四川盆地光伏車棚運(yùn)行分析

□何 帆 鄧 開(kāi)

一、引言

在全球氣候變化及能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型大背景下，發(fā)展綠色低碳能源技術(shù)、構(gòu)建以可再生能源為主的現(xiàn)代能源體系已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)以其能源轉(zhuǎn)換直接、資源豐富、度電成本低等優(yōu)勢(shì)已成為可再生能源技術(shù)創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心技術(shù)之一。在過(guò)去十年里，隨著光伏器件及系統(tǒng)的效率不斷增加、成本持續(xù)降低，大多數(shù)國(guó)家太陽(yáng)能光伏發(fā)電的平準(zhǔn)化發(fā)電成本(Levelized Cost of Energy，LCOE)已經(jīng)比傳統(tǒng)化石能源發(fā)電低。截至2020年，全球累計(jì)光伏裝機(jī)容量已達(dá)到716GW[1]。國(guó)際能源署(IEA)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電將是未來(lái)幾十年中可再生能源增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力，預(yù)計(jì)2022年后光伏發(fā)電每年都會(huì)創(chuàng)下發(fā)展新紀(jì)錄。我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，但保持高速率發(fā)展，截至2020年中國(guó)累計(jì)光伏裝機(jī)總量已達(dá)到254GW[1]，占到全球總裝機(jī)容量的30%以上，新增光伏裝機(jī)容量連續(xù)多年位居全球第一。

近年來(lái)，住建部、工業(yè)和信息化部等部門(mén)出臺(tái)多項(xiàng)文件，積極鼓勵(lì)光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)及“光伏+”創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展[2]。目前，在我國(guó)光照資源較好地區(qū)，光伏采光頂、光伏車棚、光伏圍欄等光伏創(chuàng)新應(yīng)用已隨處可見(jiàn)，成為推動(dòng)綠色低碳能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施。然而，以四川盆地為代表的低光照資源區(qū)，光伏應(yīng)用推進(jìn)較為緩慢，光伏電站相關(guān)數(shù)據(jù)分析研究較少。本研究以樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院13.5kW光伏車棚為研究對(duì)象，分析一個(gè)自然年度下樂(lè)職院光伏車棚實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)，并與理論發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比，旨在分析四川盆地地區(qū)光伏車棚項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，為后期四川盆地地區(qū)光伏項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

二、樂(lè)山地區(qū)光照資源及理論發(fā)電量

樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏車棚項(xiàng)目點(diǎn)位于北緯N：29°36′，東經(jīng)E：103°41′，海拔高度約400m,通過(guò)Meteonorm 7.1數(shù)據(jù)庫(kù)可以看到該項(xiàng)目點(diǎn)全年水平面累計(jì)輻射量約為998.7kWh/m2，如圖1所示。PVsyst是一款光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件，用于指導(dǎo)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)及對(duì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行模擬計(jì)算[3]。本文采用PVsyst6.4模擬計(jì)算樂(lè)職院項(xiàng)目點(diǎn)傾斜面最大輻射量，可以看到，當(dāng)光伏組件方位角為0°(朝正南方向)，傾斜角為15°時(shí)，組件接收到的累計(jì)輻射量最大，為1028kWh/m2，如圖2(a)所示?？紤]到地形因素，該項(xiàng)目中組件實(shí)際方位角為+90°(正西方向)，傾斜角為5°，模擬計(jì)算得到實(shí)際安裝條件下理論輻射量為998kWh/m2，如圖2(b)所示，約為最佳傾角下輻射量的97.1%?？梢钥吹剑陧?xiàng)目實(shí)際安裝角度偏離理想安裝角度情況下，發(fā)電量損失并不大。同時(shí)也說(shuō)明在四川盆地光伏項(xiàng)目建設(shè)中，方陣傾角及方位角具有較大的設(shè)計(jì)窗口。理論發(fā)電量反映了在不考慮灰塵遮擋、串并聯(lián)損失、逆變器效率等影響情況下，光伏組件傾斜面接收到的總輻射量可轉(zhuǎn)化成的電量。根據(jù)理論發(fā)電量計(jì)算公式：理論發(fā)電量=系統(tǒng)裝機(jī)容量×峰值日照小時(shí)數(shù)，其中峰值日照小時(shí)數(shù)為傾斜面總輻射量(998kWh/m2)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光照強(qiáng)度(1,000W/m2)之比，可計(jì)算得到樂(lè)職院光伏車棚項(xiàng)目理論發(fā)電量約為13,473kWh。

圖2 PVsyst6.4模擬計(jì)算樂(lè)職院項(xiàng)目點(diǎn)最佳傾角下理論輻射量(a)及實(shí)際傾角下理論輻射量(b)

三、樂(lè)職院光伏車棚實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)分析

樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏車棚外觀如圖3所示，項(xiàng)目建成時(shí)間為2020年11月，共由30塊450W的光伏組件組成，項(xiàng)目容配比為1.35，光伏裝機(jī)容量為13.5kW，光伏組件分為兩個(gè)組串匯入10kW組串式逆變器，逆變后并入樂(lè)職院行政樓一樓配電柜。此外，項(xiàng)目還配套有4個(gè)7kW的充電樁，實(shí)現(xiàn)光伏車棚+充電樁一體化應(yīng)用，在滿足學(xué)院公務(wù)車停放、充電的同時(shí)，可支撐光伏發(fā)電專業(yè)學(xué)生電站實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

圖3 樂(lè)職院光伏車棚外觀:(a)正視，(b)俯視

本研究通過(guò)逆變器監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)樂(lè)職院光伏車棚2021年1月至2021年12月每月發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示，可以看到該項(xiàng)目全年累計(jì)發(fā)電量為11468.2kWh，根據(jù)等效利用小時(shí)計(jì)算公式：等效利用小時(shí)=系統(tǒng)總發(fā)電量/系統(tǒng)裝機(jī)容量，可計(jì)算得到全年等效利用小時(shí)數(shù)為849.5h,其中5月份發(fā)電量最高，達(dá)到了1349.89kWh,12月份發(fā)電量最低，僅為505.56kWh，這與Meteonorm 7.1得到樂(lè)職院項(xiàng)目點(diǎn)光照資源數(shù)據(jù)基本一致。光伏電站系統(tǒng)效率PR(Performance Ratio)定義為系統(tǒng)實(shí)際交流發(fā)電量與理論直流發(fā)電量之比，該參數(shù)考慮了光伏電站入射能量、直流側(cè)、交流側(cè)等環(huán)節(jié)能量損失，較好反映了光伏電站的綜合性能和運(yùn)行質(zhì)量[4]。根據(jù)光伏電站系統(tǒng)效率計(jì)算公式：系統(tǒng)效率=實(shí)際發(fā)電量/理論發(fā)電量，可以計(jì)算得到，樂(lè)職院光伏車棚項(xiàng)目PR值約為85.1%。

圖4 2021年樂(lè)職院光伏車棚每月發(fā)電數(shù)據(jù)

四、樂(lè)職院光伏車棚經(jīng)濟(jì)效益分析

考慮到支架材料差異、施工難度差異、組件價(jià)格波動(dòng)等因素影響，光伏車棚成本存在一定波動(dòng)[5]，總體而言，目前普通光伏車棚成本可降至7元/W以下。光伏車棚設(shè)計(jì)壽命為30年，結(jié)合樂(lè)山地區(qū)電價(jià)可以估算得出，在運(yùn)行良好的情況下，該光伏項(xiàng)目十余年可收回建設(shè)成本。此外，以目前主流新能源汽車一度電可行駛7公里進(jìn)行估算，可以發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目全年發(fā)電量可供新能源汽車?yán)塾?jì)行駛約80,000公里，可較好滿足4輛新能源汽車全年供電需求，通過(guò)該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)減排二氧化碳約12.43噸。另外，光伏車棚的使用可以降低夏季車棚下汽車溫度，增加夏季汽車使用舒適性。同時(shí)，作為校企共建項(xiàng)目，樂(lè)職院光伏車棚還可以支撐光伏發(fā)電專業(yè)學(xué)生電站實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可減少學(xué)院教學(xué)電站建設(shè)投入。因此，可以看到，該光伏車棚的建設(shè)契合“雙碳”目標(biāo)下綠色發(fā)展理念，具有較大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于其他發(fā)電形式而言，太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有轉(zhuǎn)換直接、資源豐富、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。樂(lè)職院光伏車棚項(xiàng)目將太陽(yáng)能光伏利用與綠色電力需求結(jié)合，擴(kuò)大、創(chuàng)新太陽(yáng)能光伏應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)促進(jìn)了科研、教育和產(chǎn)業(yè)的結(jié)合。通過(guò)對(duì)樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院13.5kW光伏車棚運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管項(xiàng)目點(diǎn)光照資源較差，全年水平面累計(jì)輻射量不足1,000kWh/m2，但是仍然具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。其中，該項(xiàng)目全年累計(jì)發(fā)電量達(dá)到11468.2kWh，可實(shí)現(xiàn)減排二氧化碳約12.43噸，可滿足4輛新能源汽車全年供電需求。因此，四川盆地仍然具有發(fā)展光伏應(yīng)用的潛力，特別是隨著光伏發(fā)電進(jìn)一步降本增效，“光伏+”應(yīng)用必將成為推動(dòng)綠色低碳能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施。