光伏發(fā)電技術在檔案館建筑中的應用

文/沈顯明

當前，檔案館新館建設發(fā)展速度較快?！笆濉币?guī)劃期間，國家投入了大量的專項資金用于新建檔案館，在已建成的諸多新館中，因檔案自身長期存放的需要及國家規(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，是擺在全國檔案館新建、改建、擴建過程中的一項重要任務，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系，找到實現(xiàn)檔案館建筑“安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展”的新技術、新手段，成為檔案館建設過程中的重要課題。

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

一、光伏發(fā)電技術在檔案館建筑中應用

在檔案館建筑應用光伏發(fā)電技術時，要綜合考慮檔案館建筑所在地的光照條件、裝機容量、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，進而影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本回收周期。因此，在應用之初就應將上述因素納入到檔案館建設的整體規(guī)劃之中。

發(fā)展光伏發(fā)電技術是未來建綠色檔案館建筑的一個重要方向。本文淺析了檔案館建筑在應用光伏發(fā)電系統(tǒng)時需要考慮的因素，包括裝機容量的設計、最佳安裝傾角的確定以及不同組件的選型組件；同時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)濟收益、回收周期以及環(huán)境效益等指標，為今后檔案館建筑應用光伏發(fā)電技術提供理論參考

（一）我國太陽能資源分布

我國有著豐富的太陽能資源。據(jù)統(tǒng)計，我國陸地面積太陽能年輻射能總量約為 3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當于燃燒2.4×104億噸標準煤所發(fā)出的熱量。根據(jù)國家氣象局風能太陽能評估中心劃分標準，我國太陽能資源按輻射量的不同可分為四類地區(qū)。太陽能全年輻射量在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，日照時數(shù)長，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，秋冬季太陽能資源較豐富，主要集中在福建、浙江以及長江中下游一帶；全年太陽能輻射量在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)是我國太陽能資源最少的地區(qū)。

（二）裝機容量的設計

裝機容量指的是光伏組件額定功率的總和，它由建筑的場地情況、光伏組件的效率以及前期投入等因素共同決定。對于已經(jīng)建成的檔案館，在設計光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量時，要充分考慮屋頂?shù)膱龅厍闆r，如可利用面積、設計荷載以及電氣設備布置情況等。對于待建的檔案館，在項目建設之初就應做好系統(tǒng)設計的全面規(guī)劃，科學合理地利用光伏發(fā)電技術為檔案館服務。在安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時，檔案館建筑的屋頂結構形式的可以是平面屋頂，也可以是斜面屋頂。通常來說，平面屋頂1平方米的面積其裝機容量約75-100W，屋面承重增加約35-45公斤。朝南向斜面屋頂1平方米其裝機容量約為130-150W，屋面承重增加約15公斤。以上海地區(qū)一萬平方米的平面屋頂為例，去除設備設施所占屋頂面積，其裝機容量可在600-800kW之間，年發(fā)電量約在70-95萬度之間，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。經(jīng)緯度、各月輻射量分布以光照直散比的不同會導致太陽高度角變化，從而改變著光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳傾角的值。對于檔案館建設人員而言，在應用光伏發(fā)電系統(tǒng)時，我們希望的是通過簡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全國各地區(qū)峰值日照時數(shù)表確定。

（四）太陽能電池組件的選型

太陽能電池組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心和價值最高的部分，它的作用是將太陽能轉化為電能，推動負載工作。組件質量和成本將直接影響整個系統(tǒng)的質量和成本，從而決定檔案館建筑應用光伏發(fā)電系統(tǒng)前期所需的投入。目前，太陽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電池組件，應用范圍最廣泛的多晶硅太陽能電池組件以及技術尚未成熟的非晶硅太陽能組件等。

1.單晶硅太陽能電池組件

單晶硅太陽電池是一種以純度為99.999%的單晶硅棒為原料的組件，其生產工藝成熟，光電轉化效率高。據(jù)統(tǒng)計，在標準測試條件下，國際公認最高效率的單晶硅電池板的光電轉化效率可達24%，而目前常用的單晶硅電池板的光電轉化也在15%-18%之間。由于單晶硅電池板對原材料高純度的要求，使其制造成本較高，但目前單晶硅的轉化效率是其他晶硅材料中最高的，每瓦售價在36-40元之間。

2.多晶硅太陽能電池組件

多晶硅太陽電池多半是采用廢次單晶硅材料和冶金級硅材料加工而成。與單晶硅相比，其制作成本便宜，制作工藝簡單便捷。因此，近些年來多晶硅電池板得到了快速發(fā)展。但由于多晶硅內存在明顯的晶粒界面、晶格錯位等缺陷，其光電轉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、壽命和擴散長度等問題。盡管如此，多晶硅電池組件由于價格便宜，量產率高，仍是目前市場上應用最廣泛的電池組件，其每瓦售價在34-36元之間。

3.非晶硅太陽能電池組件

非晶硅太陽電池組件是上世紀20年代初誕生的一種新型薄膜式太陽電池。與上述兩種晶硅材料相比，它有諸多優(yōu)點。在制作工藝上，非晶硅太陽電池組件的制作過程大為簡化，且所消耗的硅材料很少。此外，非晶硅太陽電池組件即使是在光照條件很弱的情況下，也能夠進行發(fā)電。但非晶硅太陽電池由于目前的技術尚未成熟，導致其光電轉換效率偏低，且運行不夠穩(wěn)定。目前，國際先進水平的非晶硅電池組件的轉化效率也只有10%左右，且隨著時間的延長，其轉換效率逐漸衰減。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)，僅作為微型電子設備的供電電源，如便攜式計算器、移動充電電源等方面。

二、光伏發(fā)電技術在檔案館建筑中應用實例分析

（一）項目概況

江蘇某檔案寄存中心位于蘇州昆山花橋鎮(zhèn)，年日照時常大約為1965小時。近十年該地區(qū)太陽能年輻射量約為4651.1J/m2，屬于我國太陽能資源三類地區(qū)，適宜建設光伏發(fā)電項目。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)有設備的安裝情況等因素，最終確定安裝傾角為南偏西20°。試驗屋頂為鋼筋混凝土屋頂，經(jīng)信息產業(yè)電子第十一設計研究院荷載復核，該屋頂可承受10.8kw光伏荷載。

（二）系統(tǒng)設備配置

本項目采用的太陽能光伏發(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40塊。逆變器采用三相雙路智能逆變器，可通過手機客戶端對系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)進行可視化的實時監(jiān)測，全程記錄該檔案寄存中心的能耗情況。此外，在發(fā)電的輸出端還加設了計量表具和防倒送裝置，便于國家光伏補貼的結算和保證系統(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，且試驗項目裝機容量較小，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生的直流電轉變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電，再通過配電柜與變電所內的變壓器低壓端并聯(lián)，對負載進行供電，并將多余的電能送入電網(wǎng)。

（四）系統(tǒng)效益分析

目前，市場上光伏電池組件的標準使用壽命為25年，且25年內光伏組件的發(fā)電效率衰減額不大于20%。因此，基于上述假設，利用光伏分析軟件PVsys可模擬出從系統(tǒng)裝機開始至未來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28萬度，年均發(fā)電量1.1萬度。

1.經(jīng)濟效益分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為近年來新興的綠色技術，得到了國家政策層面的大力支持。本套系統(tǒng)投資總金額約17萬元，根據(jù)“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的并網(wǎng)政策，國家標準執(zhí)行的補貼電價為0.42元/度，那么系統(tǒng)每度電的價值為0.97元（基準電價）+0.42元（國家補貼）=1.39元，光伏發(fā)電系統(tǒng)在25年內的發(fā)電總價值為280000度×1.39元=389200元。根據(jù)國家并網(wǎng)政策（“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”的國家補貼政策為自并網(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)電總價值）≈11年，則去除成本后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總利潤為（25-11）年×11000度×1.39元=214060元。因此，在組件壽命期限內，系統(tǒng)能夠產生較好的經(jīng)濟效益。

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)濟價值方面，更體現(xiàn)在對于環(huán)境有害物質的排放上。

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，符合國家綠色發(fā)展理念的要求。因此，在檔案館建筑中應用光伏發(fā)電技術，具有良好的環(huán)境效益。

將光伏發(fā)電系統(tǒng)應用于檔案館建筑的屋頂上，可以有效地開發(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電網(wǎng)的用電需求，緩解電網(wǎng)的用電壓力。從環(huán)境保護和投資收益比的角度來講，對于檔案館建筑這樣高能耗的建筑，采用光伏發(fā)電技術與檔案館建筑相結合符合發(fā)展綠色檔案館建筑的要求。

光伏發(fā)電技術作為一種新型的綠色技術，其應用形式多樣。例如，光伏建筑一體化技術（BIPV）就是將光伏系統(tǒng)集成到建筑上（幕墻、玻璃、屋頂、遮陽設施、女兒墻等）。就目前檔案館建筑而言，光伏發(fā)電技術的應用形式仍較為單一，多數(shù)是建于建筑的屋頂之上。這是因為光伏太陽能發(fā)電技術作為一種新穎的供電方式，檔案館管理人員對該技術的應用方式、方法仍缺乏足夠的認識。那么如何在檔案館建設之初就對光伏發(fā)電系統(tǒng)作出科學地設計、規(guī)劃，既體現(xiàn)檔案館建筑的美學特點，又能滿足能耗的要求，成為建設綠色檔案館下一步工作需要著重解決的問題之一。此外，應加強檔案館管理人員對光伏發(fā)電系統(tǒng)建設和能源管理模式的認識。檔案館建筑作為國家財政支持的項目，在光伏發(fā)電系統(tǒng)建設方面可采用第三方（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的前期預算，而且有助于降低用電成本和后期運營維護成本。同時，對于投資方來說，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險。因此，這種能源管理模式應在未來的檔案館建設中予以推廣，也為我們下一步工作提供了新思路、新方法。