某高校屋頂太陽(yáng)能的利用規(guī)劃

席正飛，李小華，劉向龍，曹桂芳，郭 力

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

某高校屋頂太陽(yáng)能的利用規(guī)劃

席正飛，李小華，劉向龍，曹桂芳，郭 力

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，導(dǎo)致能源消耗急劇增大，目前化石能源的過度開采對(duì)可持續(xù)能源造成了一定威脅，亦對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，因此運(yùn)用綠色清潔能源勢(shì)在必行。某高校屋頂空間面積大，基本都處于空置狀態(tài)，每年用能量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。鑒于此在屋頂搭建太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置，有利于大大節(jié)約能源，并對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建進(jìn)行了可行性分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，且對(duì)建成后的發(fā)電裝置節(jié)能性效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

能源消耗；節(jié)能；太陽(yáng)能光伏發(fā)電；節(jié)能效益

世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)對(duì)能源的消耗與日俱增.眾多不可再生能源的消耗殆盡和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，已成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵性因素.當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力.太陽(yáng)能作為一種可再生能源，擁有其他能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此開發(fā)和利用太陽(yáng)能，對(duì)于緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染有著重大的現(xiàn)實(shí)意義[1].

煤炭、石油、天然氣等化石能源是20世紀(jì)人類社會(huì)利用的主要能源[2].作為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，能源的危機(jī)日益加重.調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：到2005年底，全世界化石能源儲(chǔ)量已經(jīng)告急，其中煤炭的平均剩余儲(chǔ)量可開采約227年，石油剩余儲(chǔ)量可開采僅43.9年，天然氣則約為61年[3].據(jù)估計(jì)，我國(guó)的化石能源在未來(lái)一百年內(nèi)即將枯竭.近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)重工業(yè)的發(fā)展力度加大，工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向重型化方向轉(zhuǎn)型.為了保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康、快速、可持續(xù)的發(fā)展，解決能源問題已經(jīng)刻不容緩，成為決定我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要問題[4-5].

正是在這樣的背景下，世界各國(guó)相繼采取措施，積極尋找替代性可再生綠色能源來(lái)緩解能源危機(jī)、保護(hù)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展.

我國(guó)目前國(guó)情下，高校不僅是當(dāng)今社會(huì)的重要組成部分之一，也是社會(huì)用能大戶.截止至2014年全國(guó)共有普通高等學(xué)校和成人高等學(xué)校2600多所，在校學(xué)生人數(shù)高達(dá)3280萬(wàn)人，占全國(guó)城鎮(zhèn)人口的5.3%，能源消耗總量占全國(guó)社會(huì)總能耗的10%.大學(xué)生人均能耗明顯高于全國(guó)居民人均能耗，全國(guó)大學(xué)生的人均能耗和水耗分別是是全國(guó)居民平均值的4倍和2倍.校園建筑數(shù)量龐大，高校類型多樣，能耗結(jié)構(gòu)不盡相同，各校的建筑類型繁多，不同地區(qū)不同建筑類型的能耗水平參差不齊陣.尤其是在20世紀(jì)90年代開始的大規(guī)模院校合并，招生人數(shù)擴(kuò)招的背景下迎來(lái)了校園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，而節(jié)能環(huán)保意識(shí)薄弱導(dǎo)致了校園設(shè)施量大面廣，資源能源消耗大，校園能源管理者知識(shí)水平較低，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，能源管理比較粗放，嚴(yán)重制約著校園節(jié)能工作深入持久的發(fā)展.

教育部于2007根據(jù)黨中央、國(guó)務(wù)院的部署，就高等院校建設(shè)低碳節(jié)約型校園問題專門發(fā)文《教育部關(guān)于建設(shè)節(jié)約型學(xué)校的通知》，標(biāo)志著高校校園節(jié)能減排工作開始實(shí)施，節(jié)能減排將成為全國(guó)校園建設(shè)的一大主題.從2008年開始，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、教育部和財(cái)政部聯(lián)合國(guó)內(nèi)正在建設(shè)節(jié)約型校園的高校，積極開展節(jié)能意識(shí)培養(yǎng)、新技術(shù)應(yīng)用、管理等方面的研究工作[6].

根據(jù)某高校2013～2015年水、電消耗統(tǒng)計(jì)，在2013年度學(xué)校水、電費(fèi)僅有2911977.3元人民幣，2014年度學(xué)校水、電費(fèi)就到了3256422.8元人民幣，2015年度的水、電費(fèi)就直接到達(dá)了3504265.5元人民幣，近三年學(xué)校用電量持續(xù)增加，除了濱江公寓群的投入使用外，各類用電設(shè)備逐年增加，缺乏統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理也是造成用電量激增的一個(gè)重要因素.同時(shí)，在校學(xué)生已達(dá)2.02萬(wàn)人，數(shù)量巨大，從早到晚，學(xué)生公寓、教室、辦公用房、食堂、科研實(shí)驗(yàn)室、澡堂等處水的消費(fèi)量龐大，浪費(fèi)量更是龐大，近三年學(xué)校的用水量也在不斷增加.

如何減少這筆能源消耗進(jìn)行開源節(jié)流，本文展開了對(duì)屋頂光伏發(fā)電的一系列規(guī)劃進(jìn)行可行性分析及經(jīng)濟(jì)性分析研究.

1 湘潭太陽(yáng)輻射情況分析

1.1 湖南年總輻射空間分布

利用1993年-2010年的太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料，使用目前公認(rèn)最有效氣候?qū)W方法對(duì)我省年太陽(yáng)總輻射進(jìn)行推算，并繪制出湖南年太陽(yáng)總輻射分布圖.

如圖1所示，湖南省年太陽(yáng)總輻射在3200～4600 MJ/m2之間，以湘東北洞庭湖區(qū)年總輻射較多，湘西山區(qū)較少，超過4200 MJ/m2的高值區(qū)出現(xiàn)在包括安鄉(xiāng)、岳陽(yáng)、華容、澧縣、臨湘、汨羅、湘陰、沅江等縣市在內(nèi)的洞庭湖區(qū)以及汝城、寧鄉(xiāng)等地，低于3600 MJ/m2的低值區(qū)出現(xiàn)在包括保靖、龍山、桑植、永順等縣市在內(nèi)的湘西北地區(qū)以及鳳、新晃等地，其他大部分地區(qū)的年太陽(yáng)總輻射在3600～4200 MJ/m2之間；4000 MJ/m2分界線大致位于東經(jīng)111°～112°之間，呈南北走向，將湖南一分為二，東半部多于西半部.

圖1 湖南年太陽(yáng)總輻射分布圖

1.2 湘潭市太陽(yáng)輻射量情況

根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估中心通過對(duì)全國(guó)地面太陽(yáng)能輻射和氣象影響因子的綜合分析，從太陽(yáng)能資源分布圖可以看出，湘潭市年平均總輻射在4190～5016 MJ/m2之間.根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，湘潭市屬于四類區(qū)，可以利用的太陽(yáng)能資源較為豐富.項(xiàng)目所在地多年平均逐月太陽(yáng)輻射量情況如圖2所示.

圖2 湘潭市逐月太陽(yáng)輻射量情況

2 情況分析

某高?，F(xiàn)有主校區(qū)和南校區(qū)2個(gè)校區(qū)，其中主校區(qū)又分為新校區(qū)和北苑.學(xué)校校園總面積為108萬(wàn)m2，其中建筑面積52萬(wàn)m2.建筑物的總屋頂面積為109255 m2，具體情況如圖3所示.

圖3 某高校各建筑光伏安裝容量

3 太陽(yáng)能光伏設(shè)計(jì)

某高?，F(xiàn)有屋頂總面積為11萬(wàn)m2，能夠放置光伏板(太陽(yáng)能電池)的有限面積約為5萬(wàn)m2，如果采用規(guī)格為1.63 m2的太陽(yáng)能電池(1640×992×40)，則搭建屋頂太陽(yáng)能發(fā)電裝置所需太陽(yáng)能電池的數(shù)量為：

太陽(yáng)能電池的數(shù)量=50000/1.63=30675塊

搭建屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的的裝機(jī)規(guī)模為(每塊太陽(yáng)能電池的功率為255 W考慮)：

255×30675=78 MW

該太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、防雷匯流箱、直流配電箱、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜及其他附屬設(shè)備構(gòu)成，沒有儲(chǔ)能裝置.各主要設(shè)備清單如圖4所示.

圖4 光伏系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

本項(xiàng)目使每個(gè)區(qū)域進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，并入低壓配電網(wǎng)，所發(fā)電量自發(fā)自用，余電上網(wǎng).有陽(yáng)光時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將所發(fā)出的電饋入電網(wǎng)，并供負(fù)載使用，沒有陽(yáng)光時(shí)不發(fā)電，負(fù)載直接從電網(wǎng)取電.當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或變電站由于檢修臨時(shí)停電時(shí)，光伏電站也會(huì)自動(dòng)停機(jī)不發(fā)電；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，光伏電站會(huì)檢測(cè)到電網(wǎng)的恢復(fù)，而自動(dòng)恢復(fù)并網(wǎng)發(fā)電.

表1 主要設(shè)備清單

3.1 太陽(yáng)能電池選型

光伏組件的類型可按下列條件選擇：

(1)按地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、氣候氣象特征、項(xiàng)目地區(qū)因素.

(2)在項(xiàng)目太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高的地區(qū)可選用晶體硅光伏組件或聚光組件.

(3)在項(xiàng)目太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低的地區(qū)可選用薄膜光伏組件.

本項(xiàng)目經(jīng)由以上因素進(jìn)行考慮，采用255 W多晶硅太陽(yáng)電池組件，組件性能如表2所示.

表2 組件基本參數(shù)

3.2 監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)太陽(yáng)能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制.

圖5 光伏系統(tǒng)監(jiān)控方案圖

監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)采集器采集各設(shè)備相應(yīng)的運(yùn)行參量，可通過本地顯示如下參量：

(1)直流信息：直流電壓，各支路直流電流，直流輸入功率；

(2)交流信息：輸出電壓，輸出頻率，輸出電流，輸出功率，功率因數(shù)；

(3)累計(jì)信息：日累計(jì)發(fā)電量(有功、無(wú)功)，累計(jì)總發(fā)電量(有功、無(wú)功)，累計(jì)發(fā)電量(按月、年查詢)，累計(jì)CO2減排量；

(4)告警信息：逆變器的當(dāng)前告警信息和歷史告警信息(包括電網(wǎng)電壓過低、電網(wǎng)頻率過高、電網(wǎng)頻率過低、直流電壓過高、逆變器過溫、逆變器故障、風(fēng)扇故障、逆變器孤島、CAN通訊失敗等)；

(5)環(huán)境信息：當(dāng)前輻照度，溫度，風(fēng)速，風(fēng)向等.

可通過本地調(diào)度中心控制各設(shè)備的運(yùn)行，可設(shè)置和控制如下參量：

(1)設(shè)置參量：逆變器時(shí)間和日期，逆變器通訊參數(shù)；

(2)控制參量：逆變器開關(guān)機(jī)，逆變器輸出有功功率降額，逆變器輸出無(wú)功功率調(diào)節(jié)(功率因數(shù)和無(wú)功功率方向.

4 節(jié)能性經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

光伏電站是將當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程.不需要消耗其它一次性化石能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，屬于環(huán)境友好型能源.太陽(yáng)能的節(jié)能效益主要體現(xiàn)在光伏電站運(yùn)行時(shí)不需要消耗其他常規(guī)能源，只需要太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度足夠，就能源源不斷的進(jìn)行運(yùn)作.

每節(jié)約 1kWh電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.272 kg碳粉塵、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX).(公式)

根據(jù)本項(xiàng)目情況，每年總能量輸出可計(jì)算：

E=I*e*A

其中，I為學(xué)校屋頂面積年總輻射量平均值，e是光伏板效率.

然后，將得到的年總量與某高校年總用電量進(jìn)行比較，得到學(xué)校屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電的潛力：

式中P表示光伏潛力，E表示屋頂太陽(yáng)能年總輸出量，ER表示學(xué)校實(shí)際年總用電量.

圖6 項(xiàng)目各年發(fā)電量計(jì)算表

在本項(xiàng)目中平均輻射量為3.3 kWh/m2·d，光伏陣列功率為7800 kW，光伏系統(tǒng)總效率為78%，光伏組件年衰減率為0.8%，某高校屋頂光伏電站項(xiàng)目建成后，25年內(nèi)系統(tǒng)累計(jì)發(fā)電量約為16639萬(wàn) kWh，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤59900 t，減少CO2排放量165891 t，減少碳粉塵排放量45258 t，減少SO2排放量4992 t，減少氮氧化合物排放量2496 t.建設(shè)本工程可以減少化石資源的消耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，項(xiàng)目節(jié)能和環(huán)保效益顯著.

投資成本估算本項(xiàng)目計(jì)劃投資30675塊太陽(yáng)能能源電池加上部分附屬設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)有通用的光伏發(fā)電的投資成本估算方法，一般按照每kW7000元考慮，則總投資成本約為：

總投資成本=7800*7000=5460萬(wàn)人民幣

本項(xiàng)目直接運(yùn)營(yíng)成本包括：運(yùn)行人員工資、維護(hù)費(fèi)用、修理費(fèi)用及項(xiàng)目管理費(fèi)用.

圖7 運(yùn)營(yíng)成本構(gòu)成

由圖7可得，每年總運(yùn)行費(fèi)用為30.38萬(wàn)元/年，分布式光伏電站的運(yùn)營(yíng)期一般是25年，根據(jù)項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能條件，可估算出項(xiàng)目25年的平均發(fā)電量為665 WkW時(shí)，則從靜態(tài)回收期來(lái)說(shuō)，按照每度電1元人民幣，則回收期為：

回收年限=5460/(665*1-30.4)=8.6年

根據(jù)財(cái)政部、國(guó)稅總局聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展增值稅營(yíng)業(yè)稅和企業(yè)所得稅政策問題的通知》(財(cái)稅[2010]110號(hào))，對(duì)符合條件的節(jié)能服務(wù)公司實(shí)施合同能源管理項(xiàng)目，取得的營(yíng)業(yè)稅應(yīng)稅收入，暫免征收營(yíng)業(yè)稅.節(jié)能服務(wù)公司實(shí)施符合條件的合同能源管理項(xiàng)目，將項(xiàng)目中的增值稅應(yīng)稅貨物轉(zhuǎn)讓給用能企業(yè)，暫免征收增值稅. 企業(yè)所得稅方面，《通知》明確要求，對(duì)符合條件的節(jié)能服務(wù)公司實(shí)施合同能源管理項(xiàng)目，符合企業(yè)所得稅稅法有關(guān)規(guī)定的，自項(xiàng)目取得第一筆生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)收入所屬納稅年度起，第一年至第三年免征企業(yè)所得稅，第四年至第六年按照25%的法定稅率減半征收企業(yè)所得稅.

5 結(jié) 論

(1)在屋頂實(shí)施太陽(yáng)能光伏計(jì)劃，安裝1.63 m2太陽(yáng)能電池板，前期預(yù)計(jì)投資5460萬(wàn)元，按照計(jì)劃實(shí)施可在9年左右回收，本項(xiàng)目實(shí)施后，增強(qiáng)了地區(qū)的太陽(yáng)能利用，降低了能耗，增強(qiáng)了可持續(xù)發(fā)展.

(2)建成后，建成后該系統(tǒng)在25年內(nèi)累計(jì)發(fā)電量約為16639萬(wàn)kWh，同比節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤59900 t，減少CO2排放量165891 t，減少碳粉塵排放量45258 t，減少SO2排放量4992 t，減少氮氧化合物排放量2496 t.建設(shè)本項(xiàng)目可以減少化石資源的消耗，對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)作用顯著.

(3)本項(xiàng)目建成后，不僅對(duì)學(xué)校空置屋頂進(jìn)行了利用，而且不會(huì)影響學(xué)生生活，減少對(duì)地方資源的依賴，節(jié)約資源，為學(xué)校的可持續(xù)發(fā)展也能起到一定的促進(jìn)作用.

[1] 王東嬌.太陽(yáng)能光伏發(fā)電控制技術(shù)研究[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[2] 杜曉偉,路正南.我國(guó)可持續(xù)性發(fā)展過程中能源問題的戰(zhàn)略選擇[J].商場(chǎng)現(xiàn)代化,2006: 332-333.

[3] 楊名舟.中國(guó)新能源[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[4] 齊益群.淺談太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用與發(fā)展機(jī)[J].中小企業(yè)管理與科技，2012(9):151-152.

[5] 李文華.新時(shí)期國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略問題研巧[D].南開大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013．

[6] 柴小茹.太陽(yáng)能利用技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].新農(nóng)村，2010(10):104-106.

[7] 沈 義.我國(guó)太陽(yáng)能的空間分布及地區(qū)開發(fā)利用綜合潛力評(píng)價(jià)[D].蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

UtilizationandPlanningofRoofSolarEnergyinSomeUniversity

XI Zheng-fei,LI Xiao-hua,LIU Xiang-long,CAO Gui-fang,GUO Li

(School of Architecture Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

After entering the 21th century, the world economy is developing rapidly, which results in the in crease of energy consumption. The current use of fossil fuels not only causes a certain threat to the sustainable energy, but also great damage to the ecological environment caused great. So it is imperative to use clean green energy. Some college and universities have the conditions and resources of solar energy that can be used. On one hand, the roof space is larnge and basically vacant; on the ather hand, energy comsumption shows a constantly increasing trend. So the installation of solar photovoltaic power generation device on the roof of the school house not only can reduce the energy consumption of the school, but also save energy to some extent. Feasibility analysis and economical evaluation on the building of solar photovoltaic power generation system are done and the prediction on the energy efficiency is also made.

energy consumption;energy conservation;solar photovoltaic power generation;energy efficiency

TU114

A

1671-119X(2017)03-0083-06

2017-03-30

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016JJ5011).

席正飛 (1993-)，男，碩士研究生，研究方向：新能源技術(shù)及應(yīng)用.

李小華(1972-)，男，教授，研究方向：新能源技術(shù)及應(yīng)用、綠色建筑與建筑節(jié)能.