太阳能光伏发电体系的运用

2022-09-21 15:10:33 来源:写作指导

太阳能光伏发电体系的运用

 

1概述   目前,全国各地已有不少太阳能光伏发电项目在建或已建成,有影响的项目包括:奥运会、世博会场馆和中新天津生态城等。太阳能光伏发电是一种优质的可再生能源。在一些电力输送比较困难而太阳能又相对较为充足的区域,设置太阳能光伏发电系统是非常必要的。本文主要论述的是民用建筑太阳能光伏发电系统的相关内容,不涉及大型光伏电站。近年来,在公共建筑上设立太阳能光伏发电系统似乎已成为绿色建筑的标志,并可作为示范工程获得政府的财政补贴。尽管太阳能光伏发电是一种很好的可再生能源,但在目前的技术和经济条件下,许多城市在建筑物上设太阳能光伏发电系统,是否真正发挥了其效能,推动了建筑节能的发展,还有待进一步验证,更没有一个明确的判定方法。在《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203-2010中,也未给出选取的标准和方法。在具体工程中,更多的是依据甲方的需求和绿色建筑的需要设置太阳能光伏发电系统。本文试图对民用建筑应用太阳能光伏发电系统所遇到的一些问题给予简要说明,以使太阳能光伏发电系统的选择和使用更具科学性和合理性。   2光伏电池   光伏电池是太阳能光伏发电系统最重要、也是最基本的器件。目前已经商业化批量生产和规模化应用的光伏电池有:晶体硅光伏电池、薄膜光伏电池和硅异质结光伏电池(HIT)等。   2.1晶体硅光伏电池   晶体硅光伏电池是使用晶硅制造的光伏电池,包括单晶硅和多晶硅等。多晶硅光伏电池的转换效率可达15%左右,其单位面积上发电功率高且发电性能稳定,少有光衰效应。但其生产能耗较大,其能耗的75.8%来自多晶硅生产(包括原料工业硅的生产能耗)。如果按照等效电法对生产过程各种能耗进行分析,我国生产1kg多晶硅需要316391kWh等效电,1kWp(峰值功率)的光伏电池板需要1213kg多晶硅,生产1kWp光伏板需要41005100kWh等效电,生产1kWp光伏发电系统平均需要54006700kWh等效电[1]。国内现有的多晶硅厂绝大部分采用改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法生产多晶硅,它是当前成熟的多晶硅生产工艺。但最核心的硅提纯等工艺技术(电子级多晶硅纯度要求11个9,太阳能电池级要求6个9)却掌握在美、日、德等发达国家手中。从石英石中提取工业硅需要消耗大量的能源,不仅提炼成本高,而且环境污染严重。我国光伏产业很可能会成为世界太阳能产业的“制造工厂”、发达国家污染和能耗的转移地。2011年1月,工信部、发改委和环保部联合下发了《多晶硅行业准入条件》工联电子[2010]137号文,对多晶硅生产规模和能耗提出要求。到2011年底前,淘汰综合电耗大于200kWh/kg的太阳能级多晶硅生产线。   2.2薄膜电池(Thinfilm)   薄膜电池用硅量少(可降低97%的硅原料使用),但薄膜电池生产设备相对昂贵,主要是从国外引进。与国外合作研发的设备,成本相对会低许多,但技术上有待进一步提高,以确保薄膜电池在长时间使用过程中的稳定性。薄膜电池是将光伏发电与建筑相结合的应用形式。它既是具有建筑功能的发电装置,又是具有发电功能的建筑构件。因此,有利于实现太阳能光伏建筑一体化(BIPV-BuildingIntegratedPhotovoltaics)。薄膜电池透光性和弱光发电性能好,在早晚、阴天等弱光条件下仍可发电,前期生产对环境的污染要比晶体硅小。在同样地理和气象条件下,全年发电量比晶体硅电池高,但占用的安装面积会成倍增加。另外,薄膜电池的转换效率较低(约7%)。在2010年国家能源局280MW光伏电站特许权项目招标中,13个项目仅有一项薄膜电池中标,原因是项目方认为薄膜电池在效率和可靠性方面还有待市场和时间的检验[2]。2.3硅异质结光伏电池(HIT)硅异质结光伏电池是采用晶体硅和薄膜硅(或者叫晶体基片和PN型非晶硅)为原料制造的光伏电池,其兼有二者的优点,转换效率高。像三洋HIT电池板转换效率为18.9%,组件转换效率为16.7%,但价格较贵。   3全生命周期的经济分析   太阳能光伏发电系统在应用时,首先要考虑在全生命周期内的投资、运营及成本回收等问题。通常1kWp光伏发电系统年发电量平均在1000kWh左右,而太阳能光伏电池的寿命为20多年。据有关数据分析:一般太阳能光伏发电系统的总体投资约50元/Wp(在一定条件下政府可以补贴1720元/Wp),目前,总体价格趋于下降。一般系统越大,单位成本价格相对越低。对于不同时间建造的建筑物,由于其功能、定位和重要性不同,最终会导致投资造价的不同。如于2008年7月建成的中新天津生态城服务中心,安装了60kWp太阳能光伏发电系统并投入使用。而正在建设的中新天津生态城的零能耗展示中心,设计安装的一套300kWp太阳能光伏发电系统,二者的单位造价显然是不同的。天津市建筑设计院机电楼(国家二星级绿色建筑)于2010年初建成,安装了一套3kWp太阳能光伏发电系统,主要用于研究目的。其数据可实时传输到楼内的数据采集及展示系统中,而且由于该系统不涉及任何政策补贴和电网因素,因此便于进行分析和比较。系统采用的多晶硅光伏电池组件为KD135GH-2P,三相全数字控制的功率调节器为日本的GS-YUASA,设计寿命>25年,输出效率不低于94%。预计年发电量为3699度,合计2959元/年(电价按0.8元/kWh),成本回收期为70年左右,远超设计寿命(未考虑衰减和维护成本)。如果是大容量且有政府补贴等,投资可降至20元/Wp,成本回收期约20年,再有并网和电价补贴,回收期可降为10年左右。太阳能光伏发电系统的成本回收期大约在十年到几十年不等,主要取决于光伏发电系统的类型和容量、太阳辐射总量、电池材料、运营维护费用以及政府补贴等。太阳能光伏发电系统主要包括:(1)系统设备:光伏电池、逆变器柜、并网柜、并网应急配电柜(如果考虑储能,还有储能电池)及相关管理平台等;(2)系统运营:维护管理、器件更换(含储能电池)、光伏电池衰减等;(3)其他:政策支持(政府补贴)、并网可行性及上网电价等。总之,如果没有政府补贴,又不能并网,再加上银行贷款利息、运营维护费用以及光伏发电系统的正常衰减等因素,那么,全生命周期内的成本回收几乎不可能。如果再考虑采用晶体硅时的前期生产的能耗和环境污染,意义就更有限了。当然,并非光伏发电系统不可用。从国家层面还是鼓励使用包括太阳能光伏发电在内的可再生能源的。在国家《可再生能源法》第十七条明确指出:“国家鼓励单位和个人安装太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。”因此,在选用时要做好方案比对和技术经济比较。目前,光伏发电系统的整体价位处于走低趋势。特别是薄膜电池,随着相关技术的不断成熟,生产成本不断降低,转换效率的提高,应用前景应该是不错的。#p#分页标题#e#   4使用范围   4.1国家政策导向   《国家可再生能源中长期发展规划》(2007年)提出:发挥太阳能光伏发电适宜分散供电的优势,在偏远地区推广使用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站,解决无电人口的供电问题。在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能光伏发电装置,扩大城市可再生能源的利用量,并为太阳能光伏发电提供必要的市场规模。做好太阳能技术的战略储备,建设若干个太阳能光伏发电示范电站和太阳能热发电示范电站。在经济较发达、现代化水平较高的大中城市,建设与建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施。首先在公益性建筑物上应用,然后逐渐推广到其他建筑物,同时在道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用光伏电源。另外,光伏发电在通讯、气象、长距离管线、铁路、公路等领域有良好的应用前景。从以上分析和政策导向来看,太阳能光伏发电系统应用是有选择的。在偏远地区、在电力线路敷设困难区域、在经过充分的经济技术比较可以设置的建筑物,设置太阳能光伏发电系统是合适的。只有这样做,才能真正达到推动建筑节能和示范的作用。   4.2绿色建筑中采用太阳能光伏发电技术   国家《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006第5.2.18条提出:“根据当地气候和自然资源条件,充分利用太阳能、地热能等可再生能源,可再生能源产生的热水量不低于建筑生活热水消耗量的10%,或可再生能源的发电量不低于建筑用电量的2%。”需要说明的是:①住宅建筑只提到“充分利用太阳能、地热能等可再生能源”并未提到光伏发电。②对于建筑物总体而言,建筑用电量的2%并不是一个小的用电量。按照《中新天津生态城绿色建筑评价标准和细则》DB/T29-192-2009第5.2.12的要求:发电量占建筑用电量的2%~3%(可得4.5分)。在实际工程中,大多采用的可再生能源是太阳能热水及地源热泵系统。即便采用了太阳能光伏发电系统,更多的也是赋予了示范作用。③LEEDNCv2.2标准、EAC2现场再生能源(指:太阳能、风能、电热、环保水电、生物质能和沼气)部分,要求可再生能源占总能耗的2.5%、7.5%和12.5%(得13分)。在LEEDv3.0中现场可再生能源的使用率为1%、3%、5%、7%、9%、11%和13%(得17分),细化了可再生能源的使用率和得分情况。总之,绿色建筑并非一定要采用太阳能光伏发电系统。而在零能耗建筑中基本上是需要采用太阳能光伏发电系统的。   4.3零能耗建筑中采用太阳能光伏发电技术   要实现建筑物零能耗就必须解决自身发电的问题,由于风能在大城市中并不是一种稳定的可持续发电的可再生能源(尽管采用垂直轴风机发电系统可以解决部分问题),因此,更多的是采用太阳能光伏发电系统。对于零能耗建筑,其建筑物自身的能耗要求尽可能的低,即超低能耗。新加坡一所学校的技术培训楼,建筑面积4500m2,按照“零能耗建筑”进行改造,总能耗仅为45.8kWh/m2.a。安装的太阳能光伏发电系统,容量为190kWp,年发电量为20.7万kWh/a。2008年10月2日开始施工,2009年8月28日竣工使用。目前,国内建筑的实际能耗远高于此。对于单体规模小于2万m2且没有集中空调的建筑(除餐厅、机房等特殊功能用房),通常能耗折合用电量在3060kWh/m2.a(不包括采暖);对于单体规模大于2万m2且有集中空调的建筑,通常能耗折合用电量在70300kWh/m2.a(不包括采暖)[1]。零能耗建筑是绿色建筑,更是超低能耗建筑,因此,它非常节能。而且,对建筑物的使用功能是有限制的。太阳能光伏发电系统为零能耗建筑供电,解决好太阳能电池板铺设面积是至关重要,通常屋顶面积是不够用的,需要借助附属建筑(如:自行车棚、泵房)和建筑物立面等处增加太阳能电池板的铺设面积。建筑物正常运营时,要按照设计时确定的工作模式进行工作,不得随意更改。同时,尽量减少人为干扰因素,确保零能耗的实现。   5合理利用太阳能光伏发电技术   太阳能的利用,不一定是难度越大、技术越复杂就越好,就越值得推广和示范。例如:建筑A:在屋面开1m2的天窗,综合透过率为70%,如果太阳辐射落到水平面上的辐照度为800W/m2,太阳光的光效是104lm/W,则进入室内落到工作面上的光通量约是58240lm[1]。建筑B:在屋面上安装了1m2的太阳能光伏板,通过光效为76lm/W的节能灯(2×42W光源)照明,则落在工作面上的光通量是6384lm。两者的光通量相差9倍。前者投资低,更节能环保,但不被重视。后者被认为是利用了可再生能源,反而得到重视。因此,对于太阳能光伏发电技术要有一个全面的认识,要根据建筑物的实际需求,通过综合经济技术比较,确定是否采用。同时要更多的关注自然采光、天然光导光系统、太阳能热水等环保节能的方式。   6太阳能光伏发电量的计算   太阳能光伏发电系统的发电量计算,并没有一个标准的计算公式。太阳能光伏预计年发电量通常是根据年平均辐射量、太阳能电池板峰值总功率(或是太阳能电池板的面积和转换效率)及修正系数(包括:安装角度、衰减、温度和逆变器效率等)计算而得。实际上修正系数是一个很难给定的值。同时,建筑物自身的高度,其它建筑物对它的遮挡等也都会对太阳能的年发电量产生影响,当遮挡严重时,计算的偏差会很大。考虑到太阳能光伏发电系统受外界的影响因素较多,利用PVSYST软件进行模拟计算较为全面,它主要考虑:太阳能发电系统种类(独立运转型、并联市电型等)、太阳能电池种类和参数(单晶硅、多晶硅及型号、规格等)与设置场合、太阳能电池的放置参数、建筑物对应关系与遮蔽效应评估以及环境参数:日射量、温度、经纬度及建筑物相对高度等。由于模拟时,需要建模,设定各种参数,模拟计算较为复杂,但结果较准确。   7结束语   太阳能光伏发电系统的应用会涉及到诸多方面的内容,在设计时要根据建筑物的实际需求和示范要求,进行综合经济技术比较和较准确的模拟计算分析,形成科学、合理和经济的技术方案。同时也要关注光伏电池在生产过程中的污染和能耗,以及自然采光、天然光导光系统环保节能方式的采用,从而真正起到推动建筑节能发展的示范作用。#p#分页标题#e#