上海高校光伏项目可行性报告2017.11.20

0上海市校园太阳能光伏发电项目可行性研究报告上海交通大学2017年11月0目录第1章绪论111概述112研究背景3121光伏发电相关政策3122国内光伏发电利用现状错误未定义书签。123国外太阳能光伏发电利用情况错误未定义书签。13研究目的和意义614研究概况及主要结论7第2章高校光伏应用的条件分析1121高校屋顶资源1122高校能源消耗132121照明耗能高142122取暖、制冷能耗大142123浪费行为严重1523高校光伏发电应用优势16231校园规划优势162311科学选址162312集中布局、合理分区162313充分利用空间资源17232建筑设计优势1712321屋面布置优势172322建筑结构优势18233建筑用能优势192331调峰稳压192332降低负荷1924本章小结20第3章高校光伏发电的方案设计2031高校建筑光伏发电系统的设计20311设计流程与要点203111设计流程203112设计要点21312系统组成2432高校建筑屋面光伏发电系统的结构设计27321独立基础式28322条形基础式29323负重基础式30324全钢可调式31325网基式导流板式32326工程塑料固定式3333高校建筑光伏系统的并网设计34331并网优势34332并网影响3523321对电能质量的影响353322对配电网的影响363323对电网调度的影响383324其他影响38333光伏局域并网系统与常规电网的智能设计研究393331寒暑假期间光伏电力并网设计393332暑假期间电池蓄能4145本章小结42第5章运营模式分析4251高校建筑光伏系统的可持续性分析4252运营模式分析4353本章小结46第6章高校光伏发电项目的典型案例4761项目背景及条件47611项目背景47612地理、环境条件4862建设概况48621项目情况48622阵列系统设计496221光伏组件设计496222光伏阵列设计526223光伏并网设计563623安装结构设计576231混凝土基础586232支架计算58624电气安全616241低压并网防逆流的解决616242“孤岛”效应保护626243防雷保护62625在线监控6364经济及环境评价64641经济效益64642环境效益7165本章小结72第7章总结7215报告的框架错误未定义书签。0第1章绪论11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，中东部1地区主要建设分布式电站，上海、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。以上海为例，上海共有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，分析了上海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，提出了上海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，希望能为上海地区高校光伏发电设计人员和从业人员提供一定的参考。同时报告以上海交通大学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2方案；且设计了一套能源互联网综合在线监控系统，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上海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，提出了上海开展建设校园光伏电站项目的建议。12研究背景121光伏发电相关政策国家可再生资源中长期发展规划中，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3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4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。如上海市对于分布式光伏项目，投资方若为工、商业用户，上海“度电补贴”金额为025元/千瓦时，个人、学校等享受优惠电价的用户则为04元/千瓦时。此外，光伏电站的补贴金额为03元/千瓦时，对于陆上及海上风电，也可享受01及02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042元税前的补贴，如果余电上传至电网，则按照上海的脱硫燃煤机组标杆上网电价039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。由于上海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5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、环境意义，又能给相关设计与施工人员提供一定程度的应用指导。13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、6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。14研究概况及主要结论本研究拟在充分调研上海市校园屋顶实际情况的基础上，结合太阳能光伏发电系统的技术特点，研究各种屋顶应用条件下的系统方案与设计架构，分析上海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上海地区校园的试点应用案例，开展应用效果分析和环境评价，提出上海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、上海高校屋面储备资源和学校用能情况状况上海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7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，为此提出一套适合上海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电项目不同运营模式的叙述和收益的计算，上海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，随着上海地区电力售电改革的推进，8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042元/度（补贴期限20年）上海市针对学校分布式电站补贴055元/度（补贴期限5年）。该项目预计运营5年可拿到上海市补贴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726万度，该项目预计可运营长达30年，累积发电量达1924万度。其中首年可节约电费46万元，30年累积可节约1224万元。9该项目前5年平均收益率约236，第6年至第20年平均收益率为143，运营30年总投资收益率达411。依据上海市发展和改革委员会2016年11月16日发布上海市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，符合上海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525吨。10第2章高校光伏应用的条件分析21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。下表为上海市高校校舍建筑面积指标单位/生第一类第二类第三类第四类备注学校类别综合、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285不高于315不高于235不高于38不高于7151、教学及辅助用房不低于1295不低于1595不低于795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22不高于35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不高于125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155不高于155不高于155不高于18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11上海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上海交通大学5332200512997252同济大学400015049750383复旦大学347613078473084华东师范大学310011657556545上海大学300011287312786上海师范大学270010156581507华东理工大学26409926435258东华大学20007524875199上海海事大学200075248751910上海理工大学196073747776811上海海洋大学160060239001512华东政法大学130048931688713上海工程技术大学120045129251114上海应用技术学院120045129251115上海政法大学107840526277316上海电力学院92434722523417上海外国语大学86732621133918上海财经大学74828118233219上海对外贸易学院70026317063220上海第二工业大学70026317063221上海金融学院67525416453822上海中医药大学60022614625623上海体育学院59522414503724上海电机学院52919912894925上海立信会计学院50018812188026上海商学院32012078003总计437441644610663011可见，上海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发展的规划和建设程度，上海高校的屋顶资源分布区域化特点比较明显，各学校建12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。22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21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441、158、87、41、41、41、39和21，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。科研楼,4410教学楼,410图书馆,870行政办公楼,210场馆类,410综合楼,390食堂餐厅,410学生宿舍,1580其他,1140大型或特殊科研实验室,170图21某典型高校用能占比分析图13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2121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，使用了浪费能源的白炽灯或日光灯白炽灯15LM/W,日光灯50LM/W、LED节能灯90110LM/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。2122取暖、制冷能耗大供暖能耗占上海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。且上海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。14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。2123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22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，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。15图22某学校宿舍楼的电力浪费状况23高校光伏发电应用优势231校园规划优势2311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。通过实地调研上海市26所高校和上海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10663MW，平均年发电量可达16500万度。2312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，16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。2313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。232建筑设计优势2321屋面布置优势高校建筑屋顶大多设计简洁、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56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。以上海交通大学240KWP光伏屋面发电项目17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，平均下来的单位造价相对较低。如下图23所示，上海交通大学在将光伏板作为国家能源智能电网上海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23国家能源智能电网上海研发中心屋顶光伏电站2322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608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。18233建筑用能优势2331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。2332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。通过为上海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23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445和388。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23不同形式屋顶结构日总得热量和峰值冷负荷统计表19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1422025413封闭通风1422049787不带通风1422052888普通屋顶142204990724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31高校建筑光伏发电系统的设计311设计流程与要点3111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20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。3112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，其只相当于垂直光照射发电量的8090、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AM900PM1300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础。（2）建筑朝向与周围场地情况21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22建筑是一个复杂而完整的统一体，与光伏相结合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31所示，由上海交通大学学生创意、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。31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23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83，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。312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24生电压和电流。单体电池的输出电压只有045050V,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32，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32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25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、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。26（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26所示图33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。32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，27找到适合当前上海高校屋顶结构的光伏系统安装方式。321独立基础式图34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34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。28322条形基础式图35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35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。29323负重基础式图36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36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。30324全钢可调式图37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37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。31325网基式导流板式图38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164099440MM左右，其具体安装效果如上图38所示。此系统安装方便，在铝导轨上安装不锈钢支撑件，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。32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。326工程塑料固定式39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33效果如上图39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。33高校建筑光伏系统的并网设计331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，是当前光伏电力的主要形式，具有较高的经济性与环保性。下表31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31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34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332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3321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，35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的88100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212V264V，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42发生孤岛效应时的供电状况3322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36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37效应的功能是至关重要。3323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。3324其他影响除了上述影响之外，光伏并电发电系统在电网