擇 36 kW 機型。其采用 MPPT（最大功率跟蹤）技術最大限度將直流電（DC）轉變成交流電（AC），輸出符合電網要求的電能。具有交流過壓、欠壓保護、超頻、欠頻保護、高溫保護、交流及直流的過流保護、直流過壓保護、防孤島保護等保護功能。此外，逆變器帶有多種通訊接口進行數據采集并將數據發送到遠控室，便于整個電站數據處理分析［3］。

1.3 監測系統

分布式并網光伏發電系統需要設置必要的數據監控系統，對光伏發電系統的組串式逆變器、匯流箱、箱變等設備的運行狀況、實時氣象數據進行監測與控制，確保光伏電站在有效而便捷的監控下穩定可靠地運行［4］。本項目監測系統具有多種通訊接口進行數據采集并發送到遠控室，其控制器有模擬輸入端口與外部傳感器相連，測量日照和溫度等數據，便于整個電站數據處理分析。

1.4 電氣主接線與并網

電氣主接線分為交直流兩部分：直流部分為光伏組件至逆變器部分，交流部分為逆變器至并網柜，并網柜直接接至附近 10 kV 箱變低壓側進行并網，低壓并網柜就近布置于低壓配電室內。

1.5 現場土建工程

在完成相關承重校核的基礎上，根據原有建筑物屋面結構情況，在屋面采用預制混凝土支墩作為配重，抵抗光伏板所承受的風荷載，在混凝土支墩上預埋地腳螺栓，并采用螺栓與鋼支架可靠連接。此種方案對原有屋面建筑做法及防水層破壞較小，建設成本較低。

2 系統評價［5］

從現場太陽能光伏系統情況看，該系統觀感質量基本達到國家相關規范要求，現場共計安裝 550 W 單晶硅太陽能光伏組件 64 塊，合計光伏組件面積 163.5 m2，現場光伏組件以南偏西 10°朝向、傾角 10°安裝于教學樓屋面，屋面空曠無遮擋。本次工程評價現場檢測試驗按 GB/T 50801－2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》［6］進行，試驗時系統已正常負載運行兩周余，按短期測試方法檢測三次，采集的參數包括：輻照度、發電量、電池組件背板溫度、環境溫度、風速，在數據滿足試驗要求前提下，取 11∶00～13∶00 測試數據進行計算，測試結果如表1 所示。

表1 光伏系統性能評價結果

根據 GB/T 50801－2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中主要城市日照量統計數據，昆明市太陽輻照強度 3.9 MJ/m2共計 63 日，太陽輻照強度10.3 MJ/m2共計 48 日，太陽輻照強度 14.1 MJ/m2共計 92 日，太陽輻照強度 21.4 MJ/m2共計 162 日；根據屋面光伏發電系統性能檢測結果，該光伏發電系統光電轉化效率約 17.2 %。

通過計算，該光伏發電系統年發電量可達43 035.35 kWh。

第三教學樓作為教學樓及辦公用途，能源種類只包含水耗和電耗兩類，從該棟建筑能耗監測數據，該教學樓年耗電量 159 010.3 kWh，根據《公共建筑節能改造節能量核定導則》，光伏系統建成后，年節能率達 27.1 %，具有良好的節能示范作用。

按設計年限 25 年計算，達到的環境評價結果如表2 所示。

表2 光伏系統環境效益評價結果

3 展望

昆明市地處約東經 102 度、北緯 25 度，按相應太陽能光伏傾角相關研究及安裝經驗，集熱器傾角一般與當地緯度相適應。即使考慮該系統并非儲能系統，為了使系統年發電量最大化，稍微降低安裝傾角，但不應降太多，故現場光伏組件安裝傾角可適當調整，或由專業軟件計算最合理傾角。

圖1 為測試期間一日光伏組件背板溫度監測記錄，從圖中可以看出在測試期間，光伏組件背板溫度在 40 ℃～50 ℃ 間，由峰值功率溫度系數知，組件溫度升高，系統效率將降低，而且在夏季，組件背板溫度甚至將超過 60 ℃。為此，筆者建議，云南省在大力推廣可再生能源建筑應用時，應加強光熱光伏一體化技術研究推廣，將太陽能熱水系統與光伏系統融為一體，主要思路即通過光熱系統工質循環以便帶走光伏組件熱量，降低組件溫度提高效率的同時，提供建筑熱水供應。

圖1 測試日光伏組件背板溫度監測結果

因項目性質原因，本項目只提供一年運行質保，質保期間，系統雖運行相對穩定，但是也需要質保人員定期進行巡視，如在系統運行期間，維保人員發現個別光伏組件因光伏組件功率大，電流過大造成插接頭燒毀，若巡查不夠仔細，將造成問題光伏組件形同虛設，降低系統發電效率；為了使光伏系統能正常高效運行，筆者發現，對光伏組件面板的定期清理工作也顯得尤為重要；隨著系統運行時間增加，易損設備部件也需要進行定期更換保養。故質保期結束后，是否有資金支持繼續進行系統維保工作，顯得尤為重要。

現今，低能耗、零能耗建筑一直是各國發展的重點，本項目因資金限制，本系統裝機容量較小。西南林業大學第三教學樓用能單一，用能量相對較小，現場安裝條件好，在資金允許的前提下，可以適當增大裝機規模，更大程度降低常規能源使用量，朝低能耗甚至零能耗建筑目標邁進。

4 結語

西南林業大學率先在學校第三教學樓屋頂建設分布式光伏示范項目，高標準規劃、高質量建設、高效率推進，切實把試點工作組織落實好，為全面推進學校分布式光伏規模化開發探索路子、樹立標桿，為實現國家“雙碳”目標提供示范和引領意義，取得了較好的節能減排效果，雖因資金限制，本系統裝機容量相對較小，但作為示范典型，其在政策響應、技術路線選擇上提供了一定的經驗基礎，對于昆明市各高校探索節能改造思路提供了參考。Q