某高校屋顶太阳能的利用规划

席正飞，李小华，刘向龙，曹桂芳，郭 力

(湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104)

某高校屋顶太阳能的利用规划

席正飞，李小华，刘向龙，曹桂芳，郭 力

(湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104)

进入21世纪后，随着经济的高速发展，导致能源消耗急剧增大，目前化石能源的过度开采对可持续能源造成了一定威胁，亦对生态环境造成了极大的破坏，因此运用绿色清洁能源势在必行。某高校屋顶空间面积大，基本都处于空置状态，每年用能量呈现递增趋势。鉴于此在屋顶搭建太阳能光伏发电装置，有利于大大节约能源，并对太阳能光伏发电系统的搭建进行了可行性分析及经济性评估，且对建成后的发电装置节能性效益进行了预测。

能源消耗；节能；太阳能光伏发电；节能效益

世界经济的发展进入21世纪以来，各国对能源的消耗与日俱增.众多不可再生能源的消耗殆尽和环境污染问题的日益严重，已成为制约人类社会可持续发展的两个关键性因素.当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力.太阳能作为一种可再生能源，拥有其他能源不可比拟的优势，因此开发和利用太阳能，对于缓解能源危机和环境污染有着重大的现实意义[1].

煤炭、石油、天然气等化石能源是20世纪人类社会利用的主要能源[2].作为人类社会经济和文化发展的主要动力，能源的危机日益加重.调查数据显示：到2005年底，全世界化石能源储量已经告急，其中煤炭的平均剩余储量可开采约227年，石油剩余储量可开采仅43.9年，天然气则约为61年[3].据估计，我国的化石能源在未来一百年内即将枯竭.近年来，我国经济快速发展，对重工业的发展力度加大，工业产业结构向重型化方向转型.为了保证我国国民经济健康、快速、可持续的发展，解决能源问题已经刻不容缓，成为决定我国经济发展的首要问题[4-5].

正是在这样的背景下，世界各国相继采取措施，积极寻找替代性可再生绿色能源来缓解能源危机、保护环境以实现人类的可持续发展.

我国目前国情下，高校不仅是当今社会的重要组成部分之一，也是社会用能大户.截止至2014年全国共有普通高等学校和成人高等学校2600多所，在校学生人数高达3280万人，占全国城镇人口的5.3%，能源消耗总量占全国社会总能耗的10%.大学生人均能耗明显高于全国居民人均能耗，全国大学生的人均能耗和水耗分别是是全国居民平均值的4倍和2倍.校园建筑数量庞大，高校类型多样，能耗结构不尽相同，各校的建筑类型繁多，不同地区不同建筑类型的能耗水平参差不齐阵.尤其是在20世纪90年代开始的大规模院校合并，招生人数扩招的背景下迎来了校园基础设施建设的高峰期，而节能环保意识薄弱导致了校园设施量大面广，资源能源消耗大，校园能源管理者知识水平较低，基础数据严重缺失，能源管理比较粗放，严重制约着校园节能工作深入持久的发展.

教育部于2007根据党中央、国务院的部署，就高等院校建设低碳节约型校园问题专门发文《教育部关于建设节约型学校的通知》，标志着高校校园节能减排工作开始实施，节能减排将成为全国校园建设的一大主题.从2008年开始，住房与城乡建设部、教育部和财政部联合国内正在建设节约型校园的高校，积极开展节能意识培养、新技术应用、管理等方面的研究工作[6].

根据某高校2013～2015年水、电消耗统计，在2013年度学校水、电费仅有2911977.3元人民币，2014年度学校水、电费就到了3256422.8元人民币，2015年度的水、电费就直接到达了3504265.5元人民币，近三年学校用电量持续增加，除了滨江公寓群的投入使用外，各类用电设备逐年增加，缺乏统一监测和管理也是造成用电量激增的一个重要因素.同时，在校学生已达2.02万人，数量巨大，从早到晚，学生公寓、教室、办公用房、食堂、科研实验室、澡堂等处水的消费量庞大，浪费量更是庞大，近三年学校的用水量也在不断增加.

如何减少这笔能源消耗进行开源节流，本文展开了对屋顶光伏发电的一系列规划进行可行性分析及经济性分析研究.

1 湘潭太阳辐射情况分析

1.1 湖南年总辐射空间分布

利用1993年-2010年的太阳辐射观测资料，使用目前公认最有效气候学方法对我省年太阳总辐射进行推算，并绘制出湖南年太阳总辐射分布图.

如图1所示，湖南省年太阳总辐射在3200～4600 MJ/m2之间，以湘东北洞庭湖区年总辐射较多，湘西山区较少，超过4200 MJ/m2的高值区出现在包括安乡、岳阳、华容、澧县、临湘、汨罗、湘阴、沅江等县市在内的洞庭湖区以及汝城、宁乡等地，低于3600 MJ/m2的低值区出现在包括保靖、龙山、桑植、永顺等县市在内的湘西北地区以及凤、新晃等地，其他大部分地区的年太阳总辐射在3600～4200 MJ/m2之间；4000 MJ/m2分界线大致位于东经111°～112°之间，呈南北走向，将湖南一分为二，东半部多于西半部.

图1 湖南年太阳总辐射分布图

1.2 湘潭市太阳辐射量情况

根据中国气象局风能太阳能资源评估中心通过对全国地面太阳能辐射和气象影响因子的综合分析，从太阳能资源分布图可以看出，湘潭市年平均总辐射在4190～5016 MJ/m2之间.根据我国太阳能资源区划标准，湘潭市属于四类区，可以利用的太阳能资源较为丰富.项目所在地多年平均逐月太阳辐射量情况如图2所示.

图2 湘潭市逐月太阳辐射量情况

2 情况分析

某高校现有主校区和南校区2个校区，其中主校区又分为新校区和北苑.学校校园总面积为108万m2，其中建筑面积52万m2.建筑物的总屋顶面积为109255 m2，具体情况如图3所示.

图3 某高校各建筑光伏安装容量

3 太阳能光伏设计

某高校现有屋顶总面积为11万m2，能够放置光伏板(太阳能电池)的有限面积约为5万m2，如果采用规格为1.63 m2的太阳能电池(1640×992×40)，则搭建屋顶太阳能发电装置所需太阳能电池的数量为：

太阳能电池的数量=50000/1.63=30675块

搭建屋顶太阳能光伏发电装置的的装机规模为(每块太阳能电池的功率为255 W考虑)：

255×30675=78 MW

该太阳能发电系统由太阳能电池、防雷汇流箱、直流配电箱、并网逆变器、交流配电柜及其他附属设备构成，没有储能装置.各主要设备清单如图4所示.

图4 光伏系统构成示意图

本项目使每个区域进行并网发电，并入低压配电网，所发电量自发自用，余电上网.有阳光时，光伏发电系统将所发出的电馈入电网，并供负载使用，没有阳光时不发电，负载直接从电网取电.当电网发生故障或变电站由于检修临时停电时，光伏电站也会自动停机不发电；当电网恢复后，光伏电站会检测到电网的恢复，而自动恢复并网发电.

表1 主要设备清单

3.1 太阳能电池选型

光伏组件的类型可按下列条件选择：

(1)按地区太阳辐射强度、气候气象特征、项目地区因素.

(2)在项目太阳辐射强度高的地区可选用晶体硅光伏组件或聚光组件.

(3)在项目太阳辐射强度低的地区可选用薄膜光伏组件.

本项目经由以上因素进行考虑，采用255 W多晶硅太阳电池组件，组件性能如表2所示.

表2 组件基本参数

3.2 监控测量系统

太阳能光伏发电监控测量系统可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监控和控制.

图5 光伏系统监控方案图

监控测量系统可通过数据采集器采集各设备相应的运行参量，可通过本地显示如下参量：

(1)直流信息：直流电压，各支路直流电流，直流输入功率；

(2)交流信息：输出电压，输出频率，输出电流，输出功率，功率因数；

(3)累计信息：日累计发电量(有功、无功)，累计总发电量(有功、无功)，累计发电量(按月、年查询)，累计CO2减排量；

(4)告警信息：逆变器的当前告警信息和历史告警信息(包括电网电压过低、电网频率过高、电网频率过低、直流电压过高、逆变器过温、逆变器故障、风扇故障、逆变器孤岛、CAN通讯失败等)；

(5)环境信息：当前辐照度，温度，风速，风向等.

可通过本地调度中心控制各设备的运行，可设置和控制如下参量：

(1)设置参量：逆变器时间和日期，逆变器通讯参数；

(2)控制参量：逆变器开关机，逆变器输出有功功率降额，逆变器输出无功功率调节(功率因数和无功功率方向.

4 节能性经济评价

光伏电站是将当地的太阳能转变为电能的过程.不需要消耗其它一次性化石能源，不会对环境造成严重污染，属于环境友好型能源.太阳能的节能效益主要体现在光伏电站运行时不需要消耗其他常规能源，只需要太阳能辐射强度足够，就能源源不断的进行运作.

每节约 1kWh电，就相应节约了0.4 kg标准煤，同时减少污染排放0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.272 kg碳粉尘、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015 kg氮氧化物(NOX).(公式)

根据本项目情况，每年总能量输出可计算：

E=I*e*A

其中，I为学校屋顶面积年总辐射量平均值，e是光伏板效率.

然后，将得到的年总量与某高校年总用电量进行比较，得到学校屋顶太阳能光伏发电的潜力：

式中P表示光伏潜力，E表示屋顶太阳能年总输出量，ER表示学校实际年总用电量.

图6 项目各年发电量计算表

在本项目中平均辐射量为3.3 kWh/m2·d，光伏阵列功率为7800 kW，光伏系统总效率为78%，光伏组件年衰减率为0.8%，某高校屋顶光伏电站项目建成后，25年内系统累计发电量约为16639万 kWh，节约标准煤59900 t，减少CO2排放量165891 t，减少碳粉尘排放量45258 t，减少SO2排放量4992 t，减少氮氧化合物排放量2496 t.建设本工程可以减少化石资源的消耗，实现经济与环境的协调发展，项目节能和环保效益显著.

投资成本估算本项目计划投资30675块太阳能能源电池加上部分附属设备，根据现有通用的光伏发电的投资成本估算方法，一般按照每kW7000元考虑，则总投资成本约为：

总投资成本=7800*7000=5460万人民币

本项目直接运营成本包括：运行人员工资、维护费用、修理费用及项目管理费用.

图7 运营成本构成

由图7可得，每年总运行费用为30.38万元/年，分布式光伏电站的运营期一般是25年，根据项目所在地的太阳能条件，可估算出项目25年的平均发电量为665 WkW时，则从静态回收期来说，按照每度电1元人民币，则回收期为：

回收年限=5460/(665*1-30.4)=8.6年

根据财政部、国税总局联合下发的《关于促进节能服务产业发展增值税营业税和企业所得税政策问题的通知》(财税[2010]110号)，对符合条件的节能服务公司实施合同能源管理项目，取得的营业税应税收入，暂免征收营业税.节能服务公司实施符合条件的合同能源管理项目，将项目中的增值税应税货物转让给用能企业，暂免征收增值税. 企业所得税方面，《通知》明确要求，对符合条件的节能服务公司实施合同能源管理项目，符合企业所得税税法有关规定的，自项目取得第一笔生产经营收入所属纳税年度起，第一年至第三年免征企业所得税，第四年至第六年按照25%的法定税率减半征收企业所得税.

5 结 论

(1)在屋顶实施太阳能光伏计划，安装1.63 m2太阳能电池板，前期预计投资5460万元，按照计划实施可在9年左右回收，本项目实施后，增强了地区的太阳能利用，降低了能耗，增强了可持续发展.

(2)建成后，建成后该系统在25年内累计发电量约为16639万kWh，同比节约标准煤59900 t，减少CO2排放量165891 t，减少碳粉尘排放量45258 t，减少SO2排放量4992 t，减少氮氧化合物排放量2496 t.建设本项目可以减少化石资源的消耗，对环境的保护和对经济的促进作用显著.

(3)本项目建成后，不仅对学校空置屋顶进行了利用，而且不会影响学生生活，减少对地方资源的依赖，节约资源，为学校的可持续发展也能起到一定的促进作用.

[1] 王东娇.太阳能光伏发电控制技术研究[D].中北大学硕士学位论文,2010.

[2] 杜晓伟,路正南.我国可持续性发展过程中能源问题的战略选择[J].商场现代化,2006: 332-333.

[3] 杨名舟.中国新能源[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[4] 齐益群.浅谈太阳能在建筑中的应用与发展机[J].中小企业管理与科技，2012(9):151-152.

[5] 李文华.新时期国家能源发展战略问题研巧[D].南开大学硕士学位论文，2013．

[6] 柴小茹.太阳能利用技术及其发展趋势[J].新农村，2010(10):104-106.

[7] 沈 义.我国太阳能的空间分布及地区开发利用综合潜力评价[D].兰州大学硕士学位论文,2014.

UtilizationandPlanningofRoofSolarEnergyinSomeUniversity

XI Zheng-fei,LI Xiao-hua,LIU Xiang-long,CAO Gui-fang,GUO Li

(School of Architecture Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

After entering the 21th century, the world economy is developing rapidly, which results in the in crease of energy consumption. The current use of fossil fuels not only causes a certain threat to the sustainable energy, but also great damage to the ecological environment caused great. So it is imperative to use clean green energy. Some college and universities have the conditions and resources of solar energy that can be used. On one hand, the roof space is larnge and basically vacant; on the ather hand, energy comsumption shows a constantly increasing trend. So the installation of solar photovoltaic power generation device on the roof of the school house not only can reduce the energy consumption of the school, but also save energy to some extent. Feasibility analysis and economical evaluation on the building of solar photovoltaic power generation system are done and the prediction on the energy efficiency is also made.

energy consumption;energy conservation;solar photovoltaic power generation;energy efficiency

TU114

A

1671-119X(2017)03-0083-06

2017-03-30

湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ5011).

席正飞 (1993-)，男，硕士研究生，研究方向：新能源技术及应用.

李小华(1972-)，男，教授，研究方向：新能源技术及应用、绿色建筑与建筑节能.