四川盆地光伏车棚运行分析

□何 帆 邓 开

一、引言

在全球气候变化及能源经济转型大背景下，发展绿色低碳能源技术、构建以可再生能源为主的现代能源体系已成为国际社会的共识。太阳能光伏发电技术以其能源转换直接、资源丰富、度电成本低等优势已成为可再生能源技术创新、实现碳中和目标的核心技术之一。在过去十年里，随着光伏器件及系统的效率不断增加、成本持续降低，大多数国家太阳能光伏发电的平准化发电成本(Levelized Cost of Energy，LCOE)已经比传统化石能源发电低。截至2020年，全球累计光伏装机容量已达到716GW[1]。国际能源署(IEA)预测太阳能光伏发电将是未来几十年中可再生能源增长的主要推动力，预计2022年后光伏发电每年都会创下发展新纪录。我国光伏发电产业发展起步较晚，但保持高速率发展，截至2020年中国累计光伏装机总量已达到254GW[1]，占到全球总装机容量的30%以上，新增光伏装机容量连续多年位居全球第一。

近年来，住建部、工业和信息化部等部门出台多项文件，积极鼓励光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)及“光伏+”创新应用发展[2]。目前，在我国光照资源较好地区，光伏采光顶、光伏车棚、光伏围栏等光伏创新应用已随处可见，成为推动绿色低碳能源转型、促进绿色经济发展的重要措施。然而，以四川盆地为代表的低光照资源区，光伏应用推进较为缓慢，光伏电站相关数据分析研究较少。本研究以乐山职业技术学院13.5kW光伏车棚为研究对象，分析一个自然年度下乐职院光伏车棚实际发电数据，并与理论发电量进行对比，旨在分析四川盆地地区光伏车棚项目经济效益，为后期四川盆地地区光伏项目建设提供参考。

二、乐山地区光照资源及理论发电量

乐山职业技术学院光伏车棚项目点位于北纬N：29°36′，东经E：103°41′，海拔高度约400m,通过Meteonorm 7.1数据库可以看到该项目点全年水平面累计辐射量约为998.7kWh/m2，如图1所示。PVsyst是一款光伏系统设计辅助软件，用于指导光伏系统设计及对光伏系统的发电量进行模拟计算[3]。本文采用PVsyst6.4模拟计算乐职院项目点倾斜面最大辐射量，可以看到，当光伏组件方位角为0°(朝正南方向)，倾斜角为15°时，组件接收到的累计辐射量最大，为1028kWh/m2，如图2(a)所示。考虑到地形因素，该项目中组件实际方位角为+90°(正西方向)，倾斜角为5°，模拟计算得到实际安装条件下理论辐射量为998kWh/m2，如图2(b)所示，约为最佳倾角下辐射量的97.1%。可以看到，在项目实际安装角度偏离理想安装角度情况下，发电量损失并不大。同时也说明在四川盆地光伏项目建设中，方阵倾角及方位角具有较大的设计窗口。理论发电量反映了在不考虑灰尘遮挡、串并联损失、逆变器效率等影响情况下，光伏组件倾斜面接收到的总辐射量可转化成的电量。根据理论发电量计算公式：理论发电量=系统装机容量×峰值日照小时数，其中峰值日照小时数为倾斜面总辐射量(998kWh/m2)与标准测试条件下光照强度(1,000W/m2)之比，可计算得到乐职院光伏车棚项目理论发电量约为13,473kWh。

图2 PVsyst6.4模拟计算乐职院项目点最佳倾角下理论辐射量(a)及实际倾角下理论辐射量(b)

三、乐职院光伏车棚实际发电数据分析

乐山职业技术学院光伏车棚外观如图3所示，项目建成时间为2020年11月，共由30块450W的光伏组件组成，项目容配比为1.35，光伏装机容量为13.5kW，光伏组件分为两个组串汇入10kW组串式逆变器，逆变后并入乐职院行政楼一楼配电柜。此外，项目还配套有4个7kW的充电桩，实现光伏车棚+充电桩一体化应用，在满足学院公务车停放、充电的同时，可支撑光伏发电专业学生电站实训教学。

图3 乐职院光伏车棚外观:(a)正视，(b)俯视

本研究通过逆变器监控系统对乐职院光伏车棚2021年1月至2021年12月每月发电数据进行统计，如图4所示，可以看到该项目全年累计发电量为11468.2kWh，根据等效利用小时计算公式：等效利用小时=系统总发电量/系统装机容量，可计算得到全年等效利用小时数为849.5h,其中5月份发电量最高，达到了1349.89kWh,12月份发电量最低，仅为505.56kWh，这与Meteonorm 7.1得到乐职院项目点光照资源数据基本一致。光伏电站系统效率PR(Performance Ratio)定义为系统实际交流发电量与理论直流发电量之比，该参数考虑了光伏电站入射能量、直流侧、交流侧等环节能量损失，较好反映了光伏电站的综合性能和运行质量[4]。根据光伏电站系统效率计算公式：系统效率=实际发电量/理论发电量，可以计算得到，乐职院光伏车棚项目PR值约为85.1%。

图4 2021年乐职院光伏车棚每月发电数据

四、乐职院光伏车棚经济效益分析

考虑到支架材料差异、施工难度差异、组件价格波动等因素影响，光伏车棚成本存在一定波动[5]，总体而言，目前普通光伏车棚成本可降至7元/W以下。光伏车棚设计寿命为30年，结合乐山地区电价可以估算得出，在运行良好的情况下，该光伏项目十余年可收回建设成本。此外，以目前主流新能源汽车一度电可行驶7公里进行估算，可以发现该项目全年发电量可供新能源汽车累计行驶约80,000公里，可较好满足4辆新能源汽车全年供电需求，通过该项目可实现减排二氧化碳约12.43吨。另外，光伏车棚的使用可以降低夏季车棚下汽车温度，增加夏季汽车使用舒适性。同时，作为校企共建项目，乐职院光伏车棚还可以支撑光伏发电专业学生电站实训教学，可减少学院教学电站建设投入。因此，可以看到，该光伏车棚的建设契合“双碳”目标下绿色发展理念，具有较大的社会及经济效益。

五、结语

相对于其他发电形式而言，太阳能光伏发电具有转换直接、资源丰富、分布均匀等优点。乐职院光伏车棚项目将太阳能光伏利用与绿色电力需求结合，扩大、创新太阳能光伏应用场景，同时促进了科研、教育和产业的结合。通过对乐山职业技术学院13.5kW光伏车棚运行数据分析可以发现，尽管项目点光照资源较差，全年水平面累计辐射量不足1,000kWh/m2，但是仍然具有较好的社会和经济效益。其中，该项目全年累计发电量达到11468.2kWh，可实现减排二氧化碳约12.43吨，可满足4辆新能源汽车全年供电需求。因此，四川盆地仍然具有发展光伏应用的潜力，特别是随着光伏发电进一步降本增效，“光伏+”应用必将成为推动绿色低碳能源转型、促进绿色经济发展的重要措施。