高校光伏发电系统及其综合功效探析
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摘 要：文章介绍了黄河水利职业技术学院的光伏发电系统，并对其经济可行性进行了分析；阐述了安装太阳能发电系统的节能作用和环境保护的功能；浅析了它的教学和科研功能；分析结果表明在高校开发建设太阳能发电工程具有多重综合功能，具有良好的社会、经济效益和广阔的应用前景。
21世纪全球经济飞速发展，人们生活水平不断提高，人类对资源的需求与日俱增，然而煤炭、石油、天然气等一次化石性能源正日趋枯竭，能源危机迫在眉睫。另外，由于对化石能源的过度开采和利用，已经引起全球气候变暖、生态环境日益恶化，各种生态和自然灾难接踵而至，极大地威胁着人类的生存。在此背景下，人们把目光投向了太阳能等取之不尽、用之不竭、环保、清洁、安全的可再生能源[1-2]。发达国家大力研究开发太阳能发电技术，并取得了举世瞩目的成就。近年来，我国太阳能发电技术也趋于成熟，光伏产业有了飞速的发展，国家出台一系列经济政策，在全国强力推行“太阳能屋顶计划”[3]。在国家政策春风的吹拂下，黄河水利职业技术学院为提高本校供配电系统的供电可靠性，解决经常出现的停电问题，保障多媒体教学活动的顺利开展，开发建设了太阳能发电系统，该工程于2011年底正式建成并网发电。本文就高校太阳能发电系统所具有的综合功能进行分析和评价。
1 光伏发电系统
高校校园一般有教学楼、实验楼、图书馆、行政办公楼、学生宿舍楼等建筑群，是建设太阳能光伏电站的理想场所。黄河水利职业技术学院位于河南省中部开封市，日照资源充足，年均辐射量为5106.15MJ/m2。校园建筑有教学楼组团、实验实训楼组团、学生宿舍楼组团，各类楼群的坐向各异，屋顶面积45000平方米。根据校园建筑特点，结合当地气象资料和太阳辐射资源开发建设了2MWp太阳能光伏发电系统。
此太阳能光伏发电系统主要由光伏阵列、阵列架体、DC/DC变换器、逆变设备、变压器、交直流电力网络、交流配电柜、数据采集及监控系统等组成，如图1所示。该光伏发电系统采用了分块发电、集中并网的方案，即将系统分成若干个小型光伏发电单元，经过DC/DC变换器后，由DC/AC逆变装置将直流电变换为50Hz、270V的三相交流电，然后经过升压变压器将光伏发电系统并入常规10KV电网，把常规电网作为光伏发电系统的载体，与常规电网构成高品质的双回路电源供电系统为学校教学供电。
本项目的电池组件为标准光伏组件，共安装8511块，组件转换效率16%，额定功率为235Wp，系统峰值总功率2000.09KWp，采用4台500KW并网逆变器。
光伏电池组件安装在教学楼、办公楼、学生宿舍楼屋顶，光伏组件阵列安装倾角30度。屋顶上光伏方阵支架采用钢结构，支架设计保证光伏组件与支架连接牢固、可靠，底座与基础连接牢固。支架采用镀锌角钢制作的钢结构支架。方阵组件的安装采用螺栓与钢支架固定，阵列间距D为1.5米。该光伏发电系统主要技术参数见表1。
在本光伏发电系统中，逆变器是关键设备。一方面，它不但要担负着系统的DC/AC转换作用，实现与电网友好连接：①具有高性能滤波电路，使逆变器交流输出的电能质量很高，不会对电网质量造成污染，满足国家电网电能质量要求；②在输出功率>50%额定功率，电网波动
2 经济效益
为合理评价该系统的经济效益，我们根据相关的可再生能源评价原理，结合太阳能光伏发电的特点，充分考虑各方面的因素，运用动态的经济评价方法，以投资利用率、费效必为评价指标，计算软件采用联合国环境规划署和加拿大自然资源部联合编写的可再生能源技术规划设计软件RETSCREEN[4]，对上述工程以26年（含1年建设期）为计算期，对其经济效益进行计算。经计算可得，本工程总发电量约为5446.51万kWh，年平均发电约217.86万KWh，太阳能光电系统效率为78%，费效比为1.36元/度，具体计算结果见表2。
通过对上述经济指标进行分析，可以得出以下结论：本项目税后财务内部收益率为13.84%，动态投资回收期为7.64年，投资利润率为1.32%，说明本项目建成后不但能解决学校的自身用电问题，同时还具有一定的盈利，即本项目在经济上是可行的。
3 环境和节能效益
光伏发电是一种清洁的能源，既不直接消耗资源，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。开封是一个有着悠久历史的都城，目前开封人民正在为打造“世界旅游名城”而奋斗，本项目工程的实施对于开封市的环境保护具有特殊重要的意义。
目前，我国发电耗煤为平均390g标煤/kWh，本项目预计年发电量为217.86万KWh，那么该光伏电站预计每年节约标煤为：217.86万KWh390g标煤/kWh=849.65t；预计25年总节约标煤就为：217.86万KWh390g标煤/kWh 25年=21241.35。
另外，我国每发1kWh电排放CO2为1.4kg，那么本项目将每年减排二氧化碳为：217.86万KWh×1.4kgCO2/kWh=3050.04t CO2；25年减排二氧化碳为：217.86万KWh×1.4kgCO2/kWh×25Y=76251t CO2
由此可见，黄河水院建成的2MWp太阳能光伏发电工程项目与相同发电量的火电厂相比，每年可为电网节约标煤849.65吨；在其经济使用寿命25年使用期内将节省标煤21241.35吨；能减排温室气体CO2 共约76251吨，具有明显的节能和环境保护效益。
4 教学与科研功能
在高校建设太阳能光伏发电站不但具有环境保护和节能的重要意义，另外还具有特殊的教学和科研功能。
首先，在能源危机的威胁下，在国家政策的支持下，全国各地的太阳能发电工程近几年如雨后春笋般纷纷上马，建成的太阳发电系统并网发电，投入运行。然而，随着太阳能光伏发电产业的迅速发展，新设备需要不断地开发、生产规模需要不断地扩大，这意味着对专业人才的需求不断增多。同时，由于光伏设备必须在安装调试通过以后才能够投入生产运行，故需要生产企业委派具备丰富实践经验的技能型人才到现场，为企业解决设备在生产过程中出现的各种技术问题。然而，目前该行业内的技术及服务人员数量很少，光伏发电行业的发展面临着人才缺乏的问题。因而，国家教育系统应该加大对太阳能光伏行业的人才培养力度，应该在高校开设太阳能光伏发电专业，尤其是要充分利用高级职业院校为该行业培养实践型的高级技能人才[4]。可是，由于太阳能发电技术专业是一个新型的专业，目前高职院校中开设太阳能发电课程的并不多，更不用说太阳能发电技术专业了。而且有些院校虽然已经开设此类专业和课程，但是由于实训条件缺乏，教学质量也不太理想。黄河水利职业技术学院是国家首批示范性高职，其中电气自动化技术专业是国建示范性专业，为更好地起到引领示范性作用，我院自动化工程系为该专业开设了“太阳能发电技术”的课程，课程就是以本院的太阳能光伏发电系统作为教学平台和实训基地，开展“教、学、练、做”一体化教学活动的，培养了既懂太阳能发电原理，又能从事太阳能发电系统各种设备的安装、调试、运行、维护和管理的高级技能人才；同时也是我院2013年度获得国家重点支持建设“风光互补发电系统实训室”的基础，这些都在为我们即将开设的“新能源发电技术专业”准备条件和积累实践经验。
其次，我院太阳能光伏发电站的建成不仅为我院搭建了新能源发电技术的培训与教学平台，同时也搭建了新能源发电技术的科研平台：为了主动适应智能电网建设的要求，为其提供清洁能源，我院的科研工作者还以该项目作为研究对象和实验基地，开展“分布式发电并网技术、分布式发电对电能质量的影响、风光互补发电技术”等多个项目的研究工作，从而提升了高职院校的科研能力，带动了我院科研工作的深入开展，推动了河南省太阳能发电技术的进一步提高。
最后，通过我院的太阳能示范工程的建设，不但可以提高人们对太阳能发电的认识，为高校开发校园建筑物节能体系积累经验；而且可以为中原经济区高新技术产业带的发展，为河南省高新技术开发起了示范引领的作用。
5 结束语
由于太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的清洁能源，如果充分利用高校建筑楼群的屋顶建设太阳能光伏发电工程，不但可以解决高校的用电问题，获得一定的经济效益，而且可以节约能源、清洁环境，并且还可以为高校教学和科研工作发挥它的特定作用。因此，在高校校园中建设太阳能光伏发电系统具有多重效益和功能，值得在全国高校中广泛推广。
参考文献
[1]赵春江.太阳能光伏发电系统的技术发展[J].创新与技术，2011：56-63.
[2]胡阿芹，孟棋.我国太阳能光伏发电产业发展研究[J].湖北社会科学，2011（4）：92-95.
[3]柴玉梅，王峰.某15MW太阳能屋顶光伏发电工程的应用分析[J].节能，2010（9）：24-26.
[4]田飞，胡长明，等.农村建设中太阳能路灯综合效益评价研究[J].青岛农业大学学报（自然科学版）2011，28（1）65-68.
作者简介：李小雄（1968-），女，汉族，湖南新宁人，副教授，博士，从事电气自动化技术专业教学与研究工作。