太阳能光伏发电系统在重庆地区三星级绿色建筑中的应用

戴辉自，刘军，秦砚瑶，高敏

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司绿色建筑技术中心，重庆 400016）

0 引言

重庆地区年总辐射量在3400～4180MJ/m2，年日照时数为1000～1400h，日照百分率为25%～35%，辐照量在3-10月份较为充足，夏季太阳辐射量最大，春秋季次之，冬季最小[1]。太阳能应用主要分为光热应用、光伏（电）应用、太阳能制冷等。

重庆市自2014年11月1日起实施了 《绿色建筑评价标准》DBJ50/T-066-2014，其中第5.2.17条规定：根据当地气候和自然资源条件，合理利用可再生能源，由可再生能源提供的电量比例不低于1%，得4分，每提高0.5%加1分，最高得分10分[2]。根据重庆市绿色建筑专业委员会发布的数据显示，对于一般办公楼等，建筑能耗约在60～80kW·h/m2；重庆市绿色建筑2017年度发展报告显示，2017年重庆市全年新增二星级以上绿色建筑361万m2，按5.2.17条规定，如4%的高星级绿色建筑采用太阳能光伏系统，可节约电能约866.4～1155.2万kW·h[3]。目前，在重庆地区开展太阳能光热建筑应用的工程较多，但针对太阳能光电应用的系统仍然较少。该文通过实际工程，对太阳能光伏发电系统在绿色建筑中的应用进行分析，为重庆地区其他项目的太阳能光电系统应用提供参考和借鉴。

1 太阳能利用方式

太阳能利用方式多种多样，就重庆地区而言，主要为光热应用，其次为光伏应用，太阳能制冷几乎未涉及。重庆市作为全国首批可再生能源应用示范城市，重庆市云阳县、重庆市巫溪县为全国可再生能源应用示范县，先后在学校建筑中开展了大量的太阳能光热应用，为学校提供大量的生活卫生热水，取得了良好的节能效益。

在太阳能光伏应用上，部分学者对太阳能光伏应用进行了研究，李卫平等人针对重庆地区建筑一体化太阳能发电系统经济性进行了分析，由于重庆地区太阳辐射的特点，部分时段连续阴雨天较长，即使是为日耗电量为2.6kW·h左右的普通家庭供电，也需配置较大容量的蓄电池组及峰值功率较高的太阳能电池阵列[4]。丁勇等人针对重庆市太阳能资源进行实际测试与分析对比，结果表明，重庆地区非晶硅太阳能电池板的比功率发电量大于单、多晶硅的比功率发电量，光伏发电成本约为常规发电技术的2～3倍[5]。但是随着太阳能光伏系统规模的增大，规模效应带来了成本的降低。目前，太阳能光伏发电系统存在部分应用，如解放军后勤工程学院绿色建筑示范楼，兄弟装饰公司总部办公楼等。

2 案例分析

2.1 项目概况

该项目为重庆某高校水力实验楼，位于重庆市江津区，该楼主要功能为开展国内各主要水利航道的水力实验研究，截至目前，已获得重庆市三星级绿色建筑设计标识。项目场地周边开阔，无高大建筑遮挡，适合太阳能光伏应用。项目总用地面积15.4万m2，总建筑面积41645.86m2。项目包含4个试验厅，其中1#试验厅地上一层，局部夹层，总建筑面积4184.48m2；2#试验厅为单层结构，局部有夹层，总建筑面积3301.25m2；3#试验厅为单层结构，局部夹层，总建筑面积3116.55m2；4#试验厅为单层结构，总建筑面积31043.58m2。项目在设计建造过程中以三星级绿色建筑为设计目标，综合采用绿色建筑技术措施，实现“四节一环保”，达到三星级绿色建筑标准。项目效果图如图1。

图1 项目效果图

2.2 太阳能光伏发电系统设计

该项目的主要功能为水力实验，根据业主单位提供的数据显示，参考其已有的实验楼，该类型建筑全年单位建筑面积耗电量约为55kW·h/m2，总建筑面积为41645.86m2，每年能耗量约为2290522.3kW·h，按4%的用电量来自于可再生能源计算，则太阳能光伏发电系统发电量不少于91620.9kW·h，据此要求进行设计。

（1）光伏系统选择

目前市面上太阳能光伏发电系统形式较多，根据业主提供的设计资料，太阳能资源条件如表1所示。从表1中可以看出，一年中总辐照量最少时段在春冬季的11-1月份，日平均太阳辐射在1.74～1.93kW·h/m2之间，极少值出现在12月，极大值出现在7月份；最多的时段是夏秋季节的4-8月份，日平均太阳辐射在3.64～4.56kW·h/m2之间。从表1可计算得出，全年平均太阳辐射为1116.9 kW·h/m2。

表1 项目所在地气象资料条件

（2）光伏组件的选择

作为太阳能发电系统的核心部件，太阳能电池组件技术性能和指标对系统的长期稳定运行起到至关重要的作用。一般要求其转换率高，使用寿命长，技术性能稳定；结合业主的需求，及技术性能，该系统选择270Wp/31.5V多晶硅光伏组件，技术参数如表2所示，光伏组件如图2所示。

（3）装机容量计算

通过计算分析，总装机容量需达125.1kWp，共需安装450块270W高效多晶硅光伏组件。

（4）光伏系统平面布置

该项目电气设计中，太阳能光伏发电系统主要供应室内的照明用电，动力用电采用市电，多余电量上网。经核算，该项目共有4栋建筑，结合业主的要求以及太阳能光伏系统相关设计规范，光伏组件安装于3#楼船模及波浪试验厅，并与支架固定在屋面钢结构上，发电系统共30组串，每组串由15块太阳能电池组件串联，每13/7路（不同颜色）并联至1个60/36kW组串式逆变器（图3、图4）。

表2 270Wp多晶硅光伏组件参数表

图2 光伏组件

图3 光伏组件平面布置图

图4 光伏组件局部放大图

2.3 太阳能光伏发电系统发电量计算

根据《光伏发电站设计规范》GB50797－2012第6.6条发电量计算中规定，光伏发电站年平均发电量Ep计算如下：Ep=HA×PAZ×K，式中：HA为水平面太阳能年总辐照量（kW·h/m2）；Ep为上网发电量（kW·h）；PAZ为系统安装容量（kW）；K为综合效率系数。综合效率系数K是考虑了各种因素影响后的修正系数，其中包括：光伏组件类型修正系数；光伏方阵的倾角、方位角修正系数；光伏发电系统可用率；光照利用率；逆变器效率；集电线路、升压变压器损耗；光伏组件表面污染修正系数；光伏组件转换效率修正系数[8]。

根据计算，Ep=1116.9×125.1×0.7=97806.9kW·h。

表3 太阳能光伏发电系统25年发电量计算

根据重庆地区的太阳能资源条件，该项目首年发电量约为97024.4kW·h，随着时间的推移，电池组发电效率的降低，按年衰减率0.8%计算，25年内发电量总数为2206426.6kW·h，25年内年平均发电量为88257.1kW·h。

3 系统经济性分析

3.1 投资回收期分析

经与业主单位沟通咨询，该系统造价约为122.0万元（含材料费、人工费、安装费等）。经计算，系统年均发电量约88257.1kW·h，按电价为0.52元/kW·h计（学校用电），每年可节约电费约88257.1×0.52=45893.7元（4.59万元），根据《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，分布式光伏电站发电实行全电量补贴政策，补贴标准为0.42元/kW·h。则每年的补贴费用为88257.1×0.42=37067.9元（3.71万元），太阳能光伏发电系统的投资回收期为122÷（4.59+3.71）=14.7年，根据目前部分文献数据显示，投资回收期为14.7年时，基本与福建省的太阳能光伏发电系统投资回收期持平[9]。

3.2 节能减排分析

按2017年国家公布的数据计算，每节约1kW·h电，相当于节约0.36kg标准煤，减少污染排放0.272kg粉尘、0.262kg CO2，整个项目太阳能光伏发电系统每年可减少燃煤53.3t，减排粉尘40.3t，减排CO256.5t。

3.3 存在的问题与不足

该项目太阳能光伏发电系统在设计实施过程中，主要存在以下问题：

（1）太阳能光伏发电系统需与建筑主体结构设计同步进行，如在既有建筑上实施，一方面需考虑光伏发电系统设备对建筑荷载的影响；一方面可能对建筑立面或屋面（第五立面）影响较大。该项目屋面造型为曲面造型，在设计过程中需很好地结合屋面造型，将其对屋面的影响降到最低。

（2）重庆地区位于太阳能资源贫乏区，太阳辐射密度低，且阴雨天气多，在年发电量相同时，较拉萨等地区太阳能光伏发电系统装机容量多近50%，造价也高近50%，因此，太阳能光伏发电系统的相对造价较高，投资回收期较长，在重庆地区目前暂未大规模推广。

4 结论

通过对某三星级绿色建筑的光伏发电系统进行设计分析，结合项目实际情况，按可再生能源应用比例不低于4%计算，对项目进行经济性分析，发现该系统每年可节约运行费用8.2万元（含补贴）。并且，光伏发电系统的投资回收期为14.7年，基本与其他地区类似项目持平。因此，在太阳能光伏系统应用过程中，有如下情况时，可考虑采用太阳能光伏发电系统：

（1）在以照明负荷较大、负荷平稳的建筑中，采用光伏发电系统，设备投入可降低系统的复杂程度。

（2）在三星级绿色建筑中，一般均存在可再生能源应用，如建筑无中央空调系统，可考虑采用光伏发电系统，提升绿色建筑的绿色化性能。

该项目光伏发电系统的实施，可为重庆地区其他项目的太阳能光伏发电系统建设提供借鉴。

[1]丁勇，连大旗，李百战.重庆地区太阳能资源的建筑应用潜力分析[J].太阳能学报，2011，32（2）：165-170.

[2]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：17.

[3]重庆市建筑节能协会绿色建筑专业委.DBJ50/T-066-2014重庆市绿色建筑评价标准 [S].重庆市城乡建设委员会，2014.

[4]住房和城乡建设部科技与产业化发展中心.绿色与建筑运行评价标识项目案例集[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：71-76.

[5]李卫平，王维俊.重庆地区建筑一体化太阳能发电系统经济性浅析[J].重庆建筑，2010，9（3）：5-8.

[6]唐爽，丁勇，董孟能，等.重庆地区太阳能光伏发电潜力分析[J].重庆建筑，2014，13（9）：8-11.

[7]重庆市绿色建筑专业委员会，重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室.重庆市建筑绿色化发展年度报告2017[M].北京：科学出版社，2017：21-24.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50797－2012光伏发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2012.

[9]邱寿丰，王库.省域居民分布式光伏发电系统投资回收期研究——以福建省为例[J].闽江学院学报，2016，37（4）：46-55.