X校园太阳能光伏发电项目可行性研究报告.docx

上海市校园太阳能光伏发电相关项目可行性Vl究报告上海交通大学2017年11月第1章绪论O1.1 概述O1.2 研究背景21.2.1 光伏发电相关政策21.2.2 国内光伏发电利用现状错误!未定义书签。1.2.3 国外太阳能光伏发电利用情况错误!未定义书签。1.3 研究目的和意义51.4 研究概况及主要结论6第2章高校光伏应用的条件分析112.1 高校屋顶资源112.2 高校能源消耗132.1.2.1照明耗能高142.122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172.3.3 建筑用能优势192.3.3.1 调峰稳压192.332降低负荷192.4本章小结20第3章高校光伏发电的合适的方案设计213.1 高校建筑光伏发电系统的设计213.1.1 设计流程与要点213.1.1.1 设计流程213.1.1.2 设计要点213.1.2 系统组成253.2 高校建筑屋面光伏发电系统的结构设计283.2.1 独立基础式293.2.2 条形基础式303.2.3 负重基础式313.2.4 全钢可调式323.2.5 网基式导流板式333.2.6 工程塑料固定式343.3 高校建筑光伏系统的并网设计353.3.1 并网优势353.3.2 并网影响363.3.3 对电网调度的影响393.3.2.4其他影响393.3.3光伏局域并网系统与常规电网的智能设计研究.403.3.3.1 寒暑假期间光伏电力并网设计403.3.3.2 暑假期间电池蓄能424.5本章小结43第5章运营模式分析445.1 高校建筑光伏系统的可持续性分析445.2 运营模式分析445.3 本章小结47第6章高校光伏发电相关项目的典型案例496.1 相关项目背景及条件496.1.1 相关项目背景496.1.2 地理、环境条件506.2 建设概况506.2.1 相关项目情况506.2.2 阵列系统设计516.2.2.1 光伏组件设计516.2.2.2 光伏阵列设计546.2.2.3 光伏并网设计596.2.3.2支架计算616.2.4 电气安全636.2.4.1 低压并网防逆流的解决636.2.4.2 “孤岛”效应保护646.2.4.3 防雷保护656.2.5 在线监控656.4 经济及环境评价666.4.1 经济效益666.4.2 环境效益756.5 本章小结75第7章总结756.6 报告的框架错误!未定义书签。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“太阳能先导相关计划”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；且相关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光伏发电实际相关项目为典型研究合适的内容，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合适的方案；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、电气安全等设计合适的方案；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光伏发电相关项目的综合经济性、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合适的方案。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相关项目的建议。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、土地面积广、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IOkV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的光伏发电相关项目，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；光伏相关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，要求电网管理管控部门免费为光伏发电相关项目业主提供系统合适的方案设计、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管控企业负责。光伏发电并网服务工作细则的出台，降低了光伏相关项目开发成本，提高了相关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合适的方案的初始阶段，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，特别是对大、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相关项目，投资方若为工、商业用户，上海“度电补贴”金额为0.25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，则按照上海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。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，其问题的解决能为教育建筑屋面光伏电站的建造提供完善合适的方案、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。光伏发电相关项目的经济性、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合适的方案与设计架构，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。1.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相关项目中更多的使用，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相关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相关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，具体核算比较相关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，校园光伏发电相关项目首先需要确定场地资源，如果自身拥有场地资源，可选择合同合约能源管理管控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合约能源管理管控协议（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。投资方作为合同合约能源管理管控服务商，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，合同合约能源管理管控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（或者合同合约能源管理管控模式）下，自发自用（或者合同合约能源管理管控用户用电）用电量需达到一定比例（占光伏相关项目总发电量），相关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相关项目自发自用或采用合同合约能源管理管控模式，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），分布式光伏发电相关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相关项目，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）+上海市针对学校分布式电站补贴0.55元/度（补贴期限5年）。该相关项目预计运营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相关项目发电量预测，预计首年发电量72.6万度，该相关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。该相关项目前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年碳排放配额分配合适的方案，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，该节能相关项目将可产生额外收益。该相关项目主要使用学校闲置屋顶进行建设，相关项目本身无污染、且不额外占用土地，并网式相关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，相关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。相关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。该相关项目总装机量为500KW,按照相关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：m2/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、外浴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533220.0512997.252同济大学400015.049750.383复旦大学347613.078473.084华东师范大学310011.657556.545上海大学300011.287312.786上海师范大学270010.156581.507华东理工大学26409.926435.258东华大学20007.524875.199上海海事大学20007.524875.1910上海理工大学19607.374777.6811上海海洋大学16006.023900.1512华东政法大学13004.893168.8713上海工程技术大学12004.512925.1114上海应用技术学院12004.512925.1115上海政法大学10784.052627.7316上海电力学院9243.472252.3417上海外国语大学8673.262113.3918上海财经大学7482.811823.3219上海对外贸易学院7002.631706.3220上海第二工业大学7002.631706.3221上海金融学院6752.541645.3822上海中医药大学6002.261462.5623上海体育学院5952.241450.3724上海电机学院5291.991289.4925上海立信会计学院5001.881218.8026上海商学院3201.20780.03总计43744164.46106630.11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%、3.9%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11W11照度分布不小丁300Lx,美术教室需要的照明功率要求不大于18W112,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90-110LM/W）,同时管理管控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。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。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，使浪费问题变得越来越严重。另外，对于部分已有光伏发电相关项目的高校，因种种原因光伏余电未能上网输送，特别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106.63MW,平均年发电量可达16500万度。2.3.1.2 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。以上海交通大学24OkWP光伏屋面发电相关项目为例，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,平均下来的单位造价相对较低。如下图2.3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2.3国家能源智能电网上海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。2.33.2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别可降低44.5%和38.8%o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(MJm2)日总得热量(MJm2)峰值冷负荷(Wm2)通风流道14.220.254.13封闭通风14.220.497.87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章高校光伏发电的合适的方案设计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：二是根据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。而在相关项目预算有限，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。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，在光优组件屋面设计空气通风通道，可使组件的电力输出提高8.3%,组件的表面温度降低15。C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、管理管控等。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和电流。单体电池的输出电压只有045-0.50V,电流约为20峰值功率为IW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