1、校园太阳能光伏发电建设项目可行性研究报告XX工程咨询有限公司二零XX年XX月XX项目可行性研究报告建设单位：XX建筑工程有限公司建设地点：XX省XX市编制单位：XX工程咨询有限公司20XX年XX月可行性研究报告编制单位及编制人员名单项目编制单位：XX工程咨询有限公司资格等级： 级证书编号：（发证机关：中华人民共和国住房和城乡建设部制）编制人员： XXX高级工程师XXX高级工程师XXX高级工程师XXXX有限公司二XX年XX月XX日目录第1章绪论11.1概述11.2研究背景31.2.1光伏发电相关政策31.3研究目的和意义61.4研究概况及主要结论7第2章高校光伏应用的条件分析112.1高校屋顶资2、源112.2高校能源消耗132.1.2.1 照明耗能高142.1.2.2 取暖、制冷能耗大142.1.2.3 浪费行为严重152.3 高校光伏发电应用优势162.3.1 校园规划优势162.3.1.1 科学选址162.3.1.2 集中布局、合理分区162.3.1.3 充分利用空间资源172.3.2 建筑设计优势172.3.2.1 屋面布置优势172.3.2.2 建筑结构优势182.3.3 建筑用能优势192.3.3.1 调峰稳压192.3.3.2 降低负荷192.4 本章小结20第3章 高校光伏发电的方案设计203.1 高校建筑光伏发电系统的设计203.1.1 设计流程与要点203.1.1.13、 设计流程203.1.1.2 设计要点213.1.2系统组成243.2 高校建筑屋面光伏发电系统的结构设计273.2.1 独立基础式283.2.2 条形基础式293.2.3 负重基础式303.2.4 全钢可调式313.2.5 网基式导流板式323.2.6 工程塑料固定式333.3高校建筑光伏系统的并网设计343.3.1 并网优势343.3.2 并网影响353.3.2.1 对电能质量的影响353.3.2.2 对配电网的影响363.3.2.3 对电网调度的影响383.3.2.4 其他影响383.3.3 光伏局域并网系统与常规电网的智能设计研究393.3.3.1 寒暑假期间光伏电力并网设计393.34、.3.2 暑假期间电池蓄能414.5 本章小结42第5章 运营模式分析425.1 高校建筑光伏系统的可持续性分析425.2 运营模式分析435.3 本章小结46第6章高校光伏发电项目的典型案例476.1 项目背景及条件476.1.1 项目背景476.1.2 地理、环境条件486.2 建设概况486.2.1 项目情况486.2.2 阵列系统设计496.2.2.1 光伏组件设计496.2.2.2 光伏阵列设计526.2.2.3 光伏并网设计566.2.3 安装结构设计576.2.3.1 混凝土基础586.2.3.2 支架计算586.2.4 电气安全616.2.4.1 低压并网防逆流的解决616.25、.4.2 “孤岛”效应保护626.2.4.3 防雷保护626.2.5 在线监控636.4 经济及环境评价646.4.1 经济效益646.4.2 环境效益716.5 本章小结72第7章 总结72第1章绪论1.1概述在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。美国提出“太阳能先导计划”旨在降低太阳能光伏发电的成本，并在2015年达到商业化竞争的水平；日本提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，在2020年让光伏发电做到商业化竞争。“十二五”期间，我国太阳能发电装机规模6、增长168倍，超越所有可再生能源发展速度，提前半年完成“十二五”规划提出的3500万千瓦装机目标。数据显示，截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量4318万千瓦，超越德国成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中，光伏电站3712万千瓦，分布式606万千瓦，年发电量392亿千瓦时。2015年新增装机容量1513万千瓦，占全球新增装机的四分之一以上，占我国光伏电池组件年产量的三分之一，为我国光伏制造业提供了有效的市场支撑。分布式光伏成为“十二五”期间光伏产业发展的一大亮点。根据中国光伏行业协会数据，2015年全国累计光伏装机容量超过100万千瓦的省区达11个，西部地区主要建设集中式地面电站，中7、东部地区主要建设分布式电站，#、江苏、浙江、安徽分布式电站规模已超过100万千瓦。当前，国内高校建筑量大，用电需求强烈，具有开展光伏发电的巨大优势。以#为例，#共有67所高校，校区占地面积从几百亩到几千亩不等，有大量的屋顶资源可以建设分布式光伏电站。这样既能承担一定的电力供应，起到削峰填谷的作用；又不占用宝贵的土地资源，节省电费的支出，增加综合经济价值；且项目的展开能为广大师生提供学习和应用能源互联网的场景，对培养大学生低碳用能、生态发展的观念具有重要意义。报告从教育建筑用能现状出发，分析了#高校进行屋面光伏发电的建筑资源条件优势、经济优势及能源互补优势，并对光伏与多种能源配合为学校建筑供能的8、设计流程、设计要点、系统特性和安全保障进行归纳总结。分析了当前我国既有校园建筑开展屋面光伏电站建设所使用的安装方法及并网方式，提出了#地区气候条件下高校屋面光伏发电系统综合经济效益、节能效益、生态效益的建设方法，希望能为#地区高校光伏发电设计人员和从业人员提供一定的参考。同时报告以#交通大学240kWp光伏发电实际项目为典型研究内容，通过实地调研、资料收集，分析了校内建筑屋面的分布情况、结构特征，提出了屋面光伏组件的合理布置方案；后经模拟分析和经济性对比，得出南向阵列布置方式较为符合学校实际情况，并确定了组件倾斜角度、排布间距、逆变器布置、电气安全等设计方案；且设计了一套能源互联网综合在线监控9、系统，用于监控各楼宇光伏电站的运行情况；最后对240kWp光伏发电项目的综合经济性、生态性作了详细计算。接着报告对光伏发电上网产生的影响进行了系统分析，并提出了相应地运行维护方案。报告通过对高校用能特性的分析，发现寒、暑假期学校光伏电力并网系统由于负载轻，可能出现电力逆流现象，为此报告提出了一套适合#学校假期实际情况的光伏余电储存途径，主要包括两个方面：一是暑假期游泳馆和实验室等的使用；二是寒假期间空调供热。报告末尾总结了高校发展屋面光伏所具有的重要意义，并针对当前我国校园分布式光伏发电的实际状况，提出了#开展建设校园光伏电站项目的建议。1.2研究背景1.2.1光伏发电相关政策国家可再生资源中10、长期发展规划中，确定到2020年可再生能源占到能源总消费的15%的目标，并具体提出：到2010年，建成大型并网光伏电站总容量20GW、太阳能热发电总容量50GW；到2020年，全国太阳能光伏电站总容量达到200GW，太阳能热发电总容量达到200GW。太阳能光伏产业的发展方向是针对用电负荷较大地区发展大规模集中式并网电站及分布式能源。集中式并网光伏发电站，将所发出的直流电通过逆变器逆变为交流电后直接送入电网，具有远离负载、技术复杂、士地面积广、投资规模大等特点，主要分布在我国中西部等地广人稀、光照条件好的地区；分布式光伏发电是指将电站直接建在用户附近，所发电能就地利用，以10kv以下电压等级接入11、电网，且单个并网点总装机容量不超过6MW的光伏发电项目，它具有投资小、建设快、不占用土地资源等优点，是华东地区并网光伏发电的主流。通过近几年的发展，我国从一个光伏组件生产大国，逐步变成一个光伏应用大国。但各高校内建设光伏电站的热情并不明显，这其中的关键原因包括以下几个方面：相对教育用电来讲，光伏发电成本高、经济效益低、回收期长，部分光伏电站的建设补贴不能按时按额到位，业主自有资金不够充裕，承受风险能力低；高校校园内的建筑很多年代久远，配电网络、配电设施和配电容量达不到接入要求；光伏项目与校园建筑设计结合较少，必要的基础设计经验积累不足，建筑设计只重视功能与外观效果的观念依然未发生改变，对可再生12、能源的利用依然被忽视。为了解决上述这些问题，国家相继颁布了一系列的鼓励政策。包括积极扩展国内市场，引导民间资本的进入；充分发挥市场机制、完善相关的政策补贴；打破地方保护主义，减少政府干预。特别是国家出台了具有针对性的分布式光伏上网政策，鼓励学校、单位、小区及个人将光伏电力输送到公共电网。2012年10月国家出台了关于做好分布式光伏电网并网服务工作的意见，要求电网管理部门免费为光伏发电项目业主提供系统方案设计、调试和并网检测等全过程服务；同时对余电上网进行全额收购，上网电价执行国家标准，进行足额发放，且光伏电站上网引起的公共电网的改造升级与设备更新的投资全部由电网管理企业负责。光伏发电并网服务工13、作细则的出台，降低了光伏项目开发成本，提高了项目建设的进度与效率；鼓励了太阳能光伏产业界着力于研发与建筑进行一体化结合的太阳能建材模块；部分有节能意识的建筑师开始尝试在建筑设计方案的初始阶段，就把太阳能发电组件作为一个不可缺少的建筑构件来考虑，使建筑美学与太阳能技术应用相结合，力求创造新型的太阳能一体化建筑；另外部分业主也在既有建筑节能改造中大胆使用光伏发电系统，特別是对大、中型公共建筑而言，由于特定的使用功能，电费单价支出较普通民用电价高出很多，光伏发电正好能够减少这部分的支出，具有较高的经济性。如#市对于分布式光伏项目，投资方若为工、商业用户，#“度电补贴”金额为0.25元/千瓦时，个人、14、学校等享受优惠电价的用户则为0.4元/千瓦时。此外，光伏电站的补贴金额为0.3元/千瓦时，对于陆上及海上风电，也可享受0.1及0.2元/千瓦时的“度电补贴”。除地方补贴之外，分布式光伏电站每发一度电，还能得到来自国家财政0.42元(税前)的补贴，如果余电上传至电网，则按照#的脱硫燃煤机组标杆上网电价0.39元计算“卖电”所得。如此高的补贴,使得光伏电站的投资收益期将大大缩短，安装规模不断扩大。由于#市可用土地数量有限加上大量既有建筑的屋面空间尚未有效的开发和利用，推动出屋面光伏电站的开发，未来分布式光伏发电并将成为的首选模式，因此对校园建筑屋面的光伏发电系统进行研究分析，既有巨大的经济、环境意15、义，又能给相关设计与施工人员提供一定程度的应用指导。1.3研究目的和意义随着我国经济高速发展，全社会尤其是建筑能耗大幅增加，能源和环境对可持续发展受到严重挑战。因此，大力开发和推广可再生能源技术已经成为应对挑战的重要举措，同时也是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。在各种可再生能源发电应用中，太阳能光伏发电已经成为重要的应用方式，是一项可推广、可复制的成熟技术。我国教育建筑用能消耗巨大，故在教育建筑中积极使用可再生能源特别是光伏电力，是增加可再生能源在建筑耗能中的比例，促进绿色大学校园建设的重要举措。高校太阳能光伏系统的设计、安装及并网应用研究是推动光伏建筑一体化的重要组成部分，其问题16、的解决能为教育建筑屋面光伏电站的建造提供完善方案、推动光伏电力在校园用能中的优化配置、改善既有建筑的节能效果。为我国贯彻落实可持续发展战略、实现节能目标、减排温室气体做出重要贡献。分布式光伏发电具有建设周期短、投资风险小、靠近用户侧安装能够实现就近供电、投资回报率高等优势，同时装机容量可大可小，从100kW到几百个兆瓦都有成功应用。光伏发电项目的经济性、环保性和节能效益尤为显著，不仅能够提高供电安全可靠性，而且可解决边远地区电力短缺等问题。因此，发展光伏发电系统，尤其是分布式光伏发点系统的建设具有重要意义。1.4研究概况及主要结论本研究拟在充分调研#市校园屋顶实际情况的基础上，结合太阳能光伏发17、电系统的技术特点，研究各种屋顶应用条件下的系统方案与设计架构，分析#地区气候条件下的运行策略和商业模式，通过太阳能光伏发电系统在#地区校园的试点应用案例，开展应用效果分析和环境评价，提出#市校园太阳能光伏发电的可行性和配套政策。主要结论如下：1、 #高校屋面储备资源和学校用能情况状况#高校用能具有建筑能耗高、公共用能凸显等能耗问题，同时高校具有巨大屋面资源。光伏电站的建设依托学校借助规划优势、建筑优势及用能优势，形成了适合学校特征的光伏发电系统设计，此系统不仅降低了电站初始投资成本，还提高了经济效率和生态效益；同时报告还对当前屋面光伏的安装种类进行了归纳总结和对比分析，以便为广大工程应用提供一18、定的指导，增加高校屋面光伏系统的普及和推广。2、 高校光伏发电系统设计对光伏并网进行分析，得出光伏上网对原有配电网的影响，为此总结分析了能在高校用能中对电网起稳定作用，又具有高效作用的光伏电力设备，希望能在今后的光伏发电项目中更多的使用，同时对高校的用能特性分析，发现寒暑假期学校光伏电力由于负载较少，避免低压并网产生逆流，通过能源互联网控制系统将能量流转到负载处，调节逆变器发电量等方法，从而减少大量清洁能源浪费的情况，为此提出一套适合#地区的高校光伏余电利用的途径，主要包括两个方面：一是暑假期电池蓄能，图书馆、游泳馆制冷；二是寒假期游泳馆加热、数据机房制冷等。3、 运营模式根据上述分布式光伏发19、电项目不同运营模式的叙述和收益的计算，#地区高校在光伏项目的投资运营模式的选择上需结合己有的场地、技术、政策等资源，具体核算比较项目不同的运营模式，不同结算方式下的收益，以获得最好的经济效益和社会效益。1）场地资源：屋顶、公共设施是重要的场地资源，校园光伏发电项目首先需要确定场地资源，如果自身拥有场地资源，可选择合同能源管理和自发自用运营模式，如果自身没有场地资源，则需选择租赁运营模式。2）租赁运营：投资方付给场地提供者租金，同时投资方还可与场地提供者或者其他的就近用户签订合同能源管理协议(如场地提供者有用电需求)，共享光伏发电收益。并且用户(包括场地提供者)使用的光伏发电量越多，双方的收益越20、高。投资方作为合同能源管理服务商，在给用户创造效益的同时，自身也能获取相应的收益，这种模式未来具有较大发展空间，随着#地区电力售电改革的推进，合同能源管理服务商可以进一步成为区域能源服务提供商，参与地区售电、供暖等能源服务。3）在自发自用模式(或者合同能源管理模式)下，自发自用(或者合同能源管理用户用电)用电量需达到一定比例(占光伏项目总发电量)，项目投资商收益才能超过发电量全额上网结算方式下的收益，而且随着政府补贴的下降，这个比例会越来越高。从中也可以看出，政府鼓励分布式光伏发电项目自发自用或采用合同能源管理模式，使光伏发电量尽可能就近消纳，从而减轻电力系统并网消纳负担。4）不考虑发电量全额21、上网结算方式(各类型用户收益均相同)，分布式光伏发电项目的收益与用户类型息息相关，用户原本的电价水平越高，利用光伏发电后，收益越明显。因此应该鼓励工商业用户等电价较高的用户兴建分布式光伏发电项目，以获得良好的光伏发电收益。4、经济与环境效益*以500kw光伏电站为例：根据当前政策规定，国家针对分布式电站补贴0.42元/度（补贴期限20年）+#市针对学校分布式电站补贴0.55元/度（补贴期限5年）。该项目预计运营5年可拿到#市补贴194万元，运营20年可拿到国家补贴559万元。按照500KW项目发电量预测，预计首年发电量72.6万度，该项目预计可运营长达30年，累积发电量达1924万度。其中首年22、可节约电费46万元，30年累积可节约1224万元。该项目前5年平均收益率约23.6%，第6年至第20年平均收益率为14.3%，运营30年总投资收益率达411%。依据#市发展和改革委员会2016年11月16日发布#市2016年碳排放配额分配方案，从2017年开始，碳排放将进行配额分配，碳排放交易将正式放开，该节能项目将可产生额外收益。该项目主要使用学校闲置屋顶进行建设，项目本身无污染、且不额外占用土地，并网式项目无需能量储存设备，选择自发自用又减少了输配电损失等优势，项目建设符合我国能源产业政策和环境保护政策，符合#市可再生能源发展规划和总体发展规划、土地利用规划。项目建成投产后既不消耗燃料资源23、和水资源，同时又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，也不会有废渣的堆放、废水排放等问题，有利于保护周围环境，是一种绿色可再生能源。该项目总装机量为500KW，按照项目设计使用寿命为30年计算，预计30年积累发电量1924万度，共节约标准煤约7505吨，二氧化碳约19514吨，二氧化硫约180吨，氮氧化物约52.5吨。第2章高校光伏应用的条件分析2.1高校屋顶资源20世纪末以来，随着国家高等教育事业的迅猛发展，我国高校开始招生规模逐年扩大，教育事业投入也随之增加，大批学校掀起了一波以高校建设为主的教育建筑浪潮。设计单位由于时间紧、任务重，也由于当时绿色建筑的设计水平、材料质量和施工24、技术等方面还比较落后，造成大量既不节能又不智能的建筑出现在“绿色”的大学校园中。下表为#市高校校舍建筑面积指标： 单位： / 生 学校类别第一类第二类第三类第四类备注综合、师范院校工科、医学、农林院校政法、财经、外语院校体育院校艺术院校基本指标不高于28.5不高于31.5不高于23.5不高于38不高于71.51、教学及辅助用房不低于12.95不低于15.95不低于7.95不低于23不低于54教室、实验实训用房、图书馆、室内体育用房、会堂等2、行政办公用房不高于2不高于2不高于2不高于2.2不高于3.5校行政办公用房、院系及教师办公用房3、生活配套用房不高于12不高于12不高于12不高于12不高25、于12.5食堂、学生宿舍、教工宿舍、学生活动中心、教工活动中心等4、后勤辅助用房不高于1.55不高于1.55不高于1.55不高于1.8不高于2医疗用房、公共浴室、车库（公车）、服务用房（小型超市、洗衣房等）、食堂工人集体宿舍、综合修理用房、总务仓库、锅炉房、水泵房、变电站（所）、消防用房、环卫绿化用房、室外厕所、传达警卫室等#市部分高校可用屋顶面积清单：序号学校名称占地面积（亩）屋顶面积（万平米）可装机容量（KW）1#交通大学533220.05 12997.25 2同济大学400015.04 9750.38 3复旦大学347613.07 8473.08 4华东师范大学310011.65 75526、6.54 5#大学300011.28 7312.78 6#师范大学270010.15 6581.50 7华东理工大学26409.92 6435.25 8东华大学20007.52 4875.19 9#海事大学20007.52 4875.19 10#理工大学19607.37 4777.68 11#海洋大学16006.02 3900.15 12华东政法大学13004.89 3168.87 13#工程技术大学12004.51 2925.11 14#应用技术学院12004.51 2925.11 15#政法大学10784.05 2627.73 16#电力学院9243.47 2252.34 17#外国语大学27、8673.26 2113.39 18#财经大学7482.81 1823.32 19#对外贸易学院7002.63 1706.32 20#第二工业大学7002.63 1706.32 21#金融学院6752.54 1645.38 22#中医药大学6002.26 1462.56 23#体育学院5952.24 1450.37 24#电机学院5291.99 1289.49 25#立信会计学院5001.88 1218.80 26#商学院3201.20 780.03 总计43744164.46106630.11可见，#高校屋顶资源的储备量相对比较丰厚，但我们也发现，受限于建筑设计的水平、建筑文化的需求以及城市28、发展的规划和建设程度，#高校的屋顶资源分布区域化特点比较明显，各学校建筑的年代参差不齐，各校园建筑的屋顶形式也多样，在屋顶资源的具体使用上仍需根据屋顶的形式、荷载情况进行不同光伏结构的设计。2.2高校能源消耗高校建筑因其功能较为复杂、用能人数据流动性大、使用周期长等特点，对能源需求量比一般住宅、公共建筑高出很多。下图2.1为某典型高校能耗构成图，它反映了高校中各类建筑耗电量的占比程度，由于其复杂的功能分布带来建筑在用能上的差异化，从图知由大到小依次是科研楼、学生宿舍、图书馆、教学楼、场馆、食堂餐厅、综合楼、行政办公楼，分别为44.1%、15.8%、8.7%、4.1%、4.1%、4.1%、3.929、%和2.1%，剩余部分为水泵房、变配电所、路灯等公共基础设施等功能区占据的能源消耗。 图2.1某典型高校用能占比分析图通过调研、分析得出高校建筑的高能耗主要表现在以下几个方面：2.1.2.1 照明耗能高高校教学空间的主要功能是学习，学生将大多数时间用在学习上，而学习需要较好的光照条件，为保证全天候较好的照明环境，人工照明成为主要照明方式。从国家照明规范中可知，普通教室需要的照明功率要求不大于11W/，照度分布不小丁300Lx，美术教室需要的照明功率要求不大于18W/，照度分布不小于500Lx, 且还需要局部照明来提高黑板照度。加之大量高校建筑在设计之初由于考虑到技术、经济性问题，使用了浪费能源30、的白炽灯或日光灯(白炽灯15LM/W, 日光灯50LM/W、LED节能灯 90-110LM/W)，同时管理不规范造成人走灯亮的现象，都是照明能耗高的原因。2.1.2.2 取暖、制冷能耗大供暖能耗占#高校建筑耗能的重要组成部分。由于高校中有大量年代长久、保温效果差、未经节能改造的既有建筑，造成部分使用空间单位面积采暖量较一般建筑高出很多。且#大量高校采用中央空调供暖的模式，且需要间歇供暖的建筑，如教学楼，实验楼，办公楼，图书馆等在夜间也在不断的消耗热量，同时部分办公室空间的师生因对热环境要求较高，大量使用电取暖器。制冷能耗则在夏天耗能中占据较大的比例，如办公建筑为了提高室内舒适度安装了大量分体式31、空调，使用过程中不注意节能，甚至一些夏季炎热地区院校为解决用餐时室内温度过高的矛盾，而在食堂中采用大型中央空调等消耗大量电力的电气设备进行制冷，这些现象的出现给高校电力稳定带来了巨大的压力，也造成大量能源浪费。2.1.2.3 浪费行为严重由于生活条件的日益改善，高校宿舍内的大功率电器设备使用越来越普遍，虽提高了部分学子的生活品质也带来了潜在的电力浪费和火灾隐患。白天宿舍内灯火通明、公共场所使用长明灯、电脑长时间处于待机状态、饮水机整日保持运行等已成为司空见惯的场景。见图2. 2为某学校宿舍楼的电力浪费状况，或许这些小节是由于设计不合理造成的，但个人不良的行为习惯，使浪费问题变得越來越严重。另外32、，对于部分已有光伏发电项目的高校，因种种原因光伏余电未能上网输送，特別是校内部负荷载寒暑假期间剧减，电力未能得到有效利用，而出现白白浪费现象。 图2.2某学校宿舍楼的电力浪费状况2.3 高校光伏发电应用优势2.3.1 校园规划优势2.3.1.1 科学选址当前我国高校选址一般会选择在城郊地区，避开诸如废气、废水、粉尘等污染源，寻求良好的自然环境区域。另外，根据各所高校的发展需要，一般学校占地面积都相对较大，屋顶多为平面屋顶，可用面积充裕。通过实地调研#市26所高校和#市高校校舍建设指标测算，这26所高校的安装光伏电站的有效屋顶可安装106.63MW，平均年发电量可达16500万度。2.3.1.233、 集中布局、合理分区高校校园的总体规划大多采用了集中布局、合理分区的原则。集中布局是将高校中的某一功能分区进行集中排布，如教学区、生活区、体育活动区等放在一起，优化配置减少土地资源的浪费。合理分区，则是将各个功能区相互联系起来，要求既满足师生的使用需求，又不对其他使用区域产生影响和干扰，如体育活动区尽量要求靠近生活区域而远离教学区，就避免活动区的噪音对教学区的正常学习产生影响。集中布局、合理分区一方面合理分配了土地资源；另一方面也使光伏发电系统的电能就地使用、减少电力传输的远距离配送，同时光伏阵列被安装在靠近控制单元与电力负载的位置，可降低输电线路上的电能损耗与初始成本。这是因为低电压、高电流34、的直流电会导致比较高的电能损失，而且导线的断面尺寸大、笨重、昂贵，同时又不便施工。2.3.1.3 充分利用空间资源太阳能光伏发电系统，由于需要占地的面积广、投资收益期长等弊端，一直不能得到大面积的推广适用，尤其是在土地昂贵的城市，建立光伏电站如何充分利用闲置空间资源，不占用宝贵的土地变成唯一的途径。屋顶和建筑立面，是十分重要的空间资源，越来越得到人们的认可，特别是分布式光伏系统的设计可以有效的利用屋面，不占宝贵的土地，降低了光伏电站在空间资源上的投资，同时与建筑结合的光伏电站不需要安装任何额外的基础设施，降低了整个系统的投资成本。2.3.2 建筑设计优势2.3.2.1 屋面布置优势高校建筑屋顶35、大多设计简洁、光照充足，受建筑构件产生的阴影影响小，适宜接受太阳光照射；为方便使用需求，教室和宿舍一般会控制在5-6层内，光伏组件紧贴屋顶安装，减少了风力的不利影响；太阳能光伏组件对屋面具有一定的保温隔热作用；此外，光伏屋面发电系统的集中布置，能够形成规模效应，降低系统单价，具有更高的经济效益。以#交通大学240kWp光伏屋面发电项目为例，采用了光伏阵列屋顶安装方式。其具有以下几个方面的优势：一、屋顶只有突出的建筑楼梯间、通风采光窗口产生局部阴影, 可利用的屋面空间大：二、离负载近，电阻小，电能损耗少；三、屋顶场地较为平整，能方便布置维护与清洁通道，便于人员出入；四、装机容量大，平均下来的单位36、造价相对较低。如下图2.3所示，#交通大学在将光伏板作为国家能源智能电网#研发中心大楼屋顶遮阳构件在建筑外部结构上进行高效的排放。图2.3 国家能源智能电网#研发中心屋顶光伏电站2.3.2.2 建筑结构优势光伏电站的生命周期一般约为20周年，而建筑的使用寿命在50年以上，可以说，建筑的使用寿命能够将光伏电站系统的全生命运行周期包含在内。GB500232008建筑工程抗族设防分类标准中的6.0.8条规定，教育建筑抗震设防类别应不小于重点设防类，使得结构的使用年限和承载力布置都较当地普通建筑高出很多，相对减少了光伏发电系统在屋面安装过程中对结构安全加固的投资，提高了整个系统的经济性。2.3.3 建37、筑用能优势2.3.3.1 调峰稳压高校并网光伏电站的发电高峰出现在每天的正午时刻，此时也正是很多使用空间的用能高峰，如超市、食堂、宿舍生活区等需要大量电能，光伏电力上网可一定程度上缓解校内用电高峰的电力需求，有利于改善电力系统的负荷平衡，降低线路损耗。2.3.3.2 降低负荷对于在南向外墙面和屋顶安装光伏组件的太阳能建筑来说，它可将投射到建筑中的一部分太阳能转化为电能；另一部分转化为热能散失到空气当中。这是因为电池组件受日光照射后发热，光伏屋面及墙面较普通建筑外表面温度会高出很多，建筑外面的空气对流运动得到强化，光伏表面的热量将消散到周围环境之中。由于光伏板对太阳辐射的转化和阻止，使得光伏一体38、化建筑的屋面得热量明显减少，也使室内空调负荷得到明显降低。通过为#交通大学数据中心屋顶空调外机密集分布区域，增加光伏电池板用于遮挡阳光直射，测量结果如表2.3显示，带通风流道的光伏屋顶相对于普通屋顶来说，其峰值冷负荷和总得热量分別可降低44.5%和38.8%。高校中部分顶层空间，由于屋面传热量大，造成了室内空调使用过于频繁的现象，若是在教学楼屋顶安装光伏电站，则将明显减少空调使用次数，降低制冷负荷。表2.3不同形式屋顶结构日总得热量和峰值冷负荷统计表光伏屋顶形式日总太阳辐射（MJ/m2）日总得热量（MJ/m2）峰值冷负荷（W/m2）通风流道14.220.254.13封闭通风14.220.49739、.87不带通风14.220.528.88普通屋顶14.220.499.072.4 本章小结本章从高校用能现状出发，归纳总结出高校用能具有建筑能耗高、景观用能凸显等能耗问题，为此我们在高校校园中引入屋面光伏电站发电系统。光伏电站的建设依托学校巨大屋面资源，借助规划优势、建筑优势及用能优势，形成了适合学校特征的光伏发电系统设计，此系统不仅降低了电站初始投资成本，还提高了经济效率和生态效益；同时报告还对当前屋面光伏的安装种类进行了归纳总结和对比分析，以便为广大工程应用提供一定的指导，提高高校屋面光伏系统的普及和推广。第3章 高校光伏发电的方案设计3.1 高校建筑光伏发电系统的设计 3.1.1 设计流40、程与要点3.1.1.1 设计流程高校屋面光伏发电系统的设计不是光伏组件的简简单单排布，他需要结合电池组件的自身特性，所建地的地理气候信息，周边环境，建筑结构和电气安全状况等多方面因素。进行综合的设计和分析，因此一套缜密的适合高校光伏发电系统的设计流程不仅能够给从业人员的工作提供指导，还能减少和避免他们设计失误。3.1.1.2 设计要点（1）地理位置和气候因素地理位置包括：建筑所在的纬度、经度、海拔高度等。气候因素包括：空气温度（正常月份平均温度、1月的最冷温度，7月的最高气温)、相对湿度、大气压力、降雪量与降雨量等。它们决定了光伏组件的倾斜角度（若光伏组件只利用太阳的散射光发电，其只相当于垂直41、光照射发电量的80%90%)、阵列间距（光伏阵列设计需要保证在冬至日当天光照辐射强度最好的时间段AM9:00-PM13:00前排光伏组件的阴影影响后排光伏组件正常工作)、结构安全性等多个方面，同时间接决定了系统的转化效率与经济性，如低纬度地区的太阳能光伏组件在同样的年太阳辐射强度下系统发电量小于较高纬度地区多出许多倍，系统回收期也更短，而在高纬度地区安装太阳能光伏发电系统时，需将阵列间距拉的更大,以确保发电率达到最高水准，但间距的增大需要更大面积的屋面，浪费了宝贵的屋面空间资源，为此需要将每个方阵高度都调整到最合适值，以便缩小间距，可见对当期的气候和地理信息的把握和分析是光伏系统设计的前提和基42、础。（2）建筑朝向与周围场地情况建筑朝向及周围场地情况是光伏阵列布置设计过程中最为重要的参考因素之一。建筑的朝向较好时，能较易实现光伏与建筑的外观设计的一致性，且屋面的布板数量最多，经济性较高；周围场地情况在设计过程中主要是考虑是否有产生的阴影对光伏电站进行了遮挡。通常我们把阴影分为随机阴影和系统阴影。随机阴影产生的原因、时间和部位都不能确定，通常对光伏板的遮挡时间较短，不会产生明显的影响，但在某些特定状态下还是会使系统产生误判，降低转换效率，对此我们需要提高系统的容错能力，减少误判的发生。系统阴影则是固定物体产生的遮挡，它因持续遮挡的时间长会对光伏系统输出功率产生明显影响，对于这种情况，我们43、通常只能通过场地勘探，尽量避免。（3）容量设计屋面光伏电站的系统容量设计，通常会采用以下两种方式：一是按照建筑物可安装光伏组件的面积确定安装的系统容量：二是根椐建筑物内部负载确定。依据屋面面积确定光伏系统的负荷相对较为简单，但受到可利用面积的限制。此时，光伏板的转换效率则是主要的考量因数，故在屋面面积有限时，尽量使用转化效率高的单晶硅电池。而在项目预算有限，当地温差大的南立面墙上，则适宜对温度变化没有太强烈反应的非晶硅光伏组件的选用，对于依靠内部荷载确定容量的光伏电站，要对系统负载的类型，运行的规律与状况有一个精准的计算，以确保稳定运行。（4）环境兼容建筑是一个复杂而完整的统一体，与光伏相结合44、的建筑设计不单单要考虑能源供给的问题，还需要充分考虑阳光照耀下所呈现的美学效果。当前综合了生态功能为一体太阳能建筑设计的美学手法成为主流，它既能呈现设计的整体表现形式，又能展现背后所蕴含的高科技特色。如下图3.1所示，由#交通大学学生创意、设计、建设的能源生态样板房“日上江村”被新华社誉为“正能量建筑”，它位于三楼的蓝色光伏顶，能满足日常用电需求，室内所有设备均可智能控制。 3.1 日上江村庭院顶上的光伏板（5）系统安装当前屋面光伏系统设计中，为了避免对屋顶原有防水层造成损伤和破坏，屋面光伏系统的安装大多采用支架构造置于防水层之上的做法。此时需要注意设计良好的冷却通风系统，这是因为晶硅光伏组件45、的发电效率随着表面工作温度的上升而下降。理论和实验证明，在光伏组件屋面设计空气通风通道，可使组件的电力输出提髙8. 3%，组件的表面温度降低15C左右。特别是当屋面为斜屋面时，易采用支架架空的构造方式，架空高度不小于100MM，既加强通风，又给安装维护提供一定的操作空间；对于部分建筑屋顶防水层已被破坏的情况，光伏支架的脚柱与屋面的结合处要加做附加防水层构造措施，以避免雨水从开口处渗入防水层下部。通常附加层宜空铺，空铺宽度不应小于200MM；附加防水层形成的泛水构造应包裹到支架与金属埋架之上；同时对地脚螺栓周围可能出现的渗水缝隙，用沥青进行密封处理或者将卷材防水层用压条钉压固定。同时对于经常需要46、检修的光伏屋面需在一定范围内铺设水泥砖作为刚性的防水保护。一般会采用水泥砖铺贴在光伏阵列的检修通道周围、屋面的进出口及经常有人员走动的道路上。同时系统还需要考虑组件所在部位的防火、防雷、防静电等电力安全，支架结构、抗风、雨、雪荷载的结构安全设计及后期的运行维护、管理等。3.1.2系统组成太阳能光伏发电是将太阳光能直接转化成电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。太阳能光伏发电系统是利用光伏板直接将太阳辐射能转化为电能的系统，主要由太阳能电池组件、电能储存元件、控制器、电力电子变换器以及负载（直/交流负载）等部件构成。太阳能电池由硅半导体材料制成的方片薄膜，在阳光照射下产生电压47、和电流。单体电池的输出电压只有0. 45- 0. 50V,电流约为20峰值功率为1W左右，一般不能单独使用。（1）太阳电池组件太阳电池组件也称为“光伏组件”。它是将几片、几十片或几百片圆形或者方形单体太阳能电池根据负载需要(见下图3.2)，经过串、并联连接起来构成组合体，再将组合体通过一定工艺流程封装在超薄、透明、高强度玻璃和密封的封装底层之间，然后引出正负极引线，方可独立发电使用。其功率一般为几瓦到几十瓦，甚至几百瓦。电池组件有各种各样的尺寸和形状，典型组件是矩形平板。 图3.2太阳能电池的单体（方形）、组件阵列一般来讲太阳的辐照度能够百分之百转化为电能是电池组件最完美的状态，但是由于材料本48、身性能及环境的多样会化对太阳能电池组产生影响，如：组件自身的设计、空气的尘埃度、发电转换设备的质量和性能、组件自身的延时衰减等，实际上系统效率将会在使用的过程中出现部分程度的下降。（2）系统控制元件系统控制元件也就是系统调节控制装置，通过对系统输入输出功率的调节与分配，如当负载端发生短路时，要能报警或将电路自行切断，督促维护管理人员检修。（3）并网逆变器光伏并网系统的核心部件和技术关键是并网逆变器。它的主要功能是将太阳能光伏组件发出的直流电逆变成单项或三相交流电，送入电网。并网逆变器应具有自动运行和停止功能、最大功率跟追踪功能，且具有完善的保护功能，包括过压保护、短路保护、孤岛保护、过热保护、49、过载保护、防雷保护及直流接地保护。根据逆变器在光伏系统中的布置方式，可以将逆变方式分为集中逆变和分散逆变。对于大中型光伏电站而言，由于光伏的排布、位置、朝向等大致相同，因此一般会采用集中逆变器以减低投资成本，此时如果可能的话，应尽量将逆变器安装在电表的附近，如果安装环境不允许的话，安装在光伏系统接线柜附近也是可行的，这将降低通过直流总线的电量损失和安装费用，通常大型中央逆变器通常和其他设备（如电表、断路器等）安装在一个逆变器箱体内；分散式逆变器则适合应用于光伏系统中的各分系统有不同朝向或倾角，光伏电站分散布置或者光伏系统有部分被遮挡的情况，它一般会安置在屋顶，这就应做好对逆变器的保护，避免太阳50、直射和雨水淋湿，同时还要考虑到逆变器的噪声对周围环境的影响。（4）交直流负载交直流负载是以交直流电为能源供给的装置或设备，其系统运行过程如下图2.6所示：图3.3交直流负载作用下光伏发电系统运行图（5）太阳能光伏电站计量、显示部分根据国家电网光伏电站接入要求，光伏并网电站需配置远程传输电表，自动控制、电能计量及数据通信存储装置。系统配置环境因素传感装置，能够采集环境因素信息并通过无线传输方式传输到系统控制中心或公众显示终端。3.2 高校建筑屋面光伏发电系统的结构设计通常在屋面上安装电池板的难度由屋顶的倾斜程度而定，因在较陡的屋顶上工作不仅非常危险，而且也更加耗时费力，故屋顶光伏还多是在平屋顶上51、安装。尽管当前平屋面光伏安装种类多样、成本较低，但依然受到诸多因素的影响，包括方阵尺寸、可利用的空间、采光条件、防盗破坏和盗窃、风荷载、视觉效果及安装难度等。以下对目前在平屋面光伏系统安装的几种常用方式进行分析和对比，找到适合当前#高校屋顶结构的光伏系统安装方式。3.2.1 独立基础式图3.4独立基础式混凝土屋面安装独立基础式安装系统是指将已带有预埋脚螺栓的混凝土块置于屋面，光伏支架坐落在混凝土上，形成空气流动通道，其具体安装效果如上图3.4所示。它一般使用在中低层建筑，屋面雨、雪荷载小和风荷载小的地区。基座采用混凝土浇注预制，尺寸长、宽、高可自定。预制的混凝土块可依靠机械装置吊装到屋顶，具有52、不破坏建筑屋面原有构造，减少人工支出，节省成本，提高施工效率；且混凝土块的点式布置，雪水、雨水能有效的排除，不增添屋面的安全隐患，在实际项目中采用较多。3.2.2 条形基础式图3.5条形基础式混凝土屋面安装条形基础式安装系统将带有预埋螺栓的混凝土方条铺在屋面，采用优质铝合金导轨作为中间构件，连接单元连接件和预埋螺栓，其具体安装效果如上图3.5所示。支撑件材料为不锈钢，牢固美观，无需现场二次加工，使用周期长；同时只需要移动连接构件，即可根据实际情况调节安装角度，具有较高的适应性。基座混凝土条在设计中应与屋面排水方向相同，方便屋面流体排除。尽管铝合金构件会一定程度提高成本，但较少的人工成本依然能保53、证安装成本的可控，在项目中主要针对具有一定美观要求的工程项目。3.2.3 负重基础式图3.6负重基础式混凝土屋面安装负重式安装系统的光伏支架与负重结构分离，光伏支架依然采用优质铝合金与屋面平铺导轨相连接，负重框置于导轨的尾部，负重框内可放入水泥块或石块等重物起到稳固作用，无需现场二次加工，其具体安装效果如上图3.6所示。该系统具有不破坏原有防水层，无需防水处理；适用于任意规格晶硅组件及部分薄膜组件；由于负重材料选择的广泛和低廉，可使大量的建筑垃圾得到更为合理的利用等优点。但该基座布置方向与屋面排水方向垂直，不利于屋面排水增加了屋面荷载，不适合于降雨量大，又不能很好解决排水问题的屋面工程项目。354、.2.4 全钢可调式图3.7全钢可调式混凝土屋面安装全钢可调式系统将支架安装在混凝土块之上灵活性的支架此时可以根据需要进行多角度的旋转和调节实现光伏板在高度和角度上的调整，其具体安装效果如下图3.7所示。此系统具有成本不高、现场施工方便，支架连接稳固，角度任意调节，基础的点式布置有利于排水、工程适用面广等特征。3.2.5 网基式导流板式图3.8 网基式导流板安装系统网基式导流板安装系统将斜度为1015不锈钢或镀铝镁锌板组件呈网状布置，用铝导轨将其分割成独立单元，与支撑柱一起作为一个模块，适用于组件规格为1640*994*40mm左右，其具体安装效果如上图3.8所示。此系统安装方便，在铝导轨上安55、装不锈钢支撑件，框架整体两侧及后面安装导流板，支架即便在风力载荷较高的情况下，也能因空气流动而产生的压力，将光伏板牢牢的紧扣在屋面之上，而不被掀起。它具有适用于载荷量小的平面屋顶、不破坏原有屋顶等特征；且网状布局提高结构的整体刚性，但模块布置与水流方向垂直，不利于排水，一般适用于屋面承载能力强、结构稳定、美观度高的项目中。3.2.6 工程塑料固定式3.9 工程塑料固定在混凝土屋面上的安装工程塑料固定式中的承重部件采用工程塑料制造，其具体安装效果如上图3.9所示。工程塑料由聚酰胺制作，该塑料不但要求能在高温下保持极低的蠕变性，在低温下也表现出了优异的韧性和刚性；高比例玻璃纤维增强的聚酰胺还具有优56、异紫外耐受性和耐候性，在户外条件下寿命长达20年，能满足如雪载、风压等的承重要求；系统制造工艺中，使用扣接、骨架和挡板来排水和布线，使得部件非常轻巧和易于安装，太阳能板在平顶上的安装变得更加简单快捷，且具有良好的太阳能装置成本效益，适用于户外工程项目施工。3.3高校建筑光伏系统的并网设计3.3.1 并网优势并网光伏发电系统通过逆变器将光伏电池组件所发的直流电逆变成与电网相同频率和电压的交流电，以电压源或电流源的方式送入电力系统。由于并网光伏系统直接将电能输入电网，并网系统并不需要蓄电池等储能设备，减少了蓄电池的投资与损耗，也间接地减少了处理废旧蓄电池产生的污染，降低了系统运行成本，是当前光伏电57、力的主要形式，具有较高的经济性与环保性。下表3.1为并网、离网、混合光伏供电系统在成本、维护、负载匹配及污染程度等方面的对比分析。表3.1 光伏并网系统对比分析并网光伏系统离网光伏系统混合供电系统初始成本最低高高运行成本低高高备用电池（蓄电池）无有有维护几乎免维护需要维护维护较多负载匹配较好差较好噪声无无有污染无有有3.3.2 并网影响光伏发电具有随机性、间歇性和明显周期性的特点，目前还不能准确预测，不能参与电力平衡进入发电计划安排。光伏发电的电力消纳须按可再生能源法的要求，并网后由电网公司全额收购。尽管光伏电站在建立前期就对上网电力进行分配，但由于光伏发电具有间歇性、随机性和周期性的特征不会58、完全消失，因此不可避免的对配电网的安全性带来一定的影响，如电能质量、电力规划、电力调度等变得更为复杂和较难控制。目前来看，尽管关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见（暂行）已经颁布执行，但电力主管部门对其产生排斥，光伏电力上网仍障碍重重。光伏并网发电对电网影响主要包括以下几个方面：3.3.2.1 对电能质量的影响（1）对电压的影响光伏电站电力上网，是在不改变电网电压的前提下，将电流汇入到配电网中，汇入的电流小于负载需求时，是不会对电网产生影响；反之当汇入的电流大于负载要求时，则会给电网电压带来影响，对负载设备带来不安全因数。因此在对并网系统进行设计时，就需要将光伏电站的电压控制在电网正常电压59、的88%100%内，如当光伏电站为小于10KW小型系统时，它的电压范围就应该控制在212V-264V，电网跳闸现象则可最大限度的减少；而对于不能直接并入到380V低压配电线路的中型和大型光伏系统而言，一般会先将产生的电能通过升压变电器，提升为中、高压然后在接入当地电网。（2）孤岛效应所谓的孤岛效应就是光伏并网发电系统在并未检测到配电电网因发生故障或者因需要维修而停电时，依然叫配电网中的负载供电，形成了一个电力主管部门无法控制的供电孤岛现象。图4.2发生孤岛效应时的供电状况3.3.2.2 对配电网的影响（1）继电保护由于现有的电网继电保护装置并未随着光伏电站的投入使用，而大规模改动，因此当既有的60、继电保护装置与并联的电网分支元件发生故障时，就会使继电器产生误判，切断连接，失去电源。此外继电器的继电保护区也会随着光伏发电系统功率的加入而产生缩小现象，而使正常工作收到影响。（2）供电可靠性并网光伏电站能依靠其独立的发电系统，能够在一定程度上提高配电系统供电的可靠性，但这并不代表有了光伏就有了稳定的电力供应。如当在太阳照度较低的阴天，需要电力的负载因电网的停电和光伏电站的无法工作而被迫停工的现象。同样当光伏并网发电系统地点选取不正确、与电网连接的方式不可取时、配置的容量不恰当时，都会阻碍电网可靠稳定的运行。（3）电能计量光伏并网发电系统将电能注入到电网中，会进行计量。但传统的电表计量模式还只61、是单向潮流统计，部分业主为方便计量直接另加电表，但这既增加了系统投资成本，又给业主使用带来不便。（4）孤岛现象 孤岛现象可能使电力维修人员产生误判，而造成触电身亡的后果；也可因电网供电恢复时，光伏电网与供电电网之间存在的电压差，瞬间产生了强大的冲击电流，对电网的设备和负载带来了严重损坏；其次当太阳能供电系统脱离原有的配电网后，原来的单相供电模式可能造成其他配电网内出现双相负载不对称的情形，影响到其他用户的电压质量；再次当太阳能并网发电系统切换成孤岛方式运行时，如果该供电系统内无储能元件或其容量太小，会使用户负荷发生电压闪变。因此，对光伏并网发电系统来说，具有防止孤岛效应的功能是至关重要。3.362、.2.3 对电网调度的影响当前我国的电场大多是燃煤的火力电站，它以对负荷的预判而采取定额发电，但并网光伏电站加入使得负荷的预判更加具有多变性和复杂性。如在光伏电站在天气晴好、系统稳定运行时可将所发的电力送至负载就地消耗掉负载；而在阴天时作这部分的电力还需电网提供给负载。因此光伏电力的加入，特别是特大型光伏电站的并网对电网系统的电力调度的稳定运行带来影响。3.3.2.4 其他影响除了上述影响之外，光伏并电发电系统在电网运行的经济性方面也会带来一些负面影响。具体表现在以下方面:（1）配电网为了应对光伏发电系统极端状况的出现一般会配置额外的设备作为备用，而大多数时候这些设备并未参与系统运行，而是长时63、间闲置，这不仅使投资成本和后期的维护的工作量出现增长，还会带来供电效益的下降。其中最明显的例子就是配电变压器和电缆线路在电网运行中出现轻载现象。（2）为应对光伏电站电力上网的波动性，调控光伏电压及频率，为此会配置一定容量的无功补偿设备。但因蓄能技术瓶颈尚末突破，导致这部分投资依然昂贵。（3）部分光伏电站的电力输出因不能借用原有的线路，需要架设新的输电线路，但负荷低，导致了这部分输电线路的利用效率很低，因而显得很不经济。解决光伏并网系统的众多问题和影响，需要使光伏并网系统与常规电网的结合走上智能化的道路，这不仅是需要供电系统的高效，稳定，更需要用电负载的智能调节和控制。为此研究和探索适用于#高校64、用能特征的光伏电力调度方式、储能系统和电能智能配送显得尤为重要和突出。3.3.3 光伏局域并网系统与常规电网的智能设计研究3 寒暑假期间光伏电力并网设计由于教育的特性，寒暑假期间电力需求相对比较少，而且校园光伏项目一般在校园配电网内进行并网，未与市电主要电网相连，只是与并网的建筑内部局部区域的发电网相连。在正常月份下，虽然光伏项目所发电力能够完全被校园用电负荷所消耗，但是学校在寒暑假期间，由于教学区、生活区的主要负荷设备不需要运转，学生生活区的大量用能集中在夜间等特点，整个校区用电负荷处于低谷，接入变电所的光伏发电都有可能会出现电能返回供电电网(逆流)的情况发生，这种情况对供电局来说是绝对不允65、许的。因此，必须采取措施杜绝供电电网逆流发生。解决办法有三种方法：（1）采用防逆流装置可按照全校光伏发电装机容量，适当考虑采用防逆流装置，会增加投资额度，防逆流装置的控制电缆需从各变电所敷设至每台逆变器，电缆敷设要穿越多处道路，破坏原有路面且施工难度非常大。由于逆流的产生只是在学校假期出现，学生在校期间防逆流装置基本不参与控制，投资利用率非常低。（2）能源互联网综合管理系统防止逆流学生在校期间各变电所平均用电负荷均较大，基本不会出现逆流现象，为防止一旦出现逆流供电局采取制裁，学校可采取安装能源互联网综合管理系统，系统智能提供逆变器运行台数。在学校寒暑假期间，可采系统根据实际所需功率自动调节逆变66、器台数，保证不发生逆流现象。虽然系统使用了此方式，但寒、暑假期会出现大量的能源被浪费的现象，光伏电力并未得到合理利用。（3）采用合理的储能系统。储能技术是指将电能通过特定装置转化成其他形式的能量储存起来，需要时将储能转化为电力的形式，通常采用以下两种技术：一、高效的大容量储能技术；二、高效的能量转化技术。但当前由于材料所具有的特性并未达到实际使用要求，若使用得到的最好的介质材料（云母），储存1KW的能量需要3.4立方米的电容器组，如果将这个能量储存在油纸中，则需要面积将达100立方米，且循环寿命短、污染环境，因此在大规模的光伏电站中依然并未使用。相反，机械储能(如电池蓄能、压缩空气储能和飞轮储67、能），因使用周期长、操作简单、运行稳定，虽机组的单元效率不是很高，但在局部地区的电力调峰中使用较为广泛。同样电锅炉蓄热在北方地区可以部分替代燃煤取暖的能量也具有一定的发展空间。根据实际用能情况分析可知，#交通大学利用光伏电力夏季进行电池蓄能、冬季空调采暖是可取的方案。3.3.3.2 暑假期间电池蓄能电池储能电站利用将电力负荷低谷时的电能充电, 在电力负荷高峰期再释放出电池里的能量。它不仅能将电网负荷低谷时的未用余电, 转化为电网负荷高峰时的高价值电能，还能对电网起到调频、调压、稳定系统周波、减少光伏电站并网运行对电网的冲击、提高电网运行的安全性的作用，是电力系统中使用周期长、容量可做大、技术最68、为成熟、经济性较低的储能方式，蓄电池储能电站储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率为80% 88%之间，它是当今社会电力系统中较多采用的电力储能形式。故建造小型电池蓄能电站是校园光伏发电项目在暑假期间提高能源利用率、较少电力浪费的较好途径。开发小型电池蓄能电站实施的可能性具体表现在以下几个方面:（1）具有充足的变压器容量保证变压器充电容量作为电池蓄能电站运行的前提和基础，通常在电站的选址过程中，宜选择变压器剩余容量较大的变电站，若不能满足系统正常运行的需求，由于学校建设过程中选择的变压器容量通常会有较大阈量，故在学校中建设蓄能电站的接入点相对容易。 （2）具有合适的地形条件电池蓄能电站69、需要设置一定的空间场地。一般可以用变电站周边的剩余场地进行建设。目前市面上的电池蓄能电站，每兆瓦的建设面积为400。小型电池蓄能电站将白天光伏发电超出的功率存到蓄电池，夜间当光伏电站不发电，而校园中需要电力供应的时候再发出电力，然后通过变压器升压输入到配电网中，供负载使用。电站可选址在靠近电网负荷附近中心的教学区和学生生活区之间，能够方便电能的传送；同时电站周围具有较好的交通条件，方便施工任务的展开和后期的系统维护。4.5 本章小结本章通过对光伏并网进行分析，得出光伏上网对原有配电网的影响，为此总结分析了能在高校用能中对电网起稳定作用，又具有高效作用的光伏电力设备，希望能在今后的光伏发电项目中70、更多的使用，同时对高校的用能特性分析，发现寒暑假期学校光伏电力由于负载较少，避免低压并网产生逆流，通过能源互联网控制系统将能量流转到负载处，调节逆变器发电量等方法，从而减少大量清洁能源浪费的情况，为此提出一套适合#地区的高校光伏余电利用的途径，主要包括两个方面：一是暑假期电池蓄能，图书馆、游泳馆制冷；二是寒假期游泳馆加热、数据机房制冷等。第5章 运营模式分析5.1 高校建筑光伏系统的可持续性分析光伏系统的可持续性首先要对光伏系统的潜在能耗进行分析。光伏系统的潜在能耗是光伏系统在整个生命周期内所需的能量，包括制造过程、运输过程和安装过程所需要的能量，光伏电池的类型、光伏组件的安装形式、系统的设计71、形式、系统所在地的位置、系统是否并网、系统的运行和监控、系统的改建和安装形式都是光伏系统潜在能耗分析的影响因素。光伏系统的潜在能耗可以分为两部分，一部分是生产光伏组件所需的能量，另一部分是生产光伏系统配件所需要的能量。5.2 运营模式分析目前，分布式光伏发电项目的投资多元化，市场主体众多，运营模式也相应较多，但常用的模式主要有三种：合同能源管理模式、租赁模式和用户自发自用模式。光伏发电项目与电网结算方式有两种，一种为发电量全额上网结算方式，一种为发电量就近使用、余电上网结算方式。5.2.1 运营模式分类1）合同能管理运营模式合同能源管理模式(EMC)，即第三方投资者投资建设光伏系统，采用“就地72、消纳、余电上网”方式与电网结算，即所发电量优先满足光伏电源就近的用户使用，多余电量上网，不足电量由供电企业按当地销售电价向用户提供。这种模式用户以节省电费的方式享受电网销售电价的折扣，投资者按全电量获得政府补贴，同时享受一部分光伏发电收益(包括节约电费收益和余电上网收益)。其本质是用户有用电需求，第三方投资者提供整套解决方案，为用户提供低于电网销售电价的用电，自身也从中获得相应收益，从而达到双赢。在这种运营模式里，第三方投资者某种程度上充当售电公司的角色，在拟定的电改方案中，未来将进一步放开售电侧，引入多主体参与竞争，合同能源管理的第三方投资者，作为供电服务商，具有成为售电主体的天然优势，未来73、具有巨大的发展空间。2）租赁模式租赁模式，即由业主提供屋顶、公共设施等资源，投资者利用业主提供的场地建设光伏系统，由投资者向业主支付场地租金。这种模式中，投资者获得光伏发电收益，而业主获得租金收益。这种模式主要用于业主拥有场地资源而不准备自己建设光伏系统，投资者具有光伏系统建设经验而缺少场地资源的情形。在此模式下，投资者所获光伏发电收益，既可为“发电量全额上网”收益(不存在就近电力用户)，又可为“发电量就近使用、余电上网”收益(存在就近电力用户，并签署合同能源管理)3）自发自用模式自发自用模式，即用户自己投资建设分布式光伏电源，直接获得光伏发电的所有收益。这种模式下电力用户既可采取光伏电源发电74、量全额上网的方式，获取收益；又可采取发电量优先自用，多余电量上网，不足电量由电网提供的方式，获取收益。目前，这些由用户自己投资的项目主要靠政府补贴和节省电费收回投资成本(少部分项目还有向电网售电的收益)。这部分用户主要是一些具备初期投资资金支付能力，同时具有主动节能意愿和节能技术能力的用户。在这种模式下，普遍的做法是光伏发电逆变并到低压电网后直接送到用户，用户直接使用光伏发电量，光伏多余发电量按照当地燃煤脱硫机组标杆电价由供电企业收购，不足的，供电企业按照当地销售电价向用户收取下网电量电费。5.2.2 电网结算方式分类1）发电量全额上网结算方式：指分布式光伏电源所发电量全部送入公共电网，供电企75、业根据当地光伏发电标杆电价负责全额收购光伏电源所发电量。2）发电量就近使用、余电上网结算方式：指分布式光伏电源所发电力主要由附近电力用户自己使用，多余电量接入电网，这种方式下光伏并网点设在用户电表的负载侧，用户自己直接用掉光伏电量，多余电量按照当地燃煤脱硫机组标杆电价由供电企业收购，反送电量则以当地销售电价进行结算。同时发电企业能够按分布式光伏电源所发全电量获得政府的度电补贴。不同模式对比分析根据光伏项目对于不同的运营模式和结算方式，对不同的市场主体来说，各方面收益不尽相同。归纳如下：投资模式业主收益投资方收益全额上网自发自用、余电上网全额上网自发自用、余电上网合同能源管理实时用电量*折扣电价76、/自发自用电量*（国家补贴+当地补贴）+余电上网电量*（当地脱硫煤标杆上网电价）租赁模式屋顶可利用面积*每平方米年租金系统发电量*光伏标杆上网电价租金自发自用电量*（国家补贴+当地补贴）+余电上网电量*（当地脱硫煤标杆上网电价）租金自投自建发电量*光伏标杆上网电价自发自用电量*（国家补贴+当地补贴）+余电上网电量*（当地脱硫煤标杆上网电价）/5.3 本章小结根据上述分布式光伏发电项目不同运营模式的叙述和收益的计算，#地区高校在光伏项目的投资运营模式的选择上需结合己有的场地、技术、政策等资源，具体核算比较项目不同的运营模式，不同结算方式下的收益，以获得最好的经济效益和社会效益。1）场地资源：屋顶77、公共设施是重要的场地资源，校园光伏发电项目首先需要确定场地资源，如果自身拥有场地资源，可选择合同能源管理和自发自用运营模式，如果自身没有场地资源，则需选择租赁运营模式。2）租赁运营：投资方付给场地提供者租金，同时投资方还可与场地提供者或者其他的就近用户签订合同能源管理协议(如场地提供者有用电需求)，共享光伏发电收益。并且用户(包括场地提供者)使用的光伏发电量越多，双方的收益越高。投资方作为合同能源管理服务商，在给用户创造效益的同时，自身也能获取相应的收益，这种模式未来具有较大发展空间，随着#地区电力售电改革的推进，合同能源管理服务商可以进一步成为区域能源服务提供商，参与地区售电、供暖等能源服78、务。3）在自发自用模式(或者合同能源管理模式)下，自发自用(或者合同能源管理用户用电)用电量需达到一定比例(占光伏项目总发电量)，项目投资商收益才能超过发电量全额上网结算方式下的收益，而且随着政府补贴的下降，这个比例会越来越高。从中也可以看出，政府鼓励分布式光伏发电项目自发自用或采用合同能源管理模式，使光伏发电量尽可能就近消纳，从而减轻电力系统并网消纳负担。4）不考虑发电量全额上网结算方式(各类型用户收益均相同)，分布式光伏发电项目的收益与用户类型息息相关，用户原本的电价水平越高，利用光伏发电后，收益越明显。因此应该鼓励工商业用户等电价较高的用户兴建分布式光伏发电项目，以获得良好的光伏发电收益79、。第6章高校光伏发电项目的典型案例6.1 项目背景及条件 6.1.1 项目背景本报告以#交通大学240kW光伏屋面发电项目作为#高校分布式光伏系统的典型案例进行分析，该项目是国家财政部、科技部和国家能源智能电网#研发中心共同建设的示范项目，如下图5.1所示，它是一个多技术综合应用太阳能光伏建筑项目，旨在引领和推动大学园区可再生能源利用，推动绿色大学建设。图5. 1#交通大学240kWp光伏屋面发电6.1.2 地理、环境条件#市地处东经12052至12212，北纬3040至3153之间，位于太平洋西岸，亚洲大陆东沿，中国南北海岸中心点，长江和黄浦江入海汇合处。北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接80、江苏和浙江两省。#属于暖温带半湿润大陆性季风气候。其特点是季风明显，四季分明，日照充分，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季干燥寒冷。年平均气温14.3C，1月最冷，平均气温-1.9C，7月气温最高，平均气温27。年平均降水量660. 7毫米。#市全年辐射总量为5251. 8MJ/m年平均日照时数2582. 3小时，年日照百分率58. 3%.最大日照百分率在5、10月份，为6263%。 6.2 建设概况6.2.1 项目情况#交通大学位于#市西南地区，校园楼房等建筑物多为平顶屋面，建筑物的屋面承受力较强，比较适合建设屋顶太阳能光伏电站。#交通大学闵行校区白天平均用电负荷29000KW（81、寒暑假除外），校园内有15路10kv电业进线，3个电业35kv站供电，供电总容量96940kva。6.2.2 阵列系统设计#交通大学240kW屋面光伏发电系统主要包含三部分，分别为光伏组件设计部分、光伏阵列设计和光伏发电设计。6 光伏组件设计（1）组件选择太阳能电池组件选用中节能生产的CECEP-250Wp单晶硅太阳能电池组件，此组件具有效率为17. 00%、寿命不低于25年、组件2年内功率的衰减2%。光伏电池组件内部结构见下图图5.2光伏电池组件内部结构光伏电池组件特性曲线图5.3光伏电池组件特性曲线 （2）串联数目光伏阵列中串联光伏板数埴并不能任意设计，它需要参考以下两个方面：一、串联光伏82、板总电压应与逆变器电压相当：二、逆变器在不同温度下最大功率点的区域应该和光伏系统最大的功率点区域相一致。#交通大学光伏发电项目采用了组串逆变器布置。组串逆变器是基于光伏逆变器模块化概念基础上的，每个光伏组串(通常l0kW-50kW)通过一个光伏逆变器，该光伏逆变器在直流端具有最大功率峰值跟踪功能，在交流端并联并网。目前，有许多大中型并网光伏电站采用了光伏组串逆变器技术。它的主要优点是不受组件组串与组串之间模块性能的差异影响，降低了光伏阵列周围的阴影对于系统输出的影响，同时光伏组件工作点最佳位置与光伏逆变器不匹配的情况也有所减少，从而提高了逆变器的转换效率，增加了光伏系统的发电量。由于光伏板的电83、压和整个光伏系统的电压和温度有关，所以在设计中通常将冬季和夏季作为两个极端情况来考虑。光伏板在冬季温度较低时，光伏板电压会有所升高，因此光伏系统能得到的最大电压在低温下的开路电压。如果在冬季晴天(假设空气温度为-10)将光伏系统关闭 (比如电网出现故障），再闭合时会产生一个很高的开路电压，这个开路电压必须比逆变器的最大支流输 入电压要低，否则逆变器可能会被损坏。所以根据逆变器所允许的最大支流输入电压和光伏板在-10下的开路电压，可以计算出最大允许串联的光伏板数目。在夏天，屋顶的光伏板温度可以很容易达到70。这个温度可以作为确定光伏板串中最小光伏板数目的基准温度。对于通风性能良好的光伏系统，可以84、鉴定系统的最高稳定为 60，在夏天晴朗的日子里，由于较高的光伏板温度，其系统电压输出要小于标准工况下的电压输出。如果光伏系统输出直流电压降到低于逆变器最大功率点追踪电压，这就不能正确追踪系统的最大功率，更严重的情况下会切断光伏系统的逆变。因此光伏板串中最小光伏板数目应该根椐逆变器的最大功率点的最小输入电压和光伏板在70时的最大功率点电压来计算。（3）光伏板串数目的确定根据实际情况，最低温度按-10，最高温度按+70计算，计算分析如下表5.1所示:表6.1光伏板最佳串联数目计算分析-10单晶硅组件开路电压+70单晶硅组件开路电压13串13串*44.31V*1.11795=643.97V13串*385、6.92V*0.84835=407.17V；14串14串*44.31V*1.11795=693.5V；14串*36.92V*0.84835=438.5V15串15串*44.31V*1.11795=743V780V，通过15串*36.92V*0.84835=469.8V；16串16串*44.31V*1+25-（-10）*|-0.337%|=792.58V780V，不通过；16串*36.92V*1-|25-70|*|-0.337%|=501.137V； 根据以上组串在温度变化范围的最高最低电压及逆变器最大功率点跟踪范围（400-780V)，确定15串电池组件为最佳方案。6. 光伏阵列设计光伏阵列应86、被安装在有利于产生最大功率的位置。由于光伏阵列在不同位置、不同时间或季节，电力产量不同，而这些时间点又无法统一，所以光伏板在安装过程中要就要考虑, 让实际的光伏系统成为理想的设计。（1）最佳方位角的设计根据太阳能发电特点，正南方向为最佳方位角，但是由于建筑物局部位置并不与建筑最佳朝向平行。在布置组件数量上可能会受到限制，#交通大学教学楼楼体是标准的东西走向，如下图3.4所示。为了充分利用空间资源，我们在设计之初将系统按局部阵列随建筑走势布置和全部阵列按最佳朝向布置，对系统的经济效率做出对比分析，以便找出最佳阵列布置方案。图5.4光伏组件在#交通大学东上院的排列设计(2)最佳倾角的设计在屋面安装87、光伏电站时，需要光伏组件与屋面有个倾角，以便于接受太阳光的照射和排除表面的雨水、雪水，通常我们把斜面上能够接受到的最大辐射量时的倾角，即太阳光垂直照射在太阳能电池板上时的倾角，称之为最佳倾角，以便保证光伏系统的年最大发电量。为了计算方便一般情况下可根据当地纬度+10成-10来确定屋面光伏板角度。要设计光伏发电系统，只有水平面的辐射量是不够的，必须计算出太阳电池方阵安装倾斜面上的最大太阳能辐射量，这样在安装固定式光伏系统时，才会保证光伏系统的年最大发电量。从气象站得到的资料，一般为水平面上的太阳辐射量，须换算成光伏阵列倾斜面的辐射量，才能进行光伏系统发电量的计算。计算日辐射量的公式：式中R倾斜方88、阵面上的太阳总辐射量D-散射辐射量，假定D与斜面倾角无关;S水平面上的太阳直接辐射量；方阵倾角；中午时分的太阳高度角。对于北半球地理纬度=的地区，与太阳赤纬角的关系如下：其中，N为-年中某日的H期序号，如1月1日的N=l，2月1 的N=32, 12月31日的N=365等。根据上式计算出#地区光伏组件朝向正南向时方阵各个倾斜角度处的太阳能辐射量结果。表6.2各个角度太阳辐射量根据以上各倾斜面太阳能辐射量计算结果可知：每日水平面上日平均太阳能辐照峰值时数为：3.84度/平方米/日；安装最佳倾角范围在2834之间，4.26度/平方米/日为该范围内的最大太阳能辐照峰值时数。根据安装总容量的要求以及考虑89、到抗风强度，设计的最佳安装角度为29时，年平均峰值日照时数达到最大值。（3）最佳方阵间距的设计对于屋顶安装的太阳能电池阵列，为避免光伏板之间的相互遮挡，并获取全年最大的发电量，安装过程中必须要考虑电池阵列的安装间距大多数屋顶安装的太阳能电池板为了获取全年最大的发电量，安装位置都是南向，并根据具体地理纬度的不同有一定倾斜角度，该倾斜角度的大小又可以根据不同季节太阳高度角的变化而进行调整为了避免光伏阵列之间的相互遮挡，进而影响发电效率的问题，两组光伏阵列间的距离d与阵列的宽度a有如下的关系，见图3.5所示。dc图6.5光伏电池板安装间距示意图其中式中p阵列的倾斜角度；当地维度；黄道面角度，23.590、。上式关系式中的前一排光伏阵列的遮挡角度e等于冬至日太阳正午时的方位角。由上式可以得到光伏阵列参数随地理纬度的变化，如下图3.6所示。可以看出，随着纬度的增加，前后两排光伏阵列间的距离也应不断增大，直到达到北极圈附近时，距离应增加到无限大。实际上，每排光伏阵列占用的实际面积应该比计算的稍大些，因为要考虑到便于光伏阵列和电气装置的安装、维护，以及工作人员的操作。本方案为正南向29倾斜角安装，同时确定光伏电池组件阵列间距，以避免南部的方阵对北部方阵形成遮阴，计算原则为保证在冬至日的午前9时至午后3时期间方阵前后阵列不形成阴影。图5.6纬度与光伏阵列间距的变化关系经计算，本光伏电站行间距最小间距应为91、1392mm，为了便于施工，在不影响电站安装量的前提下，设定本项目光伏方阵间距按照1500mm执行。6 光伏并网设计#交通大学校白天平均用电负荷约29000KW（寒暑假除外），校园内有15座10/0. 4KV 变电所。#交通大学各开关站容量分布表：开关站合同容量（KVA）分变数/总容量超合同容量变压器数量KB01153006/15200-10012KB02167609/18960220018KB03178308/19800197018KB05130006/13000012KB0684003/840006KB0775304/7540(其中6*630高压电机)+2000（空泡）+1250（风洞）+92、1250（箱变）=1204045105KB09128004/1280008合计9162040/100200858079目前，#交通大学光伏电站功率分布为东上院100kw，智能电网中心70kw，图文信息楼70kw。其中东上院、智能电网中心、图文信息楼发电都并入了KB05站，由上面统计分析可知，并入的总功率为240kw，KB05站的日平均功率为3900kw，故可自行消化。6.2.3 安装结构设计由于#交通大学240kW屋面光伏发电系统是在既有建筑屋面上进行设计、安装，因此使用具有不破坏屋面防水、保温、结构安全，同时又有较高经济性的安装方式成为首选。其中由于独立基础式支架安装方式能够进行工厂预制施工93、形成点式布局，便于雪水、雨水排出。图5.7独立基础式支架安装6 混凝土基础基础采用C30混凝土浇注预制，平放在水泥屋顶上，基础尺寸长约700mm，宽约300mm，厚度方向因存在流水坡度，最薄处约300mm，上平面在同一水平面内，每个基础重量约为151.2kg，以方便屋顶吊装（最高屋顶约30米）。6. 支架计算条件：平面屋顶，屋顶女儿墙高度为1.2米。所在地区：#市闵行区。支架设计风级11级，风速按33m/s,对应风压按0.66kN/m%雪压：0.3kN/m2（1）荷载计算组件自重：排除，构件机械吊装、减少人工支出等优势，在实际项目中得到采用，独立基础式支架安装方式如下图3.7所示。250Wp94、组件自重为0.155kN,外形尺寸为：1640mm*992mm*40mm风荷载计算单个组件受到的风力为：F=0.66kN/*1.64m*0.992m*sin29 =0.5kN雪荷载计算 Sk =rS0Sk：雪荷载标准值（kN/m2);r屋面积雪分布系数，根据建筑结构荷载规范GB5009-200I,查表6.2.1,取第一项，可得r为0.8;S0：基本雪压 (kN/m2),根椐建筑结构荷载规范GB5009-2001,地区50年一遇基本积雪: 0.30kN/m2。雪荷载标准值为:Sk =r S0 =0.8*0.30 kN/m2 =0.24 kN/m2分析上述荷载计算结果，可以看出组件自身的荷载与风荷95、载和雪荷载组合效应是最不利情况，所以强度计算应以组件自身荷载与风荷载和雪荷载组成值进行组合系数0.7。（2）校核计算主要校核受力条件比较差的檫条和钢梁,而其他小受力构件及螺栓、组件受力等，根椐以往案例能够充分满足要求，不再予以校核。刚度校核:f/l=l/1525.6l/200；强度校核:5=37.3MPa150MPa，可见，强度和刚度都远远小于允许值，是安全的。屋面荷载校核以9块组件范围内的组件支架及混凝土基础对屋面的荷载为例计算。9块组件共重约 1015.5= 139.5kg，支架重量约110kg，基础重量约151.2kg/个6个=907kg。紧固件及角码重量较小，此处忽略。总重约：139.96、5+110+907=1156.5kg。单位面积增重为：1156.5 kg (7.488m2m) =70kg/m2, 77kg/m29.8m/s2= 754.6N/, 754.6N/2000N/，故屋面承载足够安全。负风压问题的校核以三块组件范围内的组件支架及混凝土基础为例计算。支架及组件总重约为80kg，其重力G280kg9.8m/s2=784N；混凝土基础重力G1=151.29.8 m/s2= 1482N。组件所受到的负风压为F1=3(-0.41)kN=-1230N，风对组件及支架系统产生的力矩为：M1=FL1=1230N 1.16m= 1426.8N.m,重力产生的力矩为：M2=G1 L297、+G1L3+G2L4=(14821.65+14820.35+7840.99)N.m=3760N.m。M2=2.63M1.不会被风掀翻。摩擦阻力 f=N=0.6(G1+G2+G3) =0.6(1482+1482+784) N=2248.8N。f=1.83Fl，不会产生滑移。支架在所列条件下强度和刚度都能满足要求，不会压溃屋面，也不会被风掀翻和滑移。因此此设计是经济安全可靠的。6.2.4 电气安全6 低压并网防逆流的解决#交通大学校园白天平均用电负荷约29000KW (寒暑假除外），正常月份所发电能可完全被该用电负荷自行消化。由于#交通大学目前装机容量远小于日平均用电负荷，故不用担心逆流问题，但是98、随着光伏电站逐步建设，我们在设计时需要考虑每个站点的发电功率。#交通大学的光伏电站有效安装面积为20.05万平方米，可装机容量为12997.25kw。为日平均用电负荷的44.8%。学校在寒暑假期间，整个校区用电负荷处于低谷，除去图书馆数据中心和部分实验室外，接入其它变电所的光伏发电未来都有可能会出现电能返回供电电网（逆流）的情况发生，这种情况对供电局来说是绝对不允许的，因此，必须采取措施杜绝供电电网逆流发生。目前我们通常采用的解决办法有以下两种：采用防逆流装置。按照全校未来光伏发电装机12997.25kw计算，防逆流装置的控制电缆将从各变电所敷设至每台逆变器，电缆敷设要穿越多处道路，破坏原有路99、面且施工难度非常大，由于逆流的产生只是在学校假期出现，学生在校期间防逆流装置基本不参与控制，投资利用率非常低。采用能源综合监控系统。学生在校期间各变电所平均用电负荷均较大，基本不会出现逆流现象，为防止旦出现逆流供电局采取制裁，可通过能源综合监控系统自动监视电流变化，随时降低逆变器运行功率，以保证不出现逆流现象。因此在实际的使用过中我们主耍采用了智能化的能源综合管理系统，尽管能够保证不发生逆流现象，但是寒暑假期间电力并未得到利用，浪费情况突出，因此在后续的系统优化设计中需要更多的考虑、研究假期能源在高校内部的分配和储存问题。6 “孤岛”效应保护#交通大学240kW光伏发电项目并网逆变器采用了两种100、反“孤岛效应”的检测方法，即被动式与主动式检测方法，来确保系统的稳定运行。具体工作过程为，当逆变器检查到电网失电后，将立刻切断与配电电网的连接，避免光伏电力的上网输送；当逆变器检测到电网供电后，不会马上连接进行工作，而是对电网进行180秒的持续监测，确保电网安全稳定后，才正常连接使用，避免了“孤岛效应”产生对电网负载和工作人员的危害。6 防雷保护屋面光伏发电的防雷设计是一个复杂的系统工程，它需要将建筑外部的防雷措施与光伏组件内部的电气安全措施相结合。在240kW光伏发电项目中，因光伏组件的安装位置并未设置在建筑的最高位置，根据相关标准规定(GB50057 2000建筑物防雷设计规范)，本项目建101、筑物属三类防雷建筑物。为使建筑物受到直接雷和感应雷的电击时能有较好的保护，系统采用将建筑原有的防雷系统与光伏方阵支架相连，形成网状的防雷系统，确保接地电阻至少小于- 10；同时在光伏发电回路的直流侧和交流侧都安装高可靠性的防雷模块；并将所有电气设备都装设接地装备，且将电气设备外壳接地，以求最大限度地达到避免因雷击现象造成重要设备损坏，保证人员的生命安全。6.2.5 在线监控由于项目逆变器比较分散，故系统采用以太网模块通讯实现远程网络通讯功能的方式。整个系统配置了多台以太网模块、1套多机版监控软件、多台数据采集器、1台环境监测仪、UPS电源、1套LED显示屏等。校方管理人员可通过上机监控软件，方102、便调出系统运行状况数据、历史发电统计数据、故障数据资料，以及现场的环境情况。为使整个系统发电情况及环境情况更直观展示，并将监控装置实时监数据传到LED室内显示屏进行显示，LED显屏安装在学校智能电网大楼的二楼监控中心内，见下图3. 8所示。图5.8 #交通大学光伏发电监控系统6.4 经济及环境评价6.4.1 经济效益（1）系统效率分析系统的总效率n= n1* n2* n3, 其中n1为光伏阵列效率，指光伏阵列在1000w/太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比；n2为逆变器的转換效率，指逆变器输出的交流电功率与罝流输入功率之比；n3为交流并网效率，指从逆变器输出后供配电网的传输效率，103、其中最主要的是隔离变压器的效率。由于光伏阵列在能量转换与传输过程中有所损失，它包括组件匹配损失。一个精心设计、精心施工的系统，约有4%的损失；太阳辐射损失包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失,取值5%；偏离最大功率点损失，如温度的影响、最大功率点跟踪(MPPT)精度等取值4%；直流线路损失按国家标准规定应小于3%。故光伏阵列效率n1=(1-4%)*(1-5%)*(1-4%)*(1-3%)=96%*95% *96%*97% = 85%。逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比2, 由参数手册查得最大效率，2 = 95%；从逆变器输出供配电网的传输效率3, 一般可取3 = 95%。系104、统的总效率等于上述各部分效率的乘积: = 123= 85%95%95% = 77%。（2）并网光伏发电系统发电量计算并网光伏发电系统的发电量，与当地的太阳辐射能量、太阳电池组件的总功率、系统的总效率和光伏组件的衰减率等因素有关，根据太阳电池组件的质保承诺，本项目预计发电能力衰减率10年不低于10%，20年不低于20%，本项目实际设计峰瓦值为240KW，综合以上数据，本系统以25年寿命期计。 测算年平均发电量如下：q = 240KW3.8H/d365d77% = 25.63万KWH 25年总发电量：Q =25.63万KW.H25 =641万KWH根据项目地点的情况，使用RETScreen软件（加105、拿大能源局）进行电站各方面的分析，根据系统所在的#市19982008年10年间平均太阳辐射量、系统组件总功率240KW、系统效率77%，可估算发电量为：240KW组件在倾角29的安装方式，首年发电量约133.66万千瓦时。按照目前用电电价，每千瓦时0.5元，首年发电量133.66万KWh计算，系统当年可节省电费约66. 83万元。按照光伏电站平均寿命25年计算，年平均发电量118. 96万KWh，累计发电2974KWh，总计可节省电费70. 59万元，25年内每年可少交纳电费1487万元，实际运行25年后，该电站仍至少可维持5年以上的发电能力。（3）投资估算本项目的投资估算涉及如下各方面的成本106、及费用；1）、发电设施成本；2）、输变电设施成本；3）、配套设施土建工程成本；4）、工程安装及运杂费；5）、其他费用。光伏发电系统设备及安装投资估算分类明细表光伏阵列序号项目明细单位数量单价(元)总价（万元）1光伏组件kWp240165.4952支架T247511.899038463单元接线箱个400.3846153854支架接线箱个4000.3846153855基础固定金具件144000.1038461546支架固定金具套4992000.247组件固定金具件3681600.0530769238电缆电线米2200002.115384615小计180.6755769逆变设施1并网逆变器台4014107、.423076920002交流配电柜台20 0.5769230773接线电缆米40000.076923077小计15.0769230812500kVA变压器台5 0.721153846升压输变00002电流互感器套50.2884615383断路器套50.3846153854隔离开关套50.0480769235计量装置台50.3605769236高压输电线路KM50.360576923小计2.163461538控制检测与数据传输系统1.25 土建工程1防雷及接地装置套400.1923076922光伏阵列基础立方米2265.61.0892307693场地平整m241490.1995192314线缆108、地沟米1201.1538461545设备电气基础m21200.1730769236房屋建设m236002.0769230777道路及场地m25002.4038461548防护围栏m2830.2394230779清洁、水路管线设施0.961538462小计8.489711538安装劳务、调试、运输1安装调试劳务10人万元/人.年0.8653846152安装调试设备使用费0.4326923083运输杂费用1.875小计3.173076923其他费用1建设项目法人管理费(建筑工程费+安装工程费)费率1.61%0.1955288462前期工程费勘测设计费费率18%0.4153846153设备成套服务费109、设备购置费费率0.50%0.9934134624备品备件购置费设备购置费费率0.80%1.5894711545勘察设计费23001%2.3076923086竣工图文件编制费勘测设计费费率6%0.1384615387工程监理费240kW30元/kW0.1460096158生产办公用具购置费(建筑工程费+安装工程费)费率0.59%0.0716346159交通工具购置费设备购置费费率1%1.98682692310其他(建筑工程费+安装工程费)费率0.14%0.017019231小计7.861442308总计218.6901923发电成本发电成本包括折旧费、修理费、职工工资及福利费用、劳保统筹费、住房110、公积金、材料费、保险费、利息支出及其他费用。发电经营成本为不包括折旧费的全部费用。项目的固定资产形成率按100%计；综合折旧率按5%计；修理费率前两年按1.0%，之后三年按1.5%计，以后年份按2.0%计；职工人均年工资按36000元计；职工工资及福利费按工资的14%计；劳保统筹费按工资的17%计；住房公积金按工资总额的10%计；保险费按固定资产价值的0.25%计；材料费定额每千瓦15元；其他费用定额每千瓦25元；电厂定员2人。税金本项目应缴纳的税金包括销售税金附加和所得税，电价测算中未计入增值税，增值税仅作为计算销售税金附加的基数。1）增值税本项目增值税实行按增值税应纳税额征收，即增值税税率111、按17%计。2）销售税金附加销售税金附加包括城市维护建设税和教育附加税，以增值税税额为计算基数。项目城市维护建设税率取5%，教育附加税率取3%。所得税按应纳税所得额计算，本项目的应纳税所得额为发电收入扣除成本和销售税金附加后余额。（4）财务效益计算1）发电收入本工程作为电网内实行独立核算的发电项目，其发电收入按经营期平均上网和上网电量计算。上网电价按资本金财务内部收益率8%测算。2）利润本工程发电收入扣除总成本费用和销售税金后即为发电利润，在扣除应缴纳所得税后即为税后利润。税后利润提取10%的法定盈余公积金和5%的公益金后，剩余部分为可分配利润；再扣除分配给投资者的应付利润，即为未分配利润。（112、5）清偿能力分析1）贷款偿还期及上网电价按资本金财务内部收益率8%测算，上网电价为 3.822元/千瓦时。经计算，贷款偿还期为12年。2）还贷资金电场还贷资金主要包括发电未分配利润和折旧费。还贷期内未分配利润和折旧费全部用于还贷。5）资产负债分析计算表明，本项目仅在建设期负债率较高，随着投产发电，资产负债率逐渐下降；还清固定资产本息后，资产负债率很低，资产负债率0.3%。说明该项目偿还债务的能力较强。（6）盈余能力分析按资本金财务内部收益率8%测算，经营期上网电价为0.822元/千瓦时，投资回收期为5.7年，平均投资利润为9.7%，平均投资利税率为9.7%，资本金利润率为12.84%，全部投资113、财务内部收益率(所得税前)13.9%；全部投资现金流量见附表财务评价指标汇总表序号项目单位指标备注1装机容量kW2402年发电量万kWh4.373总投资万元212.44建设期利息万元5流动资金万元28销售税金及附加总额万元6.19发电利润总额万元55.510经营期平均电价元/千瓦时0.82211盈利能力指标11.1平均投资利润率%9.711.2平均投资利税率%9.711.3资本金利润率%25.411.4全部投资财务内部收益率%13.9所得税前11.5全部投资财务内部收益率%10.9所得税后11.6资本金财务内部收益率%12.8411.7静态投资回收期年10.912清偿能指标12.1借款偿还期年114、5.7敏感性分析项目财务评价敏感性分析，主要考虑固定资产投资、发电量等不确定因素变化时，按资本金财务内部收益率8%测算的上网电价、借款偿还期、全部投资财务内部收益等财务指标变化。在上网电量计算中，对各种影响因素考虑比较充分，上网电量减少幅度按5%考虑，同时也补充了上网电量减少5%的不利因素对财务指标的影响。财务敏感性分析结果见表。从表中可以看出，投资增加，发电量减少均对上网电价影响较大，电量减少影响更加明显。下阶段进一步落实资金筹措计划，在建设期加强管理，控制投资的增加，确保工程如期发电。财务评价结论财务评价结果表明本工程具有：1）清偿能力：借款偿还期为5.7年，具有较强的清偿能力。2）盈利能115、力：按资本金财务内部收益率8%测算，经营期上网电价为0.822 元/千瓦时,投资回收期为5.7年，平均投资利润率为69.7%，平均投资利税率为9.7%，资本金利润率为12.84%，全部投资财务内部收益率（所得税前）13.9%，项目具有一定的盈利能力。综上所述，本项目具有还贷和盈利能力，财务评价可行。6.4.2 环境效益对于高校建筑而言，提高可再生能源利用率，发展太阳能光伏发电是改善生态、保护环境的有效途径。#交通大学240kW光伏发电项目每年相当于节约标准煤约108吨，同时减少污染排放2.06吨碳粉尘、106. 7吨二氧化碳(C02)、12. 4吨二氧化硫(S02)、90.0吨碳粉尘；光伏电站116、能耗回收期只有5. 59年，其计算结果见节能减排计排实施后，主要大气污染物的减排效果：注：每节约1度（千瓦时）电，就相应节约了0. 36千克标准煤，同时减少污染排放0. 272 千克碳粉尘、0.997千克二氣化碳（C02)、0. 03千克二氧化硫（SO2 )、0.015千克氮氧化物(NOX )1MW屋面光伏电站能耗回收期计算GHGS+CHGB0S=E*S=2371875kWh6.5 本章小结本章以#交通大学240kW屋面光伏发电案例，通过对高校用能特征、地理信息、系统特性的分折研究，提出了具体的设计方案和保护措施，总结了大量的实际施工安装经验，为大量具有同样情况的设计案例提供技术参考。第7章 117、总结尽管与常规能源相比，光伏应用成本仍然偏高，但未来随着科学技术进步，光伏转换效率将的提升、相关配套设施的成本的降低、储能技术的进步、电力需求量的增加，特别是绿色、生态观念的深入人心，光伏发电必将逐歩改变人们的用能结构。由于我国人多地少、既有建筑量大面广的国情短期内不会出现大的变化，可以预计只有光伏电站与建筑结合才能使光伏发电有所作为。但由于光伏建筑应用系统不、同于普通意义上的光伏电站，它需要作为建筑中不可缺少的一部分而存在，这既涉及到光伏系统的质量安全问题，又涉及到建筑的和电网的安全性，但国内与建筑集合的光伏建筑一体化有效的认证体系（国内CQC认证和CGC的“金太阳”认证主要是计对光伏组件或118、独立的光伏系统的认证）还处于欠缺状况，使得国家相关的补贴政策、扶持力度不具有针对性，在一定程度上影响了光伏建筑的推广使用。为此我们需要开展光伏建筑一体化的认证工作，以保障整个光伏建筑应用系统设计的安全性、合理匹配性、耐久性和创新性。高校的屋面光伏发电站是当前我国推进分布式光伏发电的重要组成部分，以高校屋顶分布式光伏建设为切入点，可以有计划有步骤的将整个校园建设成为一个不仅包含光伏发电，同时逐渐形成一个集供电、供暖、供冷、储能、水处理、充电桩为一体的智慧校园能源互联网体系。根据调研结果和当前分布式光伏能源市场现状，我们提出了以下政策建议和发展思路：由#市教委牵头成立#市高校分布式能源发展联盟，联119、合#市内众多高校一起起草分布式能源发展技术标准、企业资质标准、光伏电站运营标准等。通过EMC投资、EPC总包等方式组团进行#市高校分布式光伏电站建设，提高高校在光伏电站建设中的话语权。发改委针对高校分布式光伏联盟单位制定个性化补贴标准，在分布式电站并网过程中提供项目备案绿色通道。成立高校分布式能源建设专家库，制定区域能源站、分布式能源大数据分析、能源互联网等新技术应用标准，设定企业准入门槛等。争取#市内相关部门的新能源投资资金，设定企业准入门槛，通过与有实力的投资企业协商，为学校争取最大电价优惠。节能效益分享，为学校教学楼申请三星级绿色建筑。依托专业的电力投资公司、综合能源服务商以及环保设备专120、业制造商，建设专业的智慧能源管理平台，通过专业规划，并充分考虑用电负荷、电费补贴、气候因素，将发电设备（太阳能光伏、燃气三联供、电网电力）、配电网、储能电池、充电桩、水处理设备、冷热供应的方式方法进行最优配置，建设一个高效节能的校园分布式能源体系，通过电网供电和光伏发电的最佳搭配，结合天然气冷热电三联供、热泵、地热利用等技术，将校园打造成绿色、高效、清洁的能源生产与消费基地。通过采用先进的能源互联网技术，不仅能够保障后期校园电力运营的平稳，也能使得高校自身用能成本得到大大降低，是功在当代利在千秋的有益实践。本报告以调研为基础，以高校太阳能光伏屋面资源的整理，对屋面机构系统设计、安装及并网应用研121、究为对象，主要进行以下几个方面的研究工作：第一部 分，对#高校屋面储备资源和学校用能情况状况进行调研，进行对比分析，提出了高校建筑用能特征与电力消耗中存在的问题，总结了高校进行屋面光伏发电拥有的巨大优势。第二部分，对高校光伏发电系统进行研究；分析了太阳能光伏发电的集成要点，研究光伏组件在既有建筑屋面的构造安装，鉴于高校用能特点提出高校光伏系统的并网设计。第三部分，结合#地区的光伏政策与建设环境，通过光伏系统的经济性与可持续性计算，探讨高校校园光伏项目投资与建设的模式和适用的商业运营模式。第四部分，结合#市高校校园己有资源，对#市开展太阳能光伏发电项目进行预测，对项目实施经济、环境与社会效益进行分析，并对项目可能存在的风险进行分析。第五部分，通过太阳能光伏发电系统在#地区校园的试点应用案例，开展应用效果分析和环境评价。第六部分，总结高校用能特征，优化光伏余电上网使用，提出了#高校屋顶光伏电站建设的建议和所需的政策。