(項目管理)上海高校光伏項目可行性報告

1、上海市校園太陽能光伏發(fā)電項目可行性研究報告上海交通大學(xué)2017年11月1目錄第1章緒論.11.1概述.11.2研究背景.31.2.1光伏發(fā)電相關(guān)政策.31.2.2國內(nèi)光伏發(fā)電利用現(xiàn)狀.錯誤!未定義書簽。1.2.3國外太陽能光伏發(fā)電利用情況錯誤!未定義書簽。1.3研究目的和意義.61.4研究概況及主要結(jié)論.7第2章高校光伏應(yīng)用的條件分析.112.1高校屋頂資源.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浪費行為嚴(yán)重.152.3高校光伏發(fā)電應(yīng)用優(yōu)勢.162.3.1校園規(guī)劃優(yōu)勢.162.3.1.1科學(xué)選址.162.3.1.2集中布局、

2、合理分區(qū).162.3.1.3充分利用空間資源.172.3.2建筑設(shè)計優(yōu)勢.1712.3.2.1屋面布置優(yōu)勢.172.3.2.2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)勢.182.3.3建筑用能優(yōu)勢.192.3.3.1調(diào)峰穩(wěn)壓.192.3.3.2降低負(fù)荷.192.4本章小結(jié).20第3章高校光伏發(fā)電的方案設(shè)計.203.1高校建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計.203.1.1設(shè)計流程與要點.203.1.1.1設(shè)計流程.203.1.1.2設(shè)計要點.213.1.2系統(tǒng)組成.243.2高校建筑屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計.273.2.1獨立基礎(chǔ)式.283.2.2條形基礎(chǔ)式.293.2.3負(fù)重基礎(chǔ)式.303.2.4全鋼可調(diào)式.313.2.5網(wǎng)基式導(dǎo)流

3、板式.323.2.6工程塑料固定式.333.3高校建筑光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計.343.3.1并網(wǎng)優(yōu)勢.343.3.2并網(wǎng)影響.3523.3.2.1對電能質(zhì)量的影響.353.3.2.2對配電網(wǎng)的影響.363.3.2.3對電網(wǎng)調(diào)度的影響.383.3.2.4其他影響.383.3.3光伏局域并網(wǎng)系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)的智能設(shè)計研究393.3.3.1寒暑假期間光伏電力并網(wǎng)設(shè)計.393.3.3.2暑假期間電池蓄能.414.5本章小結(jié).42第5章運營模式分析.425.1高校建筑光伏系統(tǒng)的可持續(xù)性分析.425.2運營模式分析.435.3本章小結(jié).46第6章高校光伏發(fā)電項目的典型案例.476.1項目背景及條件.476.1.

4、1項目背景.476.1.2地理、環(huán)境條件.486.2建設(shè)概況.486.2.1項目情況.486.2.2陣列系統(tǒng)設(shè)計.496.2.2.1光伏組件設(shè)計.496.2.2.2光伏陣列設(shè)計.526.2.2.3光伏并網(wǎng)設(shè)計.5636.2.3安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計.576.2.3.1混凝土基礎(chǔ).586.2.3.2支架計算.586.2.4電氣安全.616.2.4.1低壓并網(wǎng)防逆流的解決.616.2.4.2“孤島”效應(yīng)保護(hù).626.2.4.3防雷保護(hù).626.2.5在線監(jiān)控.636.4經(jīng)濟(jì)及環(huán)境評價.646.4.1經(jīng)濟(jì)效益.646.4.2環(huán)境效益.716.5本章小結(jié).72第7章總結(jié).721.5報告的框架.錯誤!未定義書簽。

5、4第1章緒論1.1概述在當(dāng)今油、碳等能源短缺的現(xiàn)狀下，各國都加緊了發(fā)展光伏的步伐。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高。美國提出“太陽能先導(dǎo)計劃”旨在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，并在2015年達(dá)到商業(yè)化競爭的水平；日本提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量；歐洲光伏協(xié)會提出了“setfor2020”規(guī)劃，在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競爭?！笆濉逼陂g，我國太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模增長168倍，超越所有可再生能源發(fā)展速度，提前半年完成“十二五”規(guī)劃提出的3500萬千瓦裝機(jī)目標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量4318萬千瓦，超越德國成為全球光伏發(fā)電

6、裝機(jī)容量最大的國家。其中，光伏電站3712萬千瓦，分布式606萬千瓦，年發(fā)電量392億千瓦時。2015年新增裝機(jī)容量1513萬千瓦，占全球新增裝機(jī)的四分之一以上，占我國光伏電池組件年產(chǎn)量的三分之一，為我國光伏制造業(yè)提供了有效的市場支撐。分布式光伏成為“十二五”期間光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大亮點。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2015年全國累計光伏裝機(jī)容量超過100萬千瓦的省區(qū)達(dá)11個，西部地區(qū)主要建設(shè)集中式地面電站，中東部地1區(qū)主要建設(shè)分布式電站，上海、江蘇、浙江、安徽分布式電站規(guī)模已超過100萬千瓦。當(dāng)前，國內(nèi)高校建筑量大，用電需求強(qiáng)烈，具有開展光伏發(fā)電的巨大優(yōu)勢。以上海為例，上海共有67所高校，校區(qū)占

7、地面積從幾百畝到幾千畝不等，有大量的屋頂資源可以建設(shè)分布式光伏電站。這樣既能承擔(dān)一定的電力供應(yīng)，起到削峰填谷的作用；又不占用寶貴的土地資源，節(jié)省電費的支出，增加綜合經(jīng)濟(jì)價值；且項目的展開能為廣大師生提供學(xué)習(xí)和應(yīng)用能源互聯(lián)網(wǎng)的場景，對培養(yǎng)大學(xué)生低碳用能、生態(tài)發(fā)展的觀念具有重要意義。報告從教育建筑用能現(xiàn)狀出發(fā)，分析了上海高校進(jìn)行屋面光伏發(fā)電的建筑資源條件優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢及能源互補優(yōu)勢，并對光伏與多種能源配合為學(xué)校建筑供能的設(shè)計流程、設(shè)計要點、系統(tǒng)特性和安全保障進(jìn)行歸納總結(jié)。分析了當(dāng)前我國既有校園建筑開展屋面光伏電站建設(shè)所使用的安裝方法及并網(wǎng)方式，提出了上海地區(qū)氣候條件下高校屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)效

8、益、節(jié)能效益、生態(tài)效益的建設(shè)方法，希望能為上海地區(qū)高校光伏發(fā)電設(shè)計人員和從業(yè)人員提供一定的參考。同時報告以上海交通大學(xué)240kWp光伏發(fā)電實際項目為典型研究內(nèi)容，通過實地調(diào)研、資料收集，分析了校內(nèi)建筑屋面的分布情況、結(jié)構(gòu)特征，提出了屋面光伏組件的合理布置方案；后經(jīng)模擬分析和經(jīng)濟(jì)性對比，得出南向陣列布置方式較為符合學(xué)校實際情況，并確定了組件傾斜角度、排布間距、逆變器布置、電氣安全等設(shè)計方案；且設(shè)計了一套能源互聯(lián)網(wǎng)綜合在線監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控各樓宇光伏電站的2運行情況；最后對240kWp光伏發(fā)電項目的綜合經(jīng)濟(jì)性、生態(tài)性作了詳細(xì)計算。接著報告對光伏發(fā)電上網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了相應(yīng)地運行維

9、護(hù)方案。報告通過對高校用能特性的分析，發(fā)現(xiàn)寒、暑假期學(xué)校光伏電力并網(wǎng)系統(tǒng)由于負(fù)載輕，可能出現(xiàn)電力逆流現(xiàn)象，為此報告提出了一套適合上海學(xué)校假期實際情況的光伏余電儲存途徑，主要包括兩個方面：一是暑假期游泳館和實驗室等的使用；二是寒假期間空調(diào)供熱。報告末尾總結(jié)了高校發(fā)展屋面光伏所具有的重要意義，并針對當(dāng)前我國校園分布式光伏發(fā)電的實際狀況，提出了上海開展建設(shè)校園光伏電站項目的建議。1.2研究背景1.2.1光伏發(fā)電相關(guān)政策國家可再生資源中長期發(fā)展規(guī)劃中，確定到2020年可再生能源占到能源總消費的15%的目標(biāo)，并具體提出：到2010年，建成大型并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘?0GW、太陽能熱發(fā)電總?cè)萘?0GW；到20

10、20年，全國太陽能光伏電站總?cè)萘窟_(dá)到200GW，太陽能熱發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到200GW。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是針對用電負(fù)荷較大地區(qū)發(fā)展大規(guī)模集中式并網(wǎng)電站及分布式能源。集中式并網(wǎng)光伏發(fā)電站，將所發(fā)出的直流電通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姾笾苯铀腿腚娋W(wǎng)，具有遠(yuǎn)離負(fù)載、技術(shù)復(fù)雜、士地面積廣、投資規(guī)模大等特點，主要分布在我國中西部3等地廣人稀、光照條件好的地區(qū)；分布式光伏發(fā)電是指將電站直接建在用戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10kv以下電壓等級接入電網(wǎng)，且單個并網(wǎng)點總裝機(jī)容量不超過6MW的光伏發(fā)電項目，它具有投資小、建設(shè)快、不占用土地資源等優(yōu)點，是華東地區(qū)并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。通過近幾年的發(fā)展，我國從一個光伏組件

11、生產(chǎn)大國，逐步變成一個光伏應(yīng)用大國。但各高校內(nèi)建設(shè)光伏電站的熱情并不明顯，這其中的關(guān)鍵原因包括以下幾個方面：相對教育用電來講，光伏發(fā)電成本高、經(jīng)濟(jì)效益低、回收期長，部分光伏電站的建設(shè)補貼不能按時按額到位，業(yè)主自有資金不夠充裕，承受風(fēng)險能力低；高校校園內(nèi)的建筑很多年代久遠(yuǎn)，配電網(wǎng)絡(luò)、配電設(shè)施和配電容量達(dá)不到接入要求；光伏項目與校園建筑設(shè)計結(jié)合較少，必要的基礎(chǔ)設(shè)計經(jīng)驗積累不足，建筑設(shè)計只重視功能與外觀效果的觀念依然未發(fā)生改變，對可再生能源的利用依然被忽視。為了解決上述這些問題，國家相繼頒布了一系列的鼓勵政策。包括積極擴(kuò)展國內(nèi)市場，引導(dǎo)民間資本的進(jìn)入；充分發(fā)揮市場機(jī)制、完善相關(guān)的政策補貼；打破地方保

12、護(hù)主義，減少政府干預(yù)。特別是國家出臺了具有針對性的分布式光伏上網(wǎng)政策，鼓勵學(xué)校、單位、小區(qū)及個人將光伏電力輸送到公共電網(wǎng)。2012年10月國家出臺了關(guān)于做好分布式光伏電網(wǎng)并網(wǎng)服務(wù)工作的意見，要求電網(wǎng)管理部門免費為光伏發(fā)電項目業(yè)主提供系統(tǒng)方案設(shè)計、調(diào)試和并網(wǎng)檢測等全過程服務(wù)；同時對余電上網(wǎng)進(jìn)行全額收購，上網(wǎng)電價執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行足4額發(fā)放，且光伏電站上網(wǎng)引起的公共電網(wǎng)的改造升級與設(shè)備更新的投資全部由電網(wǎng)管理企業(yè)負(fù)責(zé)。光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作細(xì)則的出臺，降低了光伏項目開發(fā)成本，提高了項目建設(shè)的進(jìn)度與效率；鼓勵了太陽能光伏產(chǎn)業(yè)界著力于研發(fā)與建筑進(jìn)行一體化結(jié)合的太陽能建材模塊；部分有節(jié)能意識的建筑師開始嘗

13、試在建筑設(shè)計方案的初始階段，就把太陽能發(fā)電組件作為一個不可缺少的建筑構(gòu)件來考慮，使建筑美學(xué)與太陽能技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，力求創(chuàng)造新型的太陽能一體化建筑；另外部分業(yè)主也在既有建筑節(jié)能改造中大膽使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是對大、中型公共建筑而言，由于特定的使用功能，電費單價支出較普通民用電價高出很多，光伏發(fā)電正好能夠減少這部分的支出，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。如上海市對于分布式光伏項目，投資方若為工、商業(yè)用戶，上海“度電補貼”金額為0.25元/千瓦時，個人、學(xué)校等享受優(yōu)惠電價的用戶則為0.4元/千瓦時。此外，光伏電站的補貼金額為0.3元/千瓦時，對于陸上及海上風(fēng)電，也可享受0.1及0.2元/千瓦時的“度電補貼”。除

14、地方補貼之外，分布式光伏電站每發(fā)一度電，還能得到來自國家財政0.42元(稅前)的補貼，如果余電上傳至電網(wǎng)，則按照上海的脫硫燃煤機(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價0.39元計算“賣電”所得。如此高的補貼,使得光伏電站的投資收益期將大大縮短，安裝規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于上海市可用土地數(shù)量有限加上大量既有建筑的屋面空間尚未有效的開發(fā)和利用，推動出屋面光伏電站的開發(fā)，未來分布式光伏發(fā)電并將成為的首選模式，因此對校園建筑屋面的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，5既有巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境意義，又能給相關(guān)設(shè)計與施工人員提供一定程度的應(yīng)用指導(dǎo)。1.3研究目的和意義隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，全社會尤其是建筑能耗大幅增加，能源和環(huán)境對可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重

15、挑戰(zhàn)。因此，大力開發(fā)和推廣可再生能源技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)對挑戰(zhàn)的重要舉措，同時也是保證我國能源供應(yīng)安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。在各種可再生能源發(fā)電應(yīng)用中，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為重要的應(yīng)用方式，是一項可推廣、可復(fù)制的成熟技術(shù)。我國教育建筑用能消耗巨大，故在教育建筑中積極使用可再生能源特別是光伏電力，是增加可再生能源在建筑耗能中的比例，促進(jìn)綠色大學(xué)校園建設(shè)的重要舉措。高校太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及并網(wǎng)應(yīng)用研究是推動光伏建筑一體化的重要組成部分，其問題的解決能為教育建筑屋面光伏電站的建造提供完善方案、推動光伏電力在校園用能中的優(yōu)化配置、改善既有建筑的節(jié)能效果。為我國貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)、

16、減排溫室氣體做出重要貢獻(xiàn)。分布式光伏發(fā)電具有建設(shè)周期短、投資風(fēng)險小、靠近用戶側(cè)安裝能夠?qū)崿F(xiàn)就近供電、投資回報率高等優(yōu)勢，同時裝機(jī)容量可大可小，從100kW到幾百個兆瓦都有成功應(yīng)用。光伏發(fā)電項目的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能效益尤為顯著，不僅能夠提高供電安全可靠性，而且可解6決邊遠(yuǎn)地區(qū)電力短缺等問題。因此，發(fā)展光伏發(fā)電系統(tǒng)，尤其是分布式光伏發(fā)點系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。1.4研究概況及主要結(jié)論本研究擬在充分調(diào)研上海市校園屋頂實際情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點，研究各種屋頂應(yīng)用條件下的系統(tǒng)方案與設(shè)計架構(gòu)，分析上海地區(qū)氣候條件下的運行策略和商業(yè)模式，通過太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在上海地區(qū)校園的試點應(yīng)

17、用案例，開展應(yīng)用效果分析和環(huán)境評價，提出上海市校園太陽能光伏發(fā)電的可行性和配套政策。主要結(jié)論如下：1、上海高校屋面儲備資源和學(xué)校用能情況狀況上海高校用能具有建筑能耗高、公共用能凸顯等能耗問題，同時高校具有巨大屋面資源。光伏電站的建設(shè)依托學(xué)校借助規(guī)劃優(yōu)勢、建筑優(yōu)勢及用能優(yōu)勢，形成了適合學(xué)校特征的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，此系統(tǒng)不僅降低了電站初始投資成本，還提高了經(jīng)濟(jì)效率和生態(tài)效益；同時報告還對當(dāng)前屋面光伏的安裝種類進(jìn)行了歸納總結(jié)和對比分析，以便為廣大工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)，增加高校屋面光伏系統(tǒng)的普及和推廣。2、高校光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計對光伏并網(wǎng)進(jìn)行分析，得出光伏上網(wǎng)對原有配電網(wǎng)的影響，為此總結(jié)分析了能在高校

18、用能中對電網(wǎng)起穩(wěn)定作用，又具有高效作用的光伏電力設(shè)備，希望能在今后的光伏發(fā)電項目中更多的使用，同時對高7校的用能特性分析，發(fā)現(xiàn)寒暑假期學(xué)校光伏電力由于負(fù)載較少，避免低壓并網(wǎng)產(chǎn)生逆流，通過能源互聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)將能量流轉(zhuǎn)到負(fù)載處，調(diào)節(jié)逆變器發(fā)電量等方法，從而減少大量清潔能源浪費的情況，為此提出一套適合上海地區(qū)的高校光伏余電利用的途徑，主要包括兩個方面：一是暑假期電池蓄能，圖書館、游泳館制冷；二是寒假期游泳館加熱、數(shù)據(jù)機(jī)房制冷等。3、運營模式根據(jù)上述分布式光伏發(fā)電項目不同運營模式的敘述和收益的計算，上海地區(qū)高校在光伏項目的投資運營模式的選擇上需結(jié)合己有的場地、技術(shù)、政策等資源，具體核算比較項目不同的運

19、營模式，不同結(jié)算方式下的收益，以獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1）場地資源：屋頂、公共設(shè)施是重要的場地資源，校園光伏發(fā)電項目首先需要確定場地資源，如果自身擁有場地資源，可選擇合同能源管理和自發(fā)自用運營模式，如果自身沒有場地資源，則需選擇租賃運營模式。2）租賃運營：投資方付給場地提供者租金，同時投資方還可與場地提供者或者其他的就近用戶簽訂合同能源管理協(xié)議(如場地提供者有用電需求)，共享光伏發(fā)電收益。并且用戶(包括場地提供者)使用的光伏發(fā)電量越多，雙方的收益越高。投資方作為合同能源管理服務(wù)商，在給用戶創(chuàng)造效益的同時，自身也能獲取相應(yīng)的收益，這種模式未來具有較大發(fā)展空間，隨著上海地區(qū)電力售電改革的推

20、進(jìn)，合同能源管理服務(wù)商可以進(jìn)一步成為區(qū)域能源服務(wù)提供商，參與地區(qū)售電、供暖8等能源服務(wù)。3）在自發(fā)自用模式(或者合同能源管理模式)下，自發(fā)自用(或者合同能源管理用戶用電)用電量需達(dá)到一定比例(占光伏項目總發(fā)電量)，項目投資商收益才能超過發(fā)電量全額上網(wǎng)結(jié)算方式下的收益，而且隨著政府補貼的下降，這個比例會越來越高。從中也可以看出，政府鼓勵分布式光伏發(fā)電項目自發(fā)自用或采用合同能源管理模式，使光伏發(fā)電量盡可能就近消納，從而減輕電力系統(tǒng)并網(wǎng)消納負(fù)擔(dān)。4）不考慮發(fā)電量全額上網(wǎng)結(jié)算方式(各類型用戶收益均相同)，分布式光伏發(fā)電項目的收益與用戶類型息息相關(guān)，用戶原本的電價水平越高，利用光伏發(fā)電后，收益越明顯。因

21、此應(yīng)該鼓勵工商業(yè)用戶等電價較高的用戶興建分布式光伏發(fā)電項目，以獲得良好的光伏發(fā)電收益。4、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益以500kw光伏電站為例：根據(jù)當(dāng)前政策規(guī)定，國家針對分布式電站補貼0.42元/度（補貼期限20年）+上海市針對學(xué)校分布式電站補貼0.55元/度（補貼期限5年）。該項目預(yù)計運營5年可拿到上海市補貼194萬元，運營20年可拿到國家補貼559萬元。按照500KW項目發(fā)電量預(yù)測，預(yù)計首年發(fā)電量72.6萬度，該項目預(yù)計可運營長達(dá)30年，累積發(fā)電量達(dá)1924萬度。其中首年可節(jié)約電費46萬元，30年累積可節(jié)約1224萬元。9該項目前5年平均收益率約23.6%，第6年至第20年平均收益率為14.3%，運營3

22、0年總投資收益率達(dá)411%。依據(jù)上海市發(fā)展和改革委員會2016年11月16日發(fā)布上海市2016年碳排放配額分配方案，從2017年開始，碳排放將進(jìn)行配額分配，碳排放交易將正式放開，該節(jié)能項目將可產(chǎn)生額外收益。該項目主要使用學(xué)校閑置屋頂進(jìn)行建設(shè)，項目本身無污染、且不額外占用土地，并網(wǎng)式項目無需能量儲存設(shè)備，選擇自發(fā)自用又減少了輸配電損失等優(yōu)勢，項目建設(shè)符合我國能源產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)境保護(hù)政策，符合上海市可再生能源發(fā)展規(guī)劃和總體發(fā)展規(guī)劃、土地利用規(guī)劃。項目建成投產(chǎn)后既不消耗燃料資源和水資源，同時又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會有廢渣的堆放、廢水排放等問題，有利于保護(hù)周圍環(huán)境，是一

23、種綠色可再生能源。該項目總裝機(jī)量為500KW，按照項目設(shè)計使用壽命為30年計算，預(yù)計30年積累發(fā)電量1924萬度，共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約7505噸，二氧化碳約19514噸，二氧化硫約180噸，氮氧化物約52.5噸。10第2章高校光伏應(yīng)用的條件分析2.1高校屋頂資源20世紀(jì)末以來，隨著國家高等教育事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國高校開始招生規(guī)模逐年擴(kuò)大，教育事業(yè)投入也隨之增加，大批學(xué)校掀起了一波以高校建設(shè)為主的教育建筑浪潮。設(shè)計單位由于時間緊、任務(wù)重，也由于當(dāng)時綠色建筑的設(shè)計水平、材料質(zhì)量和施工技術(shù)等方面還比較落后，造成大量既不節(jié)能又不智能的建筑出現(xiàn)在“綠色”的大學(xué)校園中。下表為上海市高校校舍建筑面積指標(biāo)：單位：/

24、生學(xué)校類別第一類第二類第三類第四類備注綜合、師范院校工科、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林政法、財經(jīng)、外語體育院校藝術(shù)院校基本指標(biāo)不高于院校不高于院校不高于不高于不高于28.51、教學(xué)及輔助用房不低于12.952、行政辦公用房不高于23、生活配套用房不高于1231.5不低于15.95不高于2不高于1223.5不低于7.95不高于2不高于1238不低于23不高于2.2不高于1271.5不低于54不高于3.5不高于12.5教室、實驗實訓(xùn)用房、圖書館、室內(nèi)體育用房、會堂等校行政辦公用房、院系及教師辦公用房食堂、學(xué)生宿舍、教工宿舍、學(xué)生活動中心、教工活動中心等4、后勤輔助用房不高于1.55不高于1.55不高于1.55不高于

25、1.8不高于2醫(yī)療用房、公共浴室、車庫（公車）、服務(wù)用房（小型超市、洗衣房等）、食堂工人集體宿舍、綜合修理用房、總務(wù)倉庫、鍋爐房、水泵房、變電站（所）、消防用房、環(huán)衛(wèi)綠化用房、室外廁所、傳達(dá)警衛(wèi)室等上海市部分高?？捎梦蓓斆娣e清單：11序號學(xué)校名稱占地面積（畝）屋頂面積（萬平米）可裝機(jī)容量（KW）1上海交通大學(xué)2同濟(jì)大學(xué)3復(fù)旦大學(xué)4華東師范大學(xué)5上海大學(xué)6上海師范大學(xué)7華東理工大學(xué)8東華大學(xué)9上海海事大學(xué)10上海理工大學(xué)11上海海洋大學(xué)12華東政法大學(xué)13上海工程技術(shù)大學(xué)14上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院15上海政法大學(xué)16上海電力學(xué)院17上海外國語大學(xué)18上海財經(jīng)大學(xué)19上海對外貿(mào)易學(xué)院20上海第二工業(yè)大學(xué)

26、21上海金融學(xué)院22上海中醫(yī)藥大學(xué)23上海體育學(xué)院24上海電機(jī)學(xué)院25上海立信會計學(xué)院26上海商學(xué)院總計5332400034763100300027002640200020001960160013001200120010789248677487007006756005955295003204374420.0515.0413.0711.6511.2810.159.927.527.527.376.024.894.514.514.053.473.262.812.632.632.542.262.241.991.881.20164.4612997.259750.388473.087556.547312.

27、786581.506435.254875.194875.194777.683900.153168.872925.112925.112627.732252.342113.391823.321706.321706.321645.381462.561450.371289.491218.80780.03106630.11可見，上海高校屋頂資源的儲備量相對比較豐厚，但我們也發(fā)現(xiàn)，受限于建筑設(shè)計的水平、建筑文化的需求以及城市發(fā)展的規(guī)劃和建設(shè)程度，上海高校的屋頂資源分布區(qū)域化特點比較明顯，各學(xué)校建筑的12年代參差不齊，各校園建筑的屋頂形式也多樣，在屋頂資源的具體使用上仍需根據(jù)屋頂?shù)男问健⒑奢d情況進(jìn)行不同光伏

28、結(jié)構(gòu)的設(shè)計。2.2高校能源消耗高校建筑因其功能較為復(fù)雜、用能人數(shù)據(jù)流動性大、使用周期長等特點，對能源需求量比一般住宅、公共建筑高出很多。下圖2.1為某典型高校能耗構(gòu)成圖，它反映了高校中各類建筑耗電量的占比程度，由于其復(fù)雜的功能分布帶來建筑在用能上的差異化，從圖知由大到小依次是科研樓、學(xué)生宿舍、圖書館、教學(xué)樓、場館、食堂餐廳、綜合樓、行政辦公樓，分別為44.1%、15.8%、8.7%、4.1%、4.1%、4.1%、3.9%和2.1%，剩余部分為水泵房、變配電所、路燈等公共基礎(chǔ)設(shè)施等功能區(qū)占據(jù)的能源消耗。大型或特殊科研其他,11.40%學(xué)生宿舍,15.80%實驗室,1.70%科研樓,44.10%2

29、.10%圖書館,8.70%教學(xué)樓,4.10%食堂餐廳,4.10%綜合樓,3.90%場館類,4.10%行政辦公樓,圖2.1某典型高校用能占比分析圖通過調(diào)研、分析得出高校建筑的高能耗主要表現(xiàn)在以下幾個方面：132.1.2.1照明耗能高高校教學(xué)空間的主要功能是學(xué)習(xí)，學(xué)生將大多數(shù)時間用在學(xué)習(xí)上，而學(xué)習(xí)需要較好的光照條件，為保證全天候較好的照明環(huán)境，人工照明成為主要照明方式。從國家照明規(guī)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，美術(shù)教室需要的照明功率要求不大于18W/，照度分布不小于500Lx,且還需要局部照明來提高黑板照度。加之大量高校建筑在設(shè)計之初由于考慮到技術(shù)、

30、經(jīng)濟(jì)性問題，使用了浪費能源的白熾燈或日光燈(白熾燈15LM/W,日光燈50LM/W、LED節(jié)能燈90-110LM/W)，同時管理不規(guī)范造成人走燈亮的現(xiàn)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組成部分。由于高校中有大量年代長久、保溫效果差、未經(jīng)節(jié)能改造的既有建筑，造成部分使用空間單位面積采暖量較一般建筑高出很多。且上海大量高校采用中央空調(diào)供暖的模式，且需要間歇供暖的建筑，如教學(xué)樓，實驗樓，辦公樓，圖書館等在夜間也在不斷的消耗熱量，同時部分辦公室空間的師生因?qū)岘h(huán)境要求較高，大量使用電取暖器。制冷能耗則在夏天耗能中占據(jù)較大的比例，如辦公建筑為了提高室

31、內(nèi)舒適度安裝了大量分體式空調(diào)，使用過程中不注意節(jié)能，甚至一些夏季炎熱地區(qū)院校為解決用餐時室內(nèi)溫度過高的矛盾，而在食堂中14采用大型中央空調(diào)等消耗大量電力的電氣設(shè)備進(jìn)行制冷，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)給高校電力穩(wěn)定帶來了巨大的壓力，也造成大量能源浪費。2.1.2.3浪費行為嚴(yán)重由于生活條件的日益改善，高校宿舍內(nèi)的大功率電器設(shè)備使用越來越普遍，雖提高了部分學(xué)子的生活品質(zhì)也帶來了潛在的電力浪費和火災(zāi)隱患。白天宿舍內(nèi)燈火通明、公共場所使用長明燈、電腦長時間處于待機(jī)狀態(tài)、飲水機(jī)整日保持運行等已成為司空見慣的場景。見圖2.2為某學(xué)校宿舍樓的電力浪費狀況，或許這些小節(jié)是由于設(shè)計不合理造成的，但個人不良的行為習(xí)慣，使浪費

32、問題變得越來越嚴(yán)重。另外，對于部分已有光伏發(fā)電項目的高校，因種種原因光伏余電未能上網(wǎng)輸送，特別是校內(nèi)部負(fù)荷載寒暑假期間劇減，電力未能得到有效利用，而出現(xiàn)白白浪費現(xiàn)象。圖2.2某學(xué)校宿舍樓的電力浪費狀況152.3高校光伏發(fā)電應(yīng)用優(yōu)勢2.3.1校園規(guī)劃優(yōu)勢2.3.1.1科學(xué)選址當(dāng)前我國高校選址一般會選擇在城郊地區(qū)，避開諸如廢氣、廢水、粉塵等污染源，尋求良好的自然環(huán)境區(qū)域。另外，根據(jù)各所高校的發(fā)展需要，一般學(xué)校占地面積都相對較大，屋頂多為平面屋頂，可用面積充裕。通過實地調(diào)研上海市26所高校和上海市高校校舍建設(shè)指標(biāo)測算，這26所高校的安裝光伏電站的有效屋頂可安裝106.63MW，平均年發(fā)電量可達(dá)165

33、00萬度。2.3.1.2集中布局、合理分區(qū)高校校園的總體規(guī)劃大多采用了集中布局、合理分區(qū)的原則。集中布局是將高校中的某一功能分區(qū)進(jìn)行集中排布，如教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、體育活動區(qū)等放在一起，優(yōu)化配置減少土地資源的浪費。合理分區(qū)，則是將各個功能區(qū)相互聯(lián)系起來，要求既滿足師生的使用需求，又不對其他使用區(qū)域產(chǎn)生影響和干擾，如體育活動區(qū)盡量要求靠近生活區(qū)域而遠(yuǎn)離教學(xué)區(qū)，就避免活動區(qū)的噪音對教學(xué)區(qū)的正常學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響。集中布局、合理分區(qū)一方面合理分配了土地資源；另一方面也使光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能就地使用、減少電力傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離配送，同時光伏陣列被安裝在靠近控制單元與電力負(fù)載的位置，可降低輸電線路上的電能損耗與初始成本。

34、這是因為低電壓、高電流的直流電會導(dǎo)致比16較高的電能損失，而且導(dǎo)線的斷面尺寸大、笨重、昂貴，同時又不便施工。2.3.1.3充分利用空間資源太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于需要占地的面積廣、投資收益期長等弊端，一直不能得到大面積的推廣適用，尤其是在土地昂貴的城市，建立光伏電站如何充分利用閑置空間資源，不占用寶貴的土地變成唯一的途徑。屋頂和建筑立面，是十分重要的空間資源，越來越得到人們的認(rèn)可，特別是分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計可以有效的利用屋面，不占寶貴的土地，降低了光伏電站在空間資源上的投資，同時與建筑結(jié)合的光伏電站不需要安裝任何額外的基礎(chǔ)設(shè)施，降低了整個系統(tǒng)的投資成本。2.3.2建筑設(shè)計優(yōu)勢2.3.2.1屋面

35、布置優(yōu)勢高校建筑屋頂大多設(shè)計簡潔、光照充足，受建筑構(gòu)件產(chǎn)生的陰影影響小，適宜接受太陽光照射；為方便使用需求，教室和宿舍一般會控制在5-6層內(nèi)，光伏組件緊貼屋頂安裝，減少了風(fēng)力的不利影響；太陽能光伏組件對屋面具有一定的保溫隔熱作用；此外，光伏屋面發(fā)電系統(tǒng)的集中布置，能夠形成規(guī)模效應(yīng)，降低系統(tǒng)單價，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。以上海交通大學(xué)240kWp光伏屋面發(fā)電項目為例，采用了光伏陣列屋頂安裝方式。其具有以下幾個方面的優(yōu)勢：一、屋頂只有17,突出的建筑樓梯間、通風(fēng)采光窗口產(chǎn)生局部陰影可利用的屋面空間大：二、離負(fù)載近，電阻小，電能損耗少；三、屋頂場地較為平整，能方便布置維護(hù)與清潔通道，便于人員出入；四、裝

36、機(jī)容量大，平均下來的單位造價相對較低。如下圖2.3所示，上海交通大學(xué)在將光伏板作為國家能源智能電網(wǎng)上海研發(fā)中心大樓屋頂遮陽構(gòu)件在建筑外部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行高效的排放。圖2.3國家能源智能電網(wǎng)上海研發(fā)中心屋頂光伏電站2.3.2.2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)勢光伏電站的生命周期一般約為20周年，而建筑的使用壽命在50年以上，可以說，建筑的使用壽命能夠?qū)⒐夥娬鞠到y(tǒng)的全生命運行周期包含在內(nèi)。GB500232008建筑工程抗族設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)中的6.0.8條規(guī)定，教育建筑抗震設(shè)防類別應(yīng)不小于重點設(shè)防類，使得結(jié)構(gòu)的使用年限和承載力布置都較當(dāng)?shù)仄胀ńㄖ叱龊芏啵鄬p少了光伏發(fā)電系統(tǒng)在屋面安裝過程中對結(jié)構(gòu)安全加固的投資，提高了整個系

37、統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。182.3.3建筑用能優(yōu)勢2.3.3.1調(diào)峰穩(wěn)壓高校并網(wǎng)光伏電站的發(fā)電高峰出現(xiàn)在每天的正午時刻，此時也正是很多使用空間的用能高峰，如超市、食堂、宿舍生活區(qū)等需要大量電能，光伏電力上網(wǎng)可一定程度上緩解校內(nèi)用電高峰的電力需求，有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，降低線路損耗。2.3.3.2降低負(fù)荷對于在南向外墻面和屋頂安裝光伏組件的太陽能建筑來說，它可將投射到建筑中的一部分太陽能轉(zhuǎn)化為電能；另一部分轉(zhuǎn)化為熱能散失到空氣當(dāng)中。這是因為電池組件受日光照射后發(fā)熱，光伏屋面及墻面較普通建筑外表面溫度會高出很多，建筑外面的空氣對流運動得到強(qiáng)化，光伏表面的熱量將消散到周圍環(huán)境之中。由于光伏板對太陽輻射的

38、轉(zhuǎn)化和阻止，使得光伏一體化建筑的屋面得熱量明顯減少，也使室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷得到明顯降低。通過為上海交通大學(xué)數(shù)據(jù)中心屋頂空調(diào)外機(jī)密集分布區(qū)域，增加光伏電池板用于遮擋陽光直射，測量結(jié)果如表2.3顯示，帶通風(fēng)流道的光伏屋頂相對于普通屋頂來說，其峰值冷負(fù)荷和總得熱量分別可降低44.5%和38.8%。高校中部分頂層空間，由于屋面?zhèn)鳠崃看螅斐闪耸覂?nèi)空調(diào)使用過于頻繁的現(xiàn)象，若是在教學(xué)樓屋頂安裝光伏電站，則將明顯減少空調(diào)使用次數(shù)，降低制冷負(fù)荷。表2.3不同形式屋頂結(jié)構(gòu)日總得熱量和峰值冷負(fù)荷統(tǒng)計表19光伏屋頂形式通風(fēng)流道封閉通風(fēng)不帶通風(fēng)普通屋頂日總太陽輻射（MJ/m2）14.2214.2214.2214.22日總得

39、熱量（MJ/m2）0.250.490.520.49峰值冷負(fù)荷（W/m2）4.137.878.889.072.4本章小結(jié)本章從高校用能現(xiàn)狀出發(fā)，歸納總結(jié)出高校用能具有建筑能耗高、景觀用能凸顯等能耗問題，為此我們在高校校園中引入屋面光伏電站發(fā)電系統(tǒng)。光伏電站的建設(shè)依托學(xué)校巨大屋面資源，借助規(guī)劃優(yōu)勢、建筑優(yōu)勢及用能優(yōu)勢，形成了適合學(xué)校特征的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，此系統(tǒng)不僅降低了電站初始投資成本，還提高了經(jīng)濟(jì)效率和生態(tài)效益；同時報告還對當(dāng)前屋面光伏的安裝種類進(jìn)行了歸納總結(jié)和對比分析，以便為廣大工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)，提高高校屋面光伏系統(tǒng)的普及和推廣。第3章高校光伏發(fā)電的方案設(shè)計3.1高校建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的

40、設(shè)計3.1.1設(shè)計流程與要點3.1.1.1設(shè)計流程高校屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計不是光伏組件的簡簡單單排布，他需要結(jié)合電池組件的自身特性，所建地的地理氣候信息，周邊環(huán)境，20建筑結(jié)構(gòu)和電氣安全狀況等多方面因素。進(jìn)行綜合的設(shè)計和分析，因此一套縝密的適合高校光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計流程不僅能夠給從業(yè)人員的工作提供指導(dǎo)，還能減少和避免他們設(shè)計失誤。3.1.1.2設(shè)計要點（1）地理位置和氣候因素地理位置包括：建筑所在的緯度、經(jīng)度、海拔高度等。氣候因素包括：空氣溫度（正常月份平均溫度、1月的最冷溫度，7月的最高氣溫)、相對濕度、大氣壓力、降雪量與降雨量等。它們決定了光伏組件的傾斜角度（若光伏組件只利用太陽的散射光

41、發(fā)電，其只相當(dāng)于垂直光照射發(fā)電量的80%90%)、陣列間距（光伏陣列設(shè)計需要保證在冬至日當(dāng)天光照輻射強(qiáng)度最好的時間段AM9:00-PM13:00前排光伏組件的陰影影響后排光伏組件正常工作)、結(jié)構(gòu)安全性等多個方面，同時間接決定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率與經(jīng)濟(jì)性，如低緯度地區(qū)的太陽能光伏組件在同樣的年太陽輻射強(qiáng)度下系統(tǒng)發(fā)電量小于較高緯度地區(qū)多出許多倍，系統(tǒng)回收期也更短，而在高緯度地區(qū)安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時，需將陣列間距拉的更大,以確保發(fā)電率達(dá)到最高水準(zhǔn)，但間距的增大需要更大面積的屋面，浪費了寶貴的屋面空間資源，為此需要將每個方陣高度都調(diào)整到最合適值，以便縮小間距，可見對當(dāng)期的氣候和地理信息的把握和分析是光

42、伏系統(tǒng)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。（2）建筑朝向與周圍場地情況建筑朝向及周圍場地情況是光伏陣列布置設(shè)計過程中最為重要21的參考因素之一。建筑的朝向較好時，能較易實現(xiàn)光伏與建筑的外觀設(shè)計的一致性，且屋面的布板數(shù)量最多，經(jīng)濟(jì)性較高；周圍場地情況在設(shè)計過程中主要是考慮是否有產(chǎn)生的陰影對光伏電站進(jìn)行了遮擋。通常我們把陰影分為隨機(jī)陰影和系統(tǒng)陰影。隨機(jī)陰影產(chǎn)生的原因、時間和部位都不能確定，通常對光伏板的遮擋時間較短，不會產(chǎn)生明顯的影響，但在某些特定狀態(tài)下還是會使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，降低轉(zhuǎn)換效率，對此我們需要提高系統(tǒng)的容錯能力，減少誤判的發(fā)生。系統(tǒng)陰影則是固定物體產(chǎn)生的遮擋，它因持續(xù)遮擋的時間長會對光伏系統(tǒng)輸出功率產(chǎn)生明顯

43、影響，對于這種情況，我們通常只能通過場地勘探，盡量避免。（3）容量設(shè)計屋面光伏電站的系統(tǒng)容量設(shè)計，通常會采用以下兩種方式：一是按照建筑物可安裝光伏組件的面積確定安裝的系統(tǒng)容量：二是根椐建筑物內(nèi)部負(fù)載確定。依據(jù)屋面面積確定光伏系統(tǒng)的負(fù)荷相對較為簡單，但受到可利用面積的限制。此時，光伏板的轉(zhuǎn)換效率則是主要的考量因數(shù)，故在屋面面積有限時，盡量使用轉(zhuǎn)化效率高的單晶硅電池。而在項目預(yù)算有限，當(dāng)?shù)販夭畲蟮哪狭⒚鎵ι希瑒t適宜對溫度變化沒有太強(qiáng)烈反應(yīng)的非晶硅光伏組件的選用，對于依靠內(nèi)部荷載確定容量的光伏電站，要對系統(tǒng)負(fù)載的類型，運行的規(guī)律與狀況有一個精準(zhǔn)的計算，以確保穩(wěn)定運行。（4）環(huán)境兼容建筑是一個復(fù)雜而完

44、整的統(tǒng)一體，與光伏相結(jié)合的建筑設(shè)計不單22單要考慮能源供給的問題，還需要充分考慮陽光照耀下所呈現(xiàn)的美學(xué)效果。當(dāng)前綜合了生態(tài)功能為一體太陽能建筑設(shè)計的美學(xué)手法成為主流，它既能呈現(xiàn)設(shè)計的整體表現(xiàn)形式，又能展現(xiàn)背后所蘊含的高科技特色。如下圖3.1所示，由上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)意、設(shè)計、建設(shè)的能源生態(tài)樣板房“日上江村”被新華社譽為“正能量建筑”，它位于三樓的藍(lán)色光伏頂，能滿足日常用電需求，室內(nèi)所有設(shè)備均可智能控制。3.1日上江村庭院頂上的光伏板（5）系統(tǒng)安裝當(dāng)前屋面光伏系統(tǒng)設(shè)計中，為了避免對屋頂原有防水層造成損傷和破壞，屋面光伏系統(tǒng)的安裝大多采用支架構(gòu)造置于防水層之上的做法。此時需要注意設(shè)計良好的冷卻通風(fēng)

45、系統(tǒng)，這是因為晶硅光伏組件的發(fā)電效率隨著表面工作溫度的上升而下降。理論和實驗證明，在光伏組件屋面設(shè)計空氣通風(fēng)通道，可使組件的電力輸出提髙8.3%，組件的表面溫度降低15C左右。特別是當(dāng)屋面為斜屋面時，易采用23支架架空的構(gòu)造方式，架空高度不小于100MM，既加強(qiáng)通風(fēng)，又給安裝維護(hù)提供一定的操作空間；對于部分建筑屋頂防水層已被破壞的情況，光伏支架的腳柱與屋面的結(jié)合處要加做附加防水層構(gòu)造措施，以避免雨水從開口處滲入防水層下部。通常附加層宜空鋪，空鋪寬度不應(yīng)小于200MM；附加防水層形成的泛水構(gòu)造應(yīng)包裹到支架與金屬埋架之上；同時對地腳螺栓周圍可能出現(xiàn)的滲水縫隙，用瀝青進(jìn)行密封處理或者將卷材防水層用壓

46、條釘壓固定。同時對于經(jīng)常需要檢修的光伏屋面需在一定范圍內(nèi)鋪設(shè)水泥磚作為剛性的防水保護(hù)。一般會采用水泥磚鋪貼在光伏陣列的檢修通道周圍、屋面的進(jìn)出口及經(jīng)常有人員走動的道路上。同時系統(tǒng)還需要考慮組件所在部位的防火、防雷、防靜電等電力安全，支架結(jié)構(gòu)、抗風(fēng)、雨、雪荷載的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計及后期的運行維護(hù)、管理等。3.1.2系統(tǒng)組成太陽能光伏發(fā)電是將太陽光能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式，它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電等。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏板直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，主要由太陽能電池組件、電能儲存元件、控制器、電力電子變換器以及負(fù)載（直/交流負(fù)載）等部件構(gòu)成。太陽能電池由硅半導(dǎo)體材料制成的方

47、片薄膜，在陽光照射下產(chǎn)生電壓和電流。單體電池的輸出電壓只有0.45-0.50V,電流約為20峰值功率為1W左右，一般不能單獨使用。24（1）太陽電池組件太陽電池組件也稱為“光伏組件”。它是將幾片、幾十片或幾百片圓形或者方形單體太陽能電池根據(jù)負(fù)載需要(見下圖3.2)，經(jīng)過串、并聯(lián)連接起來構(gòu)成組合體，再將組合體通過一定工藝流程封裝在超薄、透明、高強(qiáng)度玻璃和密封的封裝底層之間，然后引出正負(fù)極引線，方可獨立發(fā)電使用。其功率一般為幾瓦到幾十瓦，甚至幾百瓦。電池組件有各種各樣的尺寸和形狀，典型組件是矩形平板。圖3.2太陽能電池的單體（方形）、組件陣列一般來講太陽的輻照度能夠百分之百轉(zhuǎn)化為電能是電池組件最完

48、美的狀態(tài)，但是由于材料本身性能及環(huán)境的多樣會化對太陽能電池組產(chǎn)生影響，如：組件自身的設(shè)計、空氣的塵埃度、發(fā)電轉(zhuǎn)換設(shè)備的質(zhì)量和性能、組件自身的延時衰減等，實際上系統(tǒng)效率將會在使用的過程中出現(xiàn)部分程度的下降。（2）系統(tǒng)控制元件25系統(tǒng)控制元件也就是系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制裝置，通過對系統(tǒng)輸入輸出功率的調(diào)節(jié)與分配，如當(dāng)負(fù)載端發(fā)生短路時，要能報警或?qū)㈦娐纷孕星袛?，督促維護(hù)管理人員檢修。（3）并網(wǎng)逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵是并網(wǎng)逆變器。它的主要功能是將太陽能光伏組件發(fā)出的直流電逆變成單項或三相交流電，送入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有自動運行和停止功能、最大功率跟追蹤功能，且具有完善的保護(hù)功能，包括過壓保護(hù)、短

49、路保護(hù)、孤島保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)、防雷保護(hù)及直流接地保護(hù)。根據(jù)逆變器在光伏系統(tǒng)中的布置方式，可以將逆變方式分為集中逆變和分散逆變。對于大中型光伏電站而言，由于光伏的排布、位置、朝向等大致相同，因此一般會采用集中逆變器以減低投資成本，此時如果可能的話，應(yīng)盡量將逆變器安裝在電表的附近，如果安裝環(huán)境不允許的話，安裝在光伏系統(tǒng)接線柜附近也是可行的，這將降低通過直流總線的電量損失和安裝費用，通常大型中央逆變器通常和其他設(shè)備（如電表、斷路器等）安裝在一個逆變器箱體內(nèi)；分散式逆變器則適合應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的各分系統(tǒng)有不同朝向或傾角，光伏電站分散布置或者光伏系統(tǒng)有部分被遮擋的情況，它一般會安置在屋頂，這就應(yīng)

50、做好對逆變器的保護(hù)，避免太陽直射和雨水淋濕，同時還要考慮到逆變器的噪聲對周圍環(huán)境的影響。（4）交直流負(fù)載交直流負(fù)載是以交直流電為能源供給的裝置或設(shè)備，其系統(tǒng)運26行過程如下圖2.6所示：圖3.3交直流負(fù)載作用下光伏發(fā)電系統(tǒng)運行圖（5）太陽能光伏電站計量、顯示部分根據(jù)國家電網(wǎng)光伏電站接入要求，光伏并網(wǎng)電站需配置遠(yuǎn)程傳輸電表，自動控制、電能計量及數(shù)據(jù)通信存儲裝置。系統(tǒng)配置環(huán)境因素傳感裝置，能夠采集環(huán)境因素信息并通過無線傳輸方式傳輸?shù)较到y(tǒng)控制中心或公眾顯示終端。3.2高校建筑屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常在屋面上安裝電池板的難度由屋頂?shù)膬A斜程度而定，因在較陡的屋頂上工作不僅非常危險，而且也更加耗時費

51、力，故屋頂光伏還多是在平屋頂上安裝。盡管當(dāng)前平屋面光伏安裝種類多樣、成本較低，但依然受到諸多因素的影響，包括方陣尺寸、可利用的空間、采光條件、防盜破壞和盜竊、風(fēng)荷載、視覺效果及安裝難度等。以下對目前在平屋面光伏系統(tǒng)安裝的幾種常用方式進(jìn)行分析和對比，找到適合當(dāng)前上海高校屋頂結(jié)構(gòu)的光伏系統(tǒng)安裝方式。273.2.1獨立基礎(chǔ)式圖3.4獨立基礎(chǔ)式混凝土屋面安裝獨立基礎(chǔ)式安裝系統(tǒng)是指將已帶有預(yù)埋腳螺栓的混凝土塊置于屋面，光伏支架坐落在混凝土上，形成空氣流動通道，其具體安裝效果如上圖3.4所示。它一般使用在中低層建筑，屋面雨、雪荷載小和風(fēng)荷載小的地區(qū)?；捎没炷翝沧㈩A(yù)制，尺寸長、寬、高可自定。預(yù)制的混凝

52、土塊可依靠機(jī)械裝置吊裝到屋頂，具有不破壞建筑屋面原有構(gòu)造，減少人工支出，節(jié)省成本，提高施工效率；且混凝土塊的點式布置，雪水、雨水能有效的排除，不增添屋面的安全隱患，在實際項目中采用較多。283.2.2條形基礎(chǔ)式圖3.5條形基礎(chǔ)式混凝土屋面安裝條形基礎(chǔ)式安裝系統(tǒng)將帶有預(yù)埋螺栓的混凝土方條鋪在屋面，采用優(yōu)質(zhì)鋁合金導(dǎo)軌作為中間構(gòu)件，連接單元連接件和預(yù)埋螺栓，其具體安裝效果如上圖3.5所示。支撐件材料為不銹鋼，牢固美觀，無需現(xiàn)場二次加工，使用周期長；同時只需要移動連接構(gòu)件，即可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)安裝角度，具有較高的適應(yīng)性?；炷翖l在設(shè)計中應(yīng)與屋面排水方向相同，方便屋面流體排除。盡管鋁合金構(gòu)件會一定程

53、度提高成本，但較少的人工成本依然能保證安裝成本的可控，在項目中主要針對具有一定美觀要求的工程項目。293.2.3負(fù)重基礎(chǔ)式圖3.6負(fù)重基礎(chǔ)式混凝土屋面安裝負(fù)重式安裝系統(tǒng)的光伏支架與負(fù)重結(jié)構(gòu)分離，光伏支架依然采用優(yōu)質(zhì)鋁合金與屋面平鋪導(dǎo)軌相連接，負(fù)重框置于導(dǎo)軌的尾部，負(fù)重框內(nèi)可放入水泥塊或石塊等重物起到穩(wěn)固作用，無需現(xiàn)場二次加工，其具體安裝效果如上圖3.6所示。該系統(tǒng)具有不破壞原有防水層，無需防水處理；適用于任意規(guī)格晶硅組件及部分薄膜組件；由于負(fù)重材料選擇的廣泛和低廉，可使大量的建筑垃圾得到更為合理的利用等優(yōu)點。但該基座布置方向與屋面排水方向垂直，不利于屋面排水增加了屋面荷載，不適合于降雨量大，又

54、不能很好解決排水問題的屋面工程項目。303.2.4全鋼可調(diào)式圖3.7全鋼可調(diào)式混凝土屋面安裝全鋼可調(diào)式系統(tǒng)將支架安裝在混凝土塊之上靈活性的支架此時可以根據(jù)需要進(jìn)行多角度的旋轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)實現(xiàn)光伏板在高度和角度上的調(diào)整，其具體安裝效果如下圖3.7所示。此系統(tǒng)具有成本不高、現(xiàn)場施工方便，支架連接穩(wěn)固，角度任意調(diào)節(jié)，基礎(chǔ)的點式布置有利于排水、工程適用面廣等特征。313.2.5網(wǎng)基式導(dǎo)流板式圖3.8網(wǎng)基式導(dǎo)流板安裝系統(tǒng)網(wǎng)基式導(dǎo)流板安裝系統(tǒng)將斜度為1015不銹鋼或鍍鋁鎂鋅板組件呈網(wǎng)狀布置，用鋁導(dǎo)軌將其分割成獨立單元，與支撐柱一起作為一個模塊，適用于組件規(guī)格為1640*994*40mm左右，其具體安裝效果如上圖

55、3.8所示。此系統(tǒng)安裝方便，在鋁導(dǎo)軌上安裝不銹鋼支撐件，框架整體兩側(cè)及后面安裝導(dǎo)流板，支架即便在風(fēng)力載荷較高的情況下，也能因空氣流動而產(chǎn)生的壓力，將光伏板牢牢的緊扣在屋面之上，而不被掀起。32它具有適用于載荷量小的平面屋頂、不破壞原有屋頂?shù)忍卣?；且網(wǎng)狀布局提高結(jié)構(gòu)的整體剛性，但模塊布置與水流方向垂直，不利于排水，一般適用于屋面承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、美觀度高的項目中。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裝工程塑料固定式中的承重部件采用工程塑料制造，其具體安裝效果如上圖3.9所示。工程塑料由聚酰胺制作，該塑料不但要求能在高33溫下保持極低的蠕變性，在低溫下也表現(xiàn)出了優(yōu)異的韌

56、性和剛性；高比例玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺還具有優(yōu)異紫外耐受性和耐候性，在戶外條件下壽命長達(dá)20年，能滿足如雪載、風(fēng)壓等的承重要求；系統(tǒng)制造工藝中，使用扣接、骨架和擋板來排水和布線，使得部件非常輕巧和易于安裝，太陽能板在平頂上的安裝變得更加簡單快捷，且具有良好的太陽能裝置成本效益，適用于戶外工程項目施工。3.3高校建筑光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計3.3.1并網(wǎng)優(yōu)勢并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器將光伏電池組件所發(fā)的直流電逆變成與電網(wǎng)相同頻率和電壓的交流電，以電壓源或電流源的方式送入電力系統(tǒng)。由于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)直接將電能輸入電網(wǎng)，并網(wǎng)系統(tǒng)并不需要蓄電池等儲能設(shè)備，減少了蓄電池的投資與損耗，也間接地減少了處理廢舊蓄電池產(chǎn)

57、生的污染，降低了系統(tǒng)運行成本，是當(dāng)前光伏電力的主要形式，具有較高的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。下表3.1為并網(wǎng)、離網(wǎng)、混合光伏供電系統(tǒng)在成本、維護(hù)、負(fù)載匹配及污染程度等方面的對比分析。表3.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對比分析并網(wǎng)光伏系統(tǒng)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)混合供電系統(tǒng)初始成本運行成本備用電池（蓄電池）最低低無高高有高高有34維護(hù)負(fù)載匹配噪聲污染幾乎免維護(hù)較好無無需要維護(hù)差無有維護(hù)較多較好有有3.3.2并網(wǎng)影響光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和明顯周期性的特點，目前還不能準(zhǔn)確預(yù)測，不能參與電力平衡進(jìn)入發(fā)電計劃安排。光伏發(fā)電的電力消納須按可再生能源法的要求，并網(wǎng)后由電網(wǎng)公司全額收購。盡管光伏電站在建立前期就對上網(wǎng)電力進(jìn)行分配，但由于光

58、伏發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性和周期性的特征不會完全消失，因此不可避免的對配電網(wǎng)的安全性帶來一定的影響，如電能質(zhì)量、電力規(guī)劃、電力調(diào)度等變得更為復(fù)雜和較難控制。目前來看，盡管關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見（暫行）已經(jīng)頒布執(zhí)行，但電力主管部門對其產(chǎn)生排斥，光伏電力上網(wǎng)仍障礙重重。光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)影響主要包括以下幾個方面：3.3.2.1對電能質(zhì)量的影響（1）對電壓的影響光伏電站電力上網(wǎng)，是在不改變電網(wǎng)電壓的前提下，將電流匯入到配電網(wǎng)中，匯入的電流小于負(fù)載需求時，是不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響；反之當(dāng)匯入的電流大于負(fù)載要求時，則會給電網(wǎng)電壓帶來影響，對負(fù)載設(shè)備帶來不安全因數(shù)。因此在對并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，

59、就需要將光35伏電站的電壓控制在電網(wǎng)正常電壓的88%100%內(nèi)，如當(dāng)光伏電站為小于10KW小型系統(tǒng)時，它的電壓范圍就應(yīng)該控制在212V-264V，電網(wǎng)跳閘現(xiàn)象則可最大限度的減少；而對于不能直接并入到380V低壓配電線路的中型和大型光伏系統(tǒng)而言，一般會先將產(chǎn)生的電能通過升壓變電器，提升為中、高壓然后在接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。（2）孤島效應(yīng)所謂的孤島效應(yīng)就是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并未檢測到配電電網(wǎng)因發(fā)生故障或者因需要維修而停電時，依然叫配電網(wǎng)中的負(fù)載供電，形成了一個電力主管部門無法控制的供電孤島現(xiàn)象。圖4.2發(fā)生孤島效應(yīng)時的供電狀況3.3.2.2對配電網(wǎng)的影響（1）繼電保護(hù)由于現(xiàn)有的電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置并未隨著光伏

60、電站的投入使用，而大規(guī)模改動，因此當(dāng)既有的繼電保護(hù)裝置與并聯(lián)的電網(wǎng)分支元件發(fā)生故障時，就會使繼電器產(chǎn)生誤判，切斷連接，失去電源。此外繼電器的繼電保護(hù)區(qū)也會隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)功率的加入而產(chǎn)生縮小現(xiàn)象，而使正常工作收到影響。36（2）供電可靠性并網(wǎng)光伏電站能依靠其獨立的發(fā)電系統(tǒng)，能夠在一定程度上提高配電系統(tǒng)供電的可靠性，但這并不代表有了光伏就有了穩(wěn)定的電力供應(yīng)。如當(dāng)在太陽照度較低的陰天，需要電力的負(fù)載因電網(wǎng)的停電和光伏電站的無法工作而被迫停工的現(xiàn)象。同樣當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)地點選取不正確、與電網(wǎng)連接的方式不可取時、配置的容量不恰當(dāng)時，都會阻礙電網(wǎng)可靠穩(wěn)定的運行。（3）電能計量光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將電能注入