太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在重慶地區(qū)三星級(jí)綠色建筑中的應(yīng)用

戴輝自，劉軍，秦硯瑤，高敏

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑技術(shù)中心，重慶 400016）

0 引言

重慶地區(qū)年總輻射量在3400～4180MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為1000～1400h，日照百分率為25%～35%，輻照量在3-10月份較為充足，夏季太陽輻射量最大，春秋季次之，冬季最小[1]。太陽能應(yīng)用主要分為光熱應(yīng)用、光伏（電）應(yīng)用、太陽能制冷等。

重慶市自2014年11月1日起實(shí)施了 《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T-066-2014，其中第5.2.17條規(guī)定：根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件，合理利用可再生能源，由可再生能源提供的電量比例不低于1%，得4分，每提高0.5%加1分，最高得分10分[2]。根據(jù)重慶市綠色建筑專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一般辦公樓等，建筑能耗約在60～80kW·h/m2；重慶市綠色建筑2017年度發(fā)展報(bào)告顯示，2017年重慶市全年新增二星級(jí)以上綠色建筑361萬m2，按5.2.17條規(guī)定，如4%的高星級(jí)綠色建筑采用太陽能光伏系統(tǒng)，可節(jié)約電能約866.4～1155.2萬kW·h[3]。目前，在重慶地區(qū)開展太陽能光熱建筑應(yīng)用的工程較多，但針對(duì)太陽能光電應(yīng)用的系統(tǒng)仍然較少。該文通過實(shí)際工程，對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用進(jìn)行分析，為重慶地區(qū)其他項(xiàng)目的太陽能光電系統(tǒng)應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 太陽能利用方式

太陽能利用方式多種多樣，就重慶地區(qū)而言，主要為光熱應(yīng)用，其次為光伏應(yīng)用，太陽能制冷幾乎未涉及。重慶市作為全國首批可再生能源應(yīng)用示范城市，重慶市云陽縣、重慶市巫溪縣為全國可再生能源應(yīng)用示范縣，先后在學(xué)校建筑中開展了大量的太陽能光熱應(yīng)用，為學(xué)校提供大量的生活衛(wèi)生熱水，取得了良好的節(jié)能效益。

在太陽能光伏應(yīng)用上，部分學(xué)者對(duì)太陽能光伏應(yīng)用進(jìn)行了研究，李衛(wèi)平等人針對(duì)重慶地區(qū)建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，由于重慶地區(qū)太陽輻射的特點(diǎn)，部分時(shí)段連續(xù)陰雨天較長，即使是為日耗電量為2.6kW·h左右的普通家庭供電，也需配置較大容量的蓄電池組及峰值功率較高的太陽能電池陣列[4]。丁勇等人針對(duì)重慶市太陽能資源進(jìn)行實(shí)際測試與分析對(duì)比，結(jié)果表明，重慶地區(qū)非晶硅太陽能電池板的比功率發(fā)電量大于單、多晶硅的比功率發(fā)電量，光伏發(fā)電成本約為常規(guī)發(fā)電技術(shù)的2～3倍[5]。但是隨著太陽能光伏系統(tǒng)規(guī)模的增大，規(guī)模效應(yīng)帶來了成本的降低。目前，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)存在部分應(yīng)用，如解放軍后勤工程學(xué)院綠色建筑示范樓，兄弟裝飾公司總部辦公樓等。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為重慶某高校水力實(shí)驗(yàn)樓，位于重慶市江津區(qū)，該樓主要功能為開展國內(nèi)各主要水利航道的水力實(shí)驗(yàn)研究，截至目前，已獲得重慶市三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)。項(xiàng)目場地周邊開闊，無高大建筑遮擋，適合太陽能光伏應(yīng)用。項(xiàng)目總用地面積15.4萬m2，總建筑面積41645.86m2。項(xiàng)目包含4個(gè)試驗(yàn)廳，其中1#試驗(yàn)廳地上一層，局部夾層，總建筑面積4184.48m2；2#試驗(yàn)廳為單層結(jié)構(gòu)，局部有夾層，總建筑面積3301.25m2；3#試驗(yàn)廳為單層結(jié)構(gòu)，局部夾層，總建筑面積3116.55m2；4#試驗(yàn)廳為單層結(jié)構(gòu)，總建筑面積31043.58m2。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)建造過程中以三星級(jí)綠色建筑為設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合采用綠色建筑技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！?，達(dá)到三星級(jí)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目效果圖如圖1。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的主要功能為水力實(shí)驗(yàn)，根據(jù)業(yè)主單位提供的數(shù)據(jù)顯示，參考其已有的實(shí)驗(yàn)樓，該類型建筑全年單位建筑面積耗電量約為55kW·h/m2，總建筑面積為41645.86m2，每年能耗量約為2290522.3kW·h，按4%的用電量來自于可再生能源計(jì)算，則太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不少于91620.9kW·h，據(jù)此要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）光伏系統(tǒng)選擇

目前市面上太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)形式較多，根據(jù)業(yè)主提供的設(shè)計(jì)資料，太陽能資源條件如表1所示。從表1中可以看出，一年中總輻照量最少時(shí)段在春冬季的11-1月份，日平均太陽輻射在1.74～1.93kW·h/m2之間，極少值出現(xiàn)在12月，極大值出現(xiàn)在7月份；最多的時(shí)段是夏秋季節(jié)的4-8月份，日平均太陽輻射在3.64～4.56kW·h/m2之間。從表1可計(jì)算得出，全年平均太陽輻射為1116.9 kW·h/m2。

表1 項(xiàng)目所在地氣象資料條件

（2）光伏組件的選擇

作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，太陽能電池組件技術(shù)性能和指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。一般要求其轉(zhuǎn)換率高，使用壽命長，技術(shù)性能穩(wěn)定；結(jié)合業(yè)主的需求，及技術(shù)性能，該系統(tǒng)選擇270Wp/31.5V多晶硅光伏組件，技術(shù)參數(shù)如表2所示，光伏組件如圖2所示。

（3）裝機(jī)容量計(jì)算

通過計(jì)算分析，總裝機(jī)容量需達(dá)125.1kWp，共需安裝450塊270W高效多晶硅光伏組件。

（4）光伏系統(tǒng)平面布置

該項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要供應(yīng)室內(nèi)的照明用電，動(dòng)力用電采用市電，多余電量上網(wǎng)。經(jīng)核算，該項(xiàng)目共有4棟建筑，結(jié)合業(yè)主的要求以及太陽能光伏系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，光伏組件安裝于3#樓船模及波浪試驗(yàn)廳，并與支架固定在屋面鋼結(jié)構(gòu)上，發(fā)電系統(tǒng)共30組串，每組串由15塊太陽能電池組件串聯(lián)，每13/7路（不同顏色）并聯(lián)至1個(gè)60/36kW組串式逆變器（圖3、圖4）。

表2 270Wp多晶硅光伏組件參數(shù)表

圖2 光伏組件

圖3 光伏組件平面布置圖

圖4 光伏組件局部放大圖

2.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797－2012第6.6條發(fā)電量計(jì)算中規(guī)定，光伏發(fā)電站年平均發(fā)電量Ep計(jì)算如下：Ep=HA×PAZ×K，式中：HA為水平面太陽能年總輻照量（kW·h/m2）；Ep為上網(wǎng)發(fā)電量（kW·h）；PAZ為系統(tǒng)安裝容量（kW）；K為綜合效率系數(shù)。綜合效率系數(shù)K是考慮了各種因素影響后的修正系數(shù)，其中包括：光伏組件類型修正系數(shù)；光伏方陣的傾角、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、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)[8]。

根據(jù)計(jì)算，Ep=1116.9×125.1×0.7=97806.9kW·h。

表3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)25年發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)重慶地區(qū)的太陽能資源條件，該項(xiàng)目首年發(fā)電量約為97024.4kW·h，隨著時(shí)間的推移，電池組發(fā)電效率的降低，按年衰減率0.8%計(jì)算，25年內(nèi)發(fā)電量總數(shù)為2206426.6kW·h，25年內(nèi)年平均發(fā)電量為88257.1kW·h。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 投資回收期分析

經(jīng)與業(yè)主單位溝通咨詢，該系統(tǒng)造價(jià)約為122.0萬元（含材料費(fèi)、人工費(fèi)、安裝費(fèi)等）。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)年均發(fā)電量約88257.1kW·h，按電價(jià)為0.52元/kW·h計(jì)（學(xué)校用電），每年可節(jié)約電費(fèi)約88257.1×0.52=45893.7元（4.59萬元），根據(jù)《國家發(fā)展改革委關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，分布式光伏電站發(fā)電實(shí)行全電量補(bǔ)貼政策，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kW·h。則每年的補(bǔ)貼費(fèi)用為88257.1×0.42=37067.9元（3.71萬元），太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期為122÷（4.59+3.71）=14.7年，根據(jù)目前部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，投資回收期為14.7年時(shí)，基本與福建省的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)投資回收期持平[9]。

3.2 節(jié)能減排分析

按2017年國家公布的數(shù)據(jù)計(jì)算，每節(jié)約1kW·h電，相當(dāng)于節(jié)約0.36kg標(biāo)準(zhǔn)煤，減少污染排放0.272kg粉塵、0.262kg CO2，整個(gè)項(xiàng)目太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)每年可減少燃煤53.3t，減排粉塵40.3t，減排CO256.5t。

3.3 存在的問題與不足

該項(xiàng)目太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，主要存在以下問題：

（1）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)需與建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，如在既有建筑上實(shí)施，一方面需考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備對(duì)建筑荷載的影響；一方面可能對(duì)建筑立面或屋面（第五立面）影響較大。該項(xiàng)目屋面造型為曲面造型，在設(shè)計(jì)過程中需很好地結(jié)合屋面造型，將其對(duì)屋面的影響降到最低。

（2）重慶地區(qū)位于太陽能資源貧乏區(qū)，太陽輻射密度低，且陰雨天氣多，在年發(fā)電量相同時(shí)，較拉薩等地區(qū)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量多近50%，造價(jià)也高近50%，因此，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的相對(duì)造價(jià)較高，投資回收期較長，在重慶地區(qū)目前暫未大規(guī)模推廣。

4 結(jié)論

通過對(duì)某三星級(jí)綠色建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，按可再生能源應(yīng)用比例不低于4%計(jì)算，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用8.2萬元（含補(bǔ)貼）。并且，光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回收期為14.7年，基本與其他地區(qū)類似項(xiàng)目持平。因此，在太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用過程中，有如下情況時(shí)，可考慮采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)：

（1）在以照明負(fù)荷較大、負(fù)荷平穩(wěn)的建筑中，采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)備投入可降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

（2）在三星級(jí)綠色建筑中，一般均存在可再生能源應(yīng)用，如建筑無中央空調(diào)系統(tǒng)，可考慮采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，提升綠色建筑的綠色化性能。

該項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施，可為重慶地區(qū)其他項(xiàng)目的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。

[1]丁勇，連大旗，李百戰(zhàn).重慶地區(qū)太陽能資源的建筑應(yīng)用潛力分析[J].太陽能學(xué)報(bào)，2011，32（2）：165-170.

[2]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：17.

[3]重慶市建筑節(jié)能協(xié)會(huì)綠色建筑專業(yè)委.DBJ50/T-066-2014重慶市綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) [S].重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，2014.

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心.綠色與建筑運(yùn)行評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目案例集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016：71-76.

[5]李衛(wèi)平，王維俊.重慶地區(qū)建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性淺析[J].重慶建筑，2010，9（3）：5-8.

[6]唐爽，丁勇，董孟能，等.重慶地區(qū)太陽能光伏發(fā)電潛力分析[J].重慶建筑，2014，13（9）：8-11.

[7]重慶市綠色建筑專業(yè)委員會(huì)，重慶大學(xué)綠色建筑與人居環(huán)境營造教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室.重慶市建筑綠色化發(fā)展年度報(bào)告2017[M].北京：科學(xué)出版社，2017：21-24.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50797－2012光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012.

[9]邱壽豐，王庫.省域居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)投資回收期研究——以福建省為例[J].閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，37（4）：46-55.