光伏發(fā)電與5 kW屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)在氣象站應用的探討

徐東亮，劉春生（.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱5000；.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱50030）

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光伏發(fā)電與5 kW屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)在氣象站應用的探討

徐東亮1，劉春生2
（1.黑龍江省氣象局，黑龍江哈爾濱150001；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

摘要：綠色發(fā)展是“十三五”乃至更長時期我國戰(zhàn)略性的發(fā)展理念。充分利用太陽能可再生能源和氣象站業(yè)務用房閑置屋頂，逐步試驗在氣象站安裝5 kW分布式屋頂并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為日?；練庀髽I(yè)務運行提供電能，既可降低運行成本，又可實現(xiàn)向綠色氣象臺站建設的升級，對于節(jié)能環(huán)保、推行綠色發(fā)展、提高氣象發(fā)展內(nèi)涵具有重要意義。

關鍵詞：氣象；綠色建筑；建筑節(jié)能；光伏發(fā)電

1　引言

節(jié)能減排是綠色建筑內(nèi)涵的重要內(nèi)容。將太陽能光伏發(fā)電應用于室外氣象探測設備、特別是無電源供給的野外探測設備的供電已在氣象部門應用多年。充分利用太陽能可再生能源，逐步試驗將太陽能光伏發(fā)電應用于氣象站日?；緲I(yè)務運行的供電，是將綠色建筑理念應用于基層氣象臺站基礎設施建設，實現(xiàn)向綠色氣象臺站（以下簡稱“綠色臺站”）建設的升級，也是在“綠色臺站”建設中，尊重當?shù)貧夂蜃兓?guī)律，以微氣候改善大氣候環(huán)境的有益嘗試，對于節(jié)能環(huán)保、推行綠色發(fā)展、提高氣象發(fā)展內(nèi)涵具有重要意義。

2　太陽能光伏系統(tǒng)

2.1太陽能光伏系統(tǒng)

太陽能光伏系統(tǒng)（solar photovoltaic system）是利用太陽電池半導體材料的光伏效應將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，簡稱光伏系統(tǒng)。

2.2太陽能光伏系統(tǒng)的分類

太陽能光伏系統(tǒng)可分為獨立光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)3類。

（1）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)（independent photovoltaic power system）。也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，是指太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不與公共電網(wǎng)連接而獨立運行的光伏系統(tǒng)，典型特征是需用蓄電池來存儲電能以備夜晚用電。在民用范圍，其主要用于邊遠的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級光伏電站等；在工業(yè)范圍，其主要用于通信、衛(wèi)星廣播電視、太陽能水泵等，以及太陽能路燈等各種帶有蓄電池需獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（grid-connected photovoltaic power supply system）。是指太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電要求的交流電后直接接入公共電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)，可分為帶蓄電池和不帶蓄電池兩種。帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有調(diào)峰和備用電源功能，可根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，并在電網(wǎng)停電時向負載提供電能。帶蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常用于民用；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調(diào)峰和備用電源功能，一般應用在較大型的系統(tǒng)上。

（3）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)（distributed photovoltaic power generation system）。又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或附近安裝小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)在有陽光時太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電要求的交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。分布式光伏技術(shù)是未來世界能源技術(shù)的重要發(fā)展方向，也是我國光伏產(chǎn)業(yè)政策重點支持的方向，具有能源利用效率高，環(huán)境負面影響小，提高能源供應可靠性和經(jīng)濟效益好的特點。

3　屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

3.1屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概念

屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是將太陽能電池板安裝在建筑物的屋頂上，系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連，共同承擔供電任務。當有陽光時，逆變器將光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成符合市電要求的交流電，該交流電可以直接供給負載并將剩余電能輸送給電網(wǎng)，或者直接將產(chǎn)生的全部電能并入電網(wǎng)。當沒有陽光或光伏系統(tǒng)電力不足時，負載用電則由電網(wǎng)供給。這種系統(tǒng)又稱為可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)安裝在屋頂上，即緊臨用電現(xiàn)場，故屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)本質(zhì)上就是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。對于小型分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。

3.2分布式屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能光伏系統(tǒng)無論是獨立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。根據(jù)需要還可配置蓄電池。因光伏系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成（電池組件模塊化），不涉及機械部件，故光伏發(fā)電設備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。

圖1　分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖1所示為分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖中，與典型并網(wǎng)系統(tǒng)相比，選擇配置了儲能用蓄電池，是考慮到黑龍江省現(xiàn)階段光伏并網(wǎng)的實際困難和黑龍江省基層氣象臺站遠離主城區(qū)并需24小時實時運行的實際情況。選配蓄電池所增投資將與光伏組件的投資相當，將比不配蓄電池的系統(tǒng)帶來初裝成本和運維成本的增加。

3.3裝機容量與屋頂所需面積

屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的大小取決于用電設備負荷、屋頂?shù)臉邮剑ㄆ矫嫖葸€是斜屋頂）及其面積大小。根據(jù)黑龍江省氣象站日?；緲I(yè)務用電情況，估算裝機容量為5 kW。

一般情況下，平面屋頂安裝量約為60-80 W/m2，斜屋頂安裝量約為100-120 W/m2。黑龍江省氣象站使用的業(yè)務用房多為斜屋頂，則5 kW裝機容量約需占用屋頂面積42-50 m2。

3.4發(fā)電量估算

估算光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需知道光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量、系統(tǒng)綜合效率和裝機地點的年平均日照時間，估算公式如下：

式中：E為光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論發(fā)電量，單位千瓦小時（kW·h，俗稱“度”）；P為光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量，單位千瓦（kW）；H為裝機地點的年平均日照時間，單位小時（h）；K為光伏發(fā)電的綜合效率系數(shù)，是考慮了各種因素（包括光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角和方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路與升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)）影響后的修正系數(shù)，一般取值在75-85%之間，視情況而定。

理論發(fā)電量是理想日照條件下的發(fā)電量。通過光伏企業(yè)對黑龍江省正在運行的光伏系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)分析得知，黑龍江省平均可利用日照時間遠小于理想日照時間，根據(jù)經(jīng)驗大約只有理想日照時間情況下的2/3，這與黑龍江省年平均可利用日照時間1200 h的經(jīng)驗值相吻合，故實際可能的發(fā)電量可按上述理論發(fā)電量的2/3估算。

根據(jù)黑龍江省氣候中心對全省氣象臺站最近30年（1981-2011年）整編資料日照時數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，現(xiàn)將黑龍江省13個市（地）的日有效日照時間列于表1。

表1　黑龍江省13個市（地）日有效日照時間（單位：h）

例如，5 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，安裝地點在哈爾濱市，根據(jù)表1，其年平均日照時間為365×6.6，即為2409 h，若光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)取為80%，則該系統(tǒng)年理論發(fā)電量約為5×2409×80%，即9636 kW·h，實際可能的發(fā)電量約為6424 kW·h，折合到每一天相當于日有效發(fā)電量約為17.6 kW·h。

4　效益評估

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的效益可從經(jīng)濟效益、節(jié)能效益和環(huán)保效益3個方面考慮。

4.1經(jīng)濟效益

按國家和黑龍江光伏發(fā)電補貼現(xiàn)行政策，分布式光伏系統(tǒng)每發(fā)1 kW·h的電量可享受0.42元 （含稅）補貼，通過可再生能源發(fā)展基金支付，由電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)付；自用有余上網(wǎng)的電量由電網(wǎng)企業(yè)按照當?shù)厝济簷C組標桿上網(wǎng)電價收購。按《國家發(fā)展改革委關于降低燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價和工商業(yè)用電價格的通知》（發(fā)改價格〔2015〕748號），黑龍江燃煤機組標桿上網(wǎng)電價為0.3864元/kW·h。

以裝機容量為5 kW、安裝在哈爾濱市為例。通常光伏系統(tǒng)的使用壽命為25 a；目前屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)每瓦裝機成本（含安裝和儲能裝置）約為15元，則5 kW系統(tǒng)的成本約在7.5萬元左右；哈爾濱市電實行階梯電價，每月用電170 kW·h以下為0.51 元/kW·h、171-260 kW·h為0.56 kW·h、260 kW·h以上為0.81元/kW·h。單位用電通常超過260 kW·h，故按0.81元/kW·h計算。

（1）若全部自發(fā)自用。年收益＝全年發(fā)電量×（市電價格+補貼電價）＝6424×（0.81＋0.42）＝7901.52元，則投資回收期在9.49 a。考慮到更換電池等維持費用，收回成本時間將更長。

（2）若自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。年收益=自發(fā)自用部分電費A+上網(wǎng)部分電費B

其中：A=自發(fā)自用部分電量×自發(fā)自用部分電價=自發(fā)自用部分電量×（市電價格+補貼電價）

B=上網(wǎng)部分電量×上網(wǎng)部分電價=上網(wǎng)部分電量×（當?shù)厝济簶藯U上網(wǎng)電價+補貼電價）

假設分布式光伏系統(tǒng)所發(fā)電量一半自用一半上網(wǎng)，則可分別算出：

A＝6424÷2×（0.81＋0.42）=3950.76元；B＝6424÷2× （0.3864＋0.42）=2590.16元

則年收益為6540.92元，則投資回收期在11.47 a，考慮維持成本，收回成本時間將更長。

表2　5 kW分布式光伏系統(tǒng)效益比較

（3）若全部上網(wǎng)。年收益＝全年發(fā)電量×（當?shù)厝济簶藯U上網(wǎng)電價+補貼電價）＝6424×（0.3864＋0.42）＝5180.31元，則投資回收期在14.48 a，考慮維持成本，收回成本時間將更長。

通過上述分析可知，在黑龍江省安裝分布式光伏系統(tǒng)以自發(fā)自用收益最高，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)收益次之，全部上網(wǎng)收益最低，特別是很多地方光伏發(fā)電還難以并網(wǎng)取得并網(wǎng)收益，收回成本實際周期將更長。表2給出了5 kW分布式光伏系統(tǒng)不同使用方式的效益比較。

4.2節(jié)能效益

有學者研究，屋頂光伏系統(tǒng)在建筑能耗中的影響相當于在屋頂設置了遮陽板，在夏季可減少頂層房間的制冷負荷，在冬季則增大了頂層房間的采暖負荷，兩項綜合的總能耗是減少的，這對低緯度地區(qū)的節(jié)能效果尤為明顯。

4.3環(huán)保效益

環(huán)保效益主要體現(xiàn)在低碳減排。據(jù)專家統(tǒng)計：每節(jié)約1 kW·h市電，相當于節(jié)約0.4 kg標準煤，減少0.272 kg碳粉塵、0.997 kgCO2、0.03 kgSO2、0.015 kg-NOx的污染排放。據(jù)此，在哈爾濱市使用5 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)全部自發(fā)自用，每年約可節(jié)約2 569.6 Kg標準煤，減少1 747.3 kg碳粉塵、6 404.7 kgCO2、192.72 kgSO2、96.36 kgNOx的污染排放。

5　影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量的因素

5.1黑龍江省太陽能輻射的特點

在太陽電池組件轉(zhuǎn)換效率一定的情況下，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量是由太陽的輻射強度決定的，太陽的輻射強度、光譜特性是隨著氣象條件而改變的。

黑龍江省是我國緯度最高、年平均氣溫最低、太陽輻射較好、太陽能資源較豐富的省份之一，年太陽總輻射量為4400-5028 MJ/m2，輻射資源總儲量約為2.30×106億kW·h，位列全國第6；年日照時數(shù)在2400-2800 h，與長江中下游相當，為太陽輻射強度三類地區(qū)，日照百分率為60%，空間分布趨勢為西南部太陽總輻射值最大，中東部和北部地區(qū)太陽總輻射相對較少，日照率主峰值出現(xiàn)在冬季（12-2月），這是因為黑龍江地理緯度高，冬季太陽高度角低，南向垂直面上的太陽輻射強度大。黑龍江省13個市（地）年平均日照時數(shù)均值為6.84 h，高于全國4 h的平均值，在“綠色臺站”建設中安裝分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可行性。

5.2光伏面板安裝的方位角和傾角

光伏面板安裝的方位角與傾角選定是光伏系統(tǒng)設計時最重要的因素之一。

（1）方位角。在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發(fā)電量最大。如果光伏面板受設置場所（如屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等）的限制時，則應因地制宜，充分利用現(xiàn)有地形和有效面積，避開周圍建筑物或樹木產(chǎn)生的陰影，只要在正南±20°之內(nèi)，均不會對發(fā)電量有太大影響。

（2）傾角。是指地平面（水平面）與光伏面板間的夾角，對光伏發(fā)電的影響較大，通常取當?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鰹楣夥姘灏惭b的最佳傾角（如在哈爾濱市，緯度為45.68°，加上3°，即48.68°為最佳傾角），以使太陽能電池年發(fā)電量盡可能大、冬夏發(fā)電量差異盡可能小。傾角對于高緯度地區(qū)尤為重要，因高緯度地區(qū)冬、夏水平面太陽輻射量的差異非常大，如黑龍江省相差約5倍。

5.3太陽電池組件的效率

目前太陽電池組件根據(jù)工藝的不同分為單晶硅、多晶硅薄膜、非晶硅薄膜3類，其主流材料是硅。硅材料轉(zhuǎn)化率的理論極限為29%，實驗室記錄已達25%。將第三代納米技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合取得“革命性突破”已使硅材料的轉(zhuǎn)化率提升至35%以上，該技術(shù)已在實驗室完成，一旦產(chǎn)業(yè)化規(guī)模量生產(chǎn)將極大地降低太陽能發(fā)電成本。表3是三種硅基太陽能電池性能比較。

從單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)和效率考慮，單晶硅光伏

表3　三種硅基太陽能電池性能比較

系統(tǒng)的電能回報更高，也即單晶硅發(fā)電的長遠價值更高，從而決定了單晶硅是高效晶硅電池最為成熟和理想的晶體硅材料，必將取代多晶硅成為未來太陽能發(fā)電的主導。

5.4組合損失

太陽電池根據(jù)需要需進行串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)組合。串聯(lián)組合會因組件的電流差異造成電流損失，并聯(lián)組合會因組件的電壓差異造成電壓損失，綜合組合損失可達8%以上，中國工程建設標準化協(xié)會標準規(guī)定組合損失小于10%。為減少組合損失，應挑選電流和衰減特性盡可能一致的組件串聯(lián)，并增設隔離二極管。

5.5溫度特性

一般硅太陽電池的標準工作溫度為25℃。溫度每升高1℃，硅太陽電池的最大輸出功率將減少0.04%、開路電壓減少0.04%（-2 mV/℃）、短路電流升高0.04%。因此，從自然條件來說，天氣冷且晴朗有利于太陽能發(fā)電，黑龍江的天氣特點較適于光伏發(fā)電。為減少溫度對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響，應保持光伏面板良好的通風條件，同時合理設計并網(wǎng)系統(tǒng)充放電控制器和逆變器，以實現(xiàn)太陽能電池“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）功能，精確跟蹤工作電壓和功率波動，最大化發(fā)揮太陽能電池效能。

5.6灰塵損失

覆蓋在光伏面板表面的灰塵降低了玻璃的透光率，導致照射到面板上的有效面積減少，削弱了面板所接收的太陽輻射的強度，且引起太陽輻照不均勻，導致發(fā)電量降低?；覊m也使光伏面板散熱受到影響，并使面板表面受到腐蝕。我國不同地區(qū)的環(huán)境和氣候情況差別較大，同一地區(qū)不同季節(jié)的降塵情況也不相同，因此對光伏面板造成的影響也不一樣。有資料顯示，光伏面板的灰塵損失可達6-12%，因此光伏面板需要經(jīng)常清潔。

5.7線路損失

光伏系統(tǒng)的直流、交流回路的線損要控制在5%以內(nèi)。為此，設計上要采用導電性能好的導線并有足夠的直徑。施工不允許偷工減料。系統(tǒng)維護中要特別注意接插件以及接線端子是否牢固以保持接觸良好。

5.8控制器、逆變器效率

控制器的充放電回路壓降不得超過系統(tǒng)電壓的5%。目前并網(wǎng)逆變器的效率均可大于95%。

5.9時間衰減

隨著光伏組件的長期使用，其轉(zhuǎn)換效率將逐年衰減。據(jù)報道，在我國西部運行了30 a的光伏電站，從抽檢結(jié)果來看，最大功率下降已達近20%。

6　結(jié)語

（1）太陽能電池雖歷經(jīng)160多年的發(fā)展歷史，但至今其基本結(jié)構(gòu)和機理仍未發(fā)生改變。中國光伏產(chǎn)業(yè)起步于20世紀70年代，經(jīng)歷了初期示范（2007年以前）、產(chǎn)業(yè)化建立（2007-2010年）和規(guī)?；€(wěn)定發(fā)展（2011-2014年）3個階段，目前已進入普及應用階段，其發(fā)展方興未艾。

（2）屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一種理念，也是一種嘗試，是將閑置的屋頂利用起來實現(xiàn)“屋頂換能”，最大的效益是節(jié)能環(huán)保效益。使用裝機容量為5 kW并帶有蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)可滿足基層氣象臺站日?；緲I(yè)務運行的供電需求，對于大負荷設備和較長時間連續(xù)陰雨寡照天氣還須市電供電。

（3）屋頂光伏系統(tǒng)可以保護屋頂結(jié)構(gòu)，隔熱保溫，可以將光伏電池作為建筑材料；光伏建筑一體化設計即 BIPV （Building Integrated PV，PV即Photovoltaic），是將太陽能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，不同于光伏系統(tǒng)附著在建筑上。發(fā)展光伏建筑一體化對提高我國建筑節(jié)能水平、實現(xiàn)新型城鎮(zhèn)化目標具有重要意義。

（4）太陽能電池板的安全性能。據(jù)了解，通過國家標準測試的薄膜太陽能電池板，在下冰雹時不會出現(xiàn)電池板破損，且能抵御自然風力；正規(guī)廠商所生產(chǎn)的太陽能電池板都按國家標準進行了絕緣耐壓測試，出現(xiàn)漏電和觸電的幾率很??；太陽能電池板所用原材料主要是玻璃和發(fā)電硅層，不會對人體產(chǎn)生任何輻射。

（5）光伏系統(tǒng)價格趨勢。據(jù)統(tǒng)計，2007-2015年的8年間，光伏組件的市場價格從每瓦36元下降到現(xiàn)在的3.5-3.8元，下降了86.4%；并網(wǎng)光伏系統(tǒng)價格從每瓦60元降到每瓦7-8元，下降了86.7%；逆變器價格從每瓦4元下降到了每瓦0.3元，下降了90%以上。這為光伏系統(tǒng)走進氣象站提供了經(jīng)濟可行性。

參考文獻

［1］楊杰，王素美．3kW屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方案［J］.能源研究與利用，2012（2）.

［2］霍玉佼，朱麗，等．屋頂光伏陣列優(yōu)化及其對既有建筑能耗的影響研究［J］.建筑節(jié)能，2015（6）.

［3］JGJ203-2010．民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)范.

［4］黑龍江省新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2010-2020年）.

文章編號：1002-252X（2016）02-0025-04

收稿日期：2016-3-1

第一作者簡介：徐東亮（1962-），男，重慶市云陽縣人，成都信息工程大學，本科生，高級工程師.