昆明高校分布式太阳能光伏系统工程应用与评价

刘颖才

（云南赛安得建设工程质量检测有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

昆明市太阳辐射资源丰富，全年分布比较均衡，具有太阳能利用的独特的自然优势。根据行业标准划定的等级，昆明市属于太阳能资源比较丰富地区，且昆明地区全年最热月份和最冷月份温差较小，故非常有利于太阳能可再生能源的使用。近年，云南省大力推广太阳能光伏系统应用技术，分布式光伏系统遍地开花。

西南林业大学第三教学楼建成较早，校方有节能改造相关需求，该建筑以教学办公为主，照明灯具量大，使用人数多，且根据教学楼能耗监测数据资料，该建筑昼间能耗占建筑能耗比重较大，屋面平整无遮挡。恰逢昆明市能效提升重点城市第二批建设项目推进契机，通过与校方对接沟通，对第三教学楼开展建筑节能改造相关工作。

结合建筑屋面现场条件，经调研，拟在该教学楼屋面新建一套分布式光伏系统，项目发电量基本用于本地消纳，采用“自发自用、余电上网”模式，采用低压 0.4 kV 电压等级并入电网，不设储能装置［1］。但因该建筑年限较早，相关建筑设计资料寻求困难，且设计之初并未考虑屋面承重需求，故在楼顶安装太阳能光伏系统时，承重校核成了项目第一要务；且由于专项资金数量局限，光伏系统规模受到一定制约，屋面较为宽敞的现场条件并不能实现全部利用；另外，由于正值新冠疫情爆发期，学校作为重点防控场所单位，面临巨大疫情防控压力，项目工期一拖再拖，在确保疫情防控的前提下，按时按质按量完成现场施工工作异常艰难。

1 系统设计简要

本项目的主要系统组成部分如下，直流发电系统：指太阳电池组件到逆变器直流侧的电气系统，包括太阳电池组件、直流光伏电缆、组串式逆变器；交流输配电系统：指逆变器交流 0.4 kV 输出侧到并网点的电气系统，包括交流电缆、箱变、高低压配电柜等；光伏发电监控系统。

1.1 太阳能光伏组件

太阳电池组件是光伏电站的核心部件，其要求具有非常好的耐侯性，能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，同时具有高的转换效率和廉价特性［2］。根据分析计算，采用越大功率组件系统效率越高，且大功率组件安装快速、便捷；减少了设备的安装时间；减少了设备的安装材料；同时也减少了系统连线，降低线损。根据现场调研结果，本项目选用目前国内具备大规模量产条件，且峰值功率为 550 W 的单晶硅太阳电池组件来组建本项目的太阳电池方阵，共计 64 块，光伏组件面积 163.5 m2，设计方阵面与地面成 10°角。

1.2 逆变器

本工程系统容量为 35 kW，选用单台容量小的逆变设备，逆变器容量根据屋顶安装光伏组件容量选择 36 kW 机型。其采用 MPPT（最大功率跟踪）技术最大限度将直流电（DC）转变成交流电（AC），输出符合电网要求的电能。具有交流过压、欠压保护、超频、欠频保护、高温保护、交流及直流的过流保护、直流过压保护、防孤岛保护等保护功能。此外，逆变器带有多种通讯接口进行数据采集并将数据发送到远控室，便于整个电站数据处理分析［3］。

1.3 监测系统

分布式并网光伏发电系统需要设置必要的数据监控系统，对光伏发电系统的组串式逆变器、汇流箱、箱变等设备的运行状况、实时气象数据进行监测与控制，确保光伏电站在有效而便捷的监控下稳定可靠地运行［4］。本项目监测系统具有多种通讯接口进行数据采集并发送到远控室，其控制器有模拟输入端口与外部传感器相连，测量日照和温度等数据，便于整个电站数据处理分析。

1.4 电气主接线与并网

电气主接线分为交直流两部分：直流部分为光伏组件至逆变器部分，交流部分为逆变器至并网柜，并网柜直接接至附近 10 kV 箱变低压侧进行并网，低压并网柜就近布置于低压配电室内。

1.5 现场土建工程

在完成相关承重校核的基础上，根据原有建筑物屋面结构情况，在屋面采用预制混凝土支墩作为配重，抵抗光伏板所承受的风荷载，在混凝土支墩上预埋地脚螺栓，并采用螺栓与钢支架可靠连接。此种方案对原有屋面建筑做法及防水层破坏较小，建设成本较低。

2 系统评价［5］

从现场太阳能光伏系统情况看，该系统观感质量基本达到国家相关规范要求，现场共计安装 550 W 单晶硅太阳能光伏组件 64 块，合计光伏组件面积 163.5 m2，现场光伏组件以南偏西 10°朝向、倾角 10°安装于教学楼屋面，屋面空旷无遮挡。本次工程评价现场检测试验按 GB/T 50801－2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》［6］进行，试验时系统已正常负载运行两周余，按短期测试方法检测三次，采集的参数包括：辐照度、发电量、电池组件背板温度、环境温度、风速，在数据满足试验要求前提下，取 11∶00～13∶00 测试数据进行计算，测试结果如表1 所示。

表1 光伏系统性能评价结果

根据 GB/T 50801－2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中主要城市日照量统计数据，昆明市太阳辐照强度 3.9 MJ/m2共计 63 日，太阳辐照强度10.3 MJ/m2共计 48 日，太阳辐照强度 14.1 MJ/m2共计 92 日，太阳辐照强度 21.4 MJ/m2共计 162 日；根据屋面光伏发电系统性能检测结果，该光伏发电系统光电转化效率约 17.2 %。

通过计算，该光伏发电系统年发电量可达43 035.35 kWh。

第三教学楼作为教学楼及办公用途，能源种类只包含水耗和电耗两类，从该栋建筑能耗监测数据，该教学楼年耗电量 159 010.3 kWh，根据《公共建筑节能改造节能量核定导则》，光伏系统建成后，年节能率达 27.1 %，具有良好的节能示范作用。

按设计年限 25 年计算，达到的环境评价结果如表2 所示。

表2 光伏系统环境效益评价结果

3 展望

昆明市地处约东经 102 度、北纬 25 度，按相应太阳能光伏倾角相关研究及安装经验，集热器倾角一般与当地纬度相适应。即使考虑该系统并非储能系统，为了使系统年发电量最大化，稍微降低安装倾角，但不应降太多，故现场光伏组件安装倾角可适当调整，或由专业软件计算最合理倾角。

图1 为测试期间一日光伏组件背板温度监测记录，从图中可以看出在测试期间，光伏组件背板温度在 40 ℃～50 ℃ 间，由峰值功率温度系数知，组件温度升高，系统效率将降低，而且在夏季，组件背板温度甚至将超过 60 ℃。为此，笔者建议，云南省在大力推广可再生能源建筑应用时，应加强光热光伏一体化技术研究推广，将太阳能热水系统与光伏系统融为一体，主要思路即通过光热系统工质循环以便带走光伏组件热量，降低组件温度提高效率的同时，提供建筑热水供应。

图1 测试日光伏组件背板温度监测结果

因项目性质原因，本项目只提供一年运行质保，质保期间，系统虽运行相对稳定，但是也需要质保人员定期进行巡视，如在系统运行期间，维保人员发现个别光伏组件因光伏组件功率大，电流过大造成插接头烧毁，若巡查不够仔细，将造成问题光伏组件形同虚设，降低系统发电效率；为了使光伏系统能正常高效运行，笔者发现，对光伏组件面板的定期清理工作也显得尤为重要；随着系统运行时间增加，易损设备部件也需要进行定期更换保养。故质保期结束后，是否有资金支持继续进行系统维保工作，显得尤为重要。

现今，低能耗、零能耗建筑一直是各国发展的重点，本项目因资金限制，本系统装机容量较小。西南林业大学第三教学楼用能单一，用能量相对较小，现场安装条件好，在资金允许的前提下，可以适当增大装机规模，更大程度降低常规能源使用量，朝低能耗甚至零能耗建筑目标迈进。

4 结语

西南林业大学率先在学校第三教学楼屋顶建设分布式光伏示范项目，高标准规划、高质量建设、高效率推进，切实把试点工作组织落实好，为全面推进学校分布式光伏规模化开发探索路子、树立标杆，为实现国家“双碳”目标提供示范和引领意义，取得了较好的节能减排效果，虽因资金限制，本系统装机容量相对较小，但作为示范典型，其在政策响应、技术路线选择上提供了一定的经验基础，对于昆明市各高校探索节能改造思路提供了参考。Q