上海高校分布式光伏系统建设的探索与实践

支 琴 姚仁忠 郝 存上海交通大学



上海高校分布式光伏系统建设的探索与实践

支 琴 姚仁忠 郝 存
上海交通大学

摘要：从分布式光伏系统应用的特点出发，解读了国家对分布式光伏项目建设的政策支持，分析了上海高校的地区资源。并以上海交通大学开展分布式光伏系统的建设实践为例进行了技术探讨。

关键词：高校；分布式；光伏

在普遍被大家认可的分布式光伏系统走进工业企业，走进居民家庭的今天，分布式光伏系统是否也可以走进高校呢？特别是作为屋顶、校园空地等资源较为丰富的高校，实际情况是并没有得到有效利用，这是学校管理者需要认真思考的问题。

本文以上海交通大学为例，利用己有屋顶资源，从政策配套应用、己有资源分析、技术路线选择等方面探讨上海高校开展分布式光伏系统的建设。

1　分布式光伏发电项目的推进

1.1应用分类

国家能源局将分布式发电系统定义为：用户附近，装机规模较小，电能主要由用户自用和就地利用的可再生能源、资源综合利用发电设施或有电力输出的能量梯级利用多联供系统，并网电压等级在10 kV及以下。具体分类如图1。

图1　分布式光伏发电系统

目前，根据国家政策和系统性价比，10 kV及以下，单个并网点容量小于6 MW的并网光伏发电系统的应用最广。

1.2政策支撑

2013年，国家相关部门出台大量分布式光伏发电政策，以此来激励和推进分布式光伏发电系统项目的发展。主要政策如下。

（1）分布式发电管理暂行办法（发改能源［2013］1381号） ；

（2）关于分布式光伏发电实行按照电量补贴政策等有关问题的通知（财建［2013］390号） ；

（3）关于印发分布式光伏发电并网方面相关意见和规定 （2013年国网印发修订版）；

（4）关于开展分布式光伏发电应用示范区建设的通知（国能新能［2013］296号）；

（5）关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知（发改价格［2013］1651号）。

这些政策，使并网难的问题得以缓解，电网接入申报及核准有章可循。

2013年8月，国家发展和改革委员会发布“关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知（发改价格［2013］1651号） ”，明确对分布式光伏发电项目，国家按0.42元/kWh实行全电量补贴，为期20年。同时按照新版的 《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》，根据发电量可获得为期5年的奖励。分布式光伏的“度电补贴”金额为工、商业用户0.25元/kWh，个人用户0.4元/kWh，由电网企业转付。其中，余电上网电量，电网企业按当地燃煤机组标杆上网电价收购。

1.3气象资源分析

该项目拟建地点位于上海交通大学闵行校区，经度121.44，纬度31.05；海拔高度4 m。辐照参数依据收集的NASA地面气象和太阳能观测数据。如表1所示。

表1　上海交通大学闵行校区气象数据

从上表中可以看出，年平均日辐照度在3.81 kWh·（m-2·d-1）左右。年平均温度15.6℃，其中1月为最小，平均气温在4.8℃左右；7月最热，平均气温为25.8℃。年平均风速在5.6 m/s左右，其中5月份风速最低，平均风速在5 m/s左右；1月和2月风速最大，平均风速在6.2 m/s左右。该地区属亚热带海洋性季风气候，主要气候特征是：春天温暖，夏天炎热，秋天凉爽，冬天阴冷，全年雨量适中，季节分配比较均匀。总的说来就是温和湿润，四季分明。这样的气象资源较为适合分布式光伏项目的开展。

2　分布式光伏系统技术方案

上海交通大学项目包括：101 kWp光伏发电系统。其中太阳能光伏发电系统依托屋顶结构，系统并网电压380 V。项目集教学、科研、示范于一体，能够体现光伏组件、逆变器等硬件的集成、测试、监控等多个方面，是一个涉及到材料、机械、物理、电子、电气等多个学科综合研发的平台。系统采用“自发自用、余电上网”模式，对校内设施供电或是并网供给其他用户。

2.1系统架构

综合各项要求及对各种组建方式的分析，制定了组建方案架构如图2所示。

图2　光伏分布式系统结构示意图

该电网系统的组成有：容量为101 kWp光伏发电系统、配电系统、并网及测控系统。主要设备有：太阳能电池板、光伏并网逆变器含隔离变压器、智能电网保护测控装置。

2.2系统设计

2.2.1设计原则

（1）考虑建筑物的周边环境，尽量避开或远离遮荫物

为了增加光伏阵列的输出能量，应尽量避免太阳电池板之间互相遮光及被高塔、屋顶边缘及其他障碍物遮挡阳光。

（2）确定最优的太阳电池组件朝向及倾角

太阳电池组件不同的倾角及朝向，所发电量不同，一个地区会有最佳的倾角及朝向可使太阳电池组件发电量达到最大（通过专业的计算软件得到）。

（3）考虑太阳电池组件的通风，尽量保证通风良好

应当注意太阳电池组件的通风设计，以避免太阳电池温度过高造成发电效率降低（晶体硅太阳电池的结温超过25℃时，每升高一度功率损失大约千分之四）。太阳电池的温升与安装位置和通风情况有关，保证太阳电池组件良好的通风，有助于提高太阳能发电系统的整体效率。

（4）根据建筑形态及组件大小确定组件排布方案进而确定逆变器

根据建筑形态及组件的大小，计算每一个屋面可以安装的组件总数及排列方式。根据逆变器输入直流电压，确定每组可串联的总数，由于每一个屋面的朝向不同，光照量和光照时间都不同，一般一个屋面对应一个逆变器，以提高逆变器的效率。

（5）合理设计尽量减少电缆长度

减少电缆长度，可以减小线路上的电压降损失，提高系统的输出能量；减小电缆尺寸，可以降低成本，同时减轻屋顶负荷并增加灵活性。所以从太阳电池到接线箱、接线箱到并网逆变器以及并网逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能保持在最短距离。

（6）安全性

应考虑太阳电池组件在屋面安装时对屋顶载荷的影响，包括太阳电池板自身载荷和抗风、抗冰雹冲击能力、防雷等工程应用问题，保证光伏系统与建筑安全可靠。

2.2.2光伏组件选择

太阳能电池材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅（薄膜）等。单晶硅的转换率12%～19%，是太阳能电池中转换率最高的一种，但安装位置要求较高；而薄膜电池虽然转换率不高，但安装位置要求低，受光照影响也较低，因此，根据组件安装地的位置，综合电池的转换效率等可选用不同的电池组件。本项目选择了薄膜电池组件。

2.2.3光伏组件排布

光伏系统在设计时需考虑冬至日8：30～15：30时段内无遮挡，因此在光伏系统设计时，需在满足建筑要求的情况下，通过排布位置及分区逆变的方式最大限度的降低阴影遮挡的影响。同时由于建筑构件本身存在遮挡，组件排布要进行一定的规避，本设计采用10°倾角排布，光伏组件可安装面积较大。

2.3并网逆变器设计

并网逆变器是光伏并网系统中的重要器件，它的作用是将光伏系统发出的直流电转化为与电网同电压、同相位的交流电，这样就可并入电网为负载供电。

光伏并网逆变设计一般采用组串式和集中式两种。组串式并网可就近布置，不需要固定场地，人力即可完成安装；一台有故障，对整体冲击小；布置要求性不高；电站定期除尘相比时间可以稍长。而集中型并网具有木桶效应，对脏污、阴影、老化、升温、热斑等现象将无法集中型的布局无法避免木桶效应。因此本系统采用组串式设计。

由于本系统实施的屋面较为分散，且存在不同的光伏组件规格及安装方式，因此我们配置5 台20 kW逆变器。

2.4光伏系统电气设计

根据并网逆变系统的配置电气设计共分为5个电气子系统，具体如图3。

图3　东上院光伏系统电气图

5个光伏子系统经交流配电柜分别就近接入低压侧（380 V）电网，通过监控系统监控及调度。

2.5监控系统设计

分布式发电系统需配备完善的系统工作及环境参数监控装置，完成光伏系统工作参数的采集和监控，以便与控制系统进行通信。

2.5.1监控系统配置

并网项目配置1套监控装置，主要包括：监控用工业控制机、网络版监控软件和液晶显示装置。系统采用独立监测系统检测并网电站运行状况，利用工业控制机采集数据，可以连续每天24h不间断对所有的并网逆变器进行运行数据的监测。

2.5.2系统功能

分布式光伏系统可连续记录运行数据和故障数据。具有以下特点：

（1）检测电站运行参数，可实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图；

（2）可查看每台并网逆变器的运行参数，主要包括：直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、交流电流、逆变器机内温度、时钟、频率、功率因数、当前发电功率、日发电量、累计发电量、累计CO2减排量、每天发电功率曲线图；

（3）监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息主要包括：电网电压过高、电网电压过低、电网频率过高、电网频率过低、直流电压过高、直流电压过低、逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路、散热器过热、逆变器孤岛、DSP故障、通讯失败等；

（4）具有集成环境监测功能，主要包括日照强度、风速、风向、室外和室内环境温度和电池板温度等参量。

3　效益分析

项目地屋顶面积1 800 ㎡，装机容量101 kWp。2015年6月开始实施，9月正式并网，目前项目运行良好。

3.1系统发电量

分布式发电系统的寿命很长，太阳电池组件寿命在20～25年，逆变器寿命在12年以上，而且在20年到期之后，太阳电池组件仍然有设计功率80%的发电功率，可以继续并网发电。

根据系统运行历史数据监测，本项目首年发电量为10.95万kWh，全部就地消纳。

3.2经济效益

按照上海交通大学的用电电价0.641元/kWh计算，年节约电费7万元，同时可申领国家补贴0.42 元/kWh，上海市补贴0.40/kWh，补贴共计9万元。本系统总投资90万元，预计6年回收成本。

3.3社会效益

按照光伏组件的寿命以25年计，结合首年实际发电量，25年节能情况如表2所示。

表2　25年节能减排情况统计

4　结语

上海交通大学东上院分布式太阳能光伏发电系统的实施充分利用了学校屋顶的空间资源，合理规划和使用了清洁的、可再生的太阳能资源，对于减少大气污染排放，保护环境具有一定的作用，社会效益及环境效益良好，取得了节能减排的效果。由于屋顶资源有限，该项目装机容量不是很大，但作为分布式光伏走进高校的一个典型示范，不管是在政策的响应、技术路线的选择等方面均进行了一定的探索，对于屋顶等资源相对比较丰富的高校在开展节能减排专项应用等方面提供了参考。

Exploration and Practice of Distributed Photovoltaic System Construction in Shanghai Colleges and Universities

Zhi Qin，Yao Renzhong，Hao Cun
Shanghai Jiaotong University

Abstract：The article is based on characteristics of distributed photovoltaic system application to interpret national policy support for distributed photovoltaic project construction.It also analyzes regional resource of Shanghai colleges and universities.It takes an example of Shanghai Jiaotong University distributed photovoltaic system construction practice to carry out technical discussion.

Key words：Colleges and Universities，Distributed，Photovoltaic

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.002