太阳能并网发电示范项目在公共文化设施中的运用探讨——以山东博物馆为例

杨汝俊，范宗强，马永玲

（山东博物馆山东，山东 济南 250014）

随着生态环境恶化和能源危机的到来，太阳能的开发利用引起世界各国的高度重视。2019年，我国发展改革委和能源局着手推进光伏发电无补贴平价上网项目建设。山东位于太阳能资源较富区，具有天然开发优势。山东博物馆太阳能光伏并网发电系统是可再生能源应用示范项目，研究该项目的运行实况可以为推进太阳能在文化设施中的应用提供实际经验和理论指导，具有重要意义。

1 文化设施能耗现状

近年来，随着我国公共文化服务体系建设工作的推进，完善的公共文化工程和文化项目建设成为提高公共文化服务水平的重要保障。

文化设施的主要功能是承担文化艺术的宣传和氛围营造，提供空间使用服务。建筑体内的功能区主以展览、阅读、宣教、赏析为核心内容，鉴于展品展示的客观需要、阅读或观展的舒适度标准，人工照明需要调节较高的照度、合适的色温，照明耗能数量巨大，科学有效的节能降耗成为新建或既有文化设施升级改造中的必答题。采用太阳能光伏发电技术，既能承担一定的电力供应，又可减少环境污染，应用优势凸显，已引起业界人士的高度重视。

2 太阳能光伏并网发电项目

山东博物馆太阳能光伏并网发电系统位于建筑物顶层，屋顶设施有机房、竖井和穹顶、安装风机等设备。为科学利用空间，太阳能光伏并网发电系统采用高度3.8m的H型钢做钢结构平台，把电池板架在平台上；采用4#热镀锌角钢制作电池板三角支架，固定安装角度为35°，阵列不遮挡间距设计为1120mm，阵列建筑布局实施面积约7100m2，所有的电池板朝向正南方，既不影响建筑本体的外观效果，又可以最大限度地利用太阳能。

光伏矩阵采用标准功率为180Wp的多晶硅光伏组件，规格为1580mm×808mm×35mm，峰值电压为35.5V，峰值电流为5.07A，短路电流5.45A，开路电压44V，13块或12块串接，共计39组2500块，总装机容量429kWp。配电系统的主设备选用39台德国SMA品牌（型号：11000TL-10）全智能逆变器。楼顶室外安装逆变器21台，机房室内安装18台。机房选用3台低压汇流柜，1台并网逆功率保护柜，作为交流电源的回流、控制、分配及保护。

3 仿真计算

PVSYST是一款光伏系统仿真模拟软件，内嵌丰富的气象资源库、国内外光伏组件和逆变器数据库等，可以分析影响系统发电量的各种因素，计算理论发电量。山东博物馆太阳能光伏并网发电系统2010年7月正式启用发电，经现场发电试验测算，太阳能光伏电池板光电转换效率计为14%。结合具体实施情况设置模型参数，光伏电池板的发电能力按照第一年衰减2.5%，后续每年的衰减量增加0.8%，采用山东省济南市典型气象年的气候数据，应用软件建立仿真模型推算发电量，见图1。首年实测发电量和理论发电量的对比见图2。

数据分析：

由图2可见，理论值和实测值的首年发电变化规律一致。3～6月发电量最高，此时正值雨季前期，空气干燥，大气透明度好，日照资源最丰富；7～10月进入雨季，日照百分率相对较低，发电量减少；11～次年2月间进入冬季，日照时间明显下降，发电量最低。对比理论值和实测值，除投入运行的第一个月发电量偏差较大外，其他月份波动较小。将光伏电站的实测数值与软件理论数值总体做相关性分析，可以看出，项目实测发电量与理论发电量的相关系数r=0.7695，相关程度较高，即采用PVSYST软件对光伏电站发电量具有良好的预测性。

图2

软件模拟全年日照总辐射量时，选取源于NASA数据库的典型气象年进行测算，并非实际天气情况，日照时数、太阳辐射量、温度等气象因素的变化对发电量产生了较大影响，是理论值和实测值产生数据差异的主要原因；另外，在实际运行时，受设备运行状态、线路损耗、组串损耗和逆变器损耗等设备设施因素的影响，实际发电数据也会产生差距；最后，软件理论计算时选取的太阳能光伏电池板光电转换效率为恒定值，实际上，电池板表面尘埃遮挡损失、不可利用太阳辐射损失等因素均为变量，因此，光电转换效率应是变量值。

4 应用优势

4.1 屋顶空间优势

根据建设规模，光伏并网发电系统可分为分布式和集中式两种，分布式光伏发电主要应用于屋楼顶、工业厂房和蔬菜大棚等地方。作为展示文化建设成果、开展群众文化活动的重要物质载体，博物馆、图书馆、文化馆、美术馆等文化基础设施拥有广阔的平层面积，屋面可利用空间丰富，具备光伏发电项目应用推广的空间优势。光伏电站可结合负荷需要和场地空间等具体情况灵活确定装机容量。

4.2 太阳能有效利用

场馆设备设施日常工作的用电高峰期是白天，夜晚要求很低，与太阳能光伏发电的工作时间十分吻合，可以对太阳能合理有效地利用。光伏电源位于用户侧，采取就地随发随用的方式，节省了长距离大容量的输电线缆和线损，而且故障可以随时维修处理，节约时间，能够提高电站的利用率。

4.3 并网优势

分布式光伏发电系统较多应用于城市建筑中，采用合理的并网方案即可实现与市电联网。山东博物馆采用支路式并网光伏系统将光伏电池矩阵串联起来，接到并网逆变器输入端，通过逆变器输出230/400V、50Hz交流电，并入馆内配电箱交流母线，与市电并联运行。在电站电量充裕时可由电力公司购买多余电量；电量不足时，则由市网补充供电。

4.4 绿色环保

并网发电系统，不带蓄电池，能够避免蓄电池带来的二次污染，节省蓄电池占用的空间，降低电站投资和维护费用。众所周知，蓄电池存储容量有限，其放电深度将会影响其寿命，放电深度越大，使用寿命就会相应缩短；而过小的放电深度又会造成蓄电池容量的浪费。

5 结语

《公共建筑节能设计标准（GB50189-2015）》提出，公共建筑设计宜充分利用太阳能。本文通过山东博物馆太阳能光伏并网发电系统运行实况和PVSYST仿真模型的对比分析，得出PVSYST软件对光伏电站发电量具有良好的预测性，太阳能光伏发电技术能够带来可观的社会效益和经济效益，在大型公共文化建筑中具有独特的应用推广优势。