光伏空调技术在某交通枢纽站的应用研究

刘臣厚，冯薇

（1.北京格力中央空调工程有限公司，北京 100055；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044）

在我国能源结构大调整的关键时期，清洁能源的技术开发和应用亟待发展。自《国家发展改革委、财政部、国家能源局关于2018年光伏发电有关事项的通知》的发布，要求进一步加大市场化配置项目力度：积极推进分布式光伏资源配置市场化，鼓励地方出台竞争性招标办法配置除户用光伏以外的分布式光伏发电项目，鼓励地方加大分布式发电市场化交易力度开始，全国已有18个省市68个地区对新投运的、采用“自发自用、余电上网”模式的分布式光伏发电项目拥有全电量度电补贴。光伏发电自用成为建筑用电的重要研究方向，具有深远的经济及环境效益。

1 项目总体设计

1.1 工程概况

本项目位于北京市（东经116.4°，北纬39.9°），气候环境条件优异，光照条件好，非常适合光伏发电，交通枢纽中转站屋顶敷设面积22000m2，光伏系统所发电能优先供空调系统主机使用，不足部分由市电补充电能。

1.2 太阳能资源条件分析

从NASA数据库可查得，北京市地区日均太阳辐照量为4.32kWh/m2·day，最高达6.17kWh/m2·day，年总辐照量为1577.7kWh/m2，太阳能资源丰富等级为B级，是安装光伏系统的较佳地区。

1.3 系统总体架构

光伏离心机为双能源设备，光伏系统作为光伏离心机系统的直流能量来源，光伏离心机优先使用光伏发电量，当光伏发电不足供光伏离心机使用时，不足部分由市电提供；当光伏发电量多于光伏离心机的用电量时，多余部分并入电网，供给其他用电设备使用。

光伏离心机系统主要设备有光伏组件、防雷汇流箱、直流配电柜、光伏离心机、隔离变压器、交流配电柜等。光伏阵列表面接受阳光照射形成直流电，直流电经过光伏防雷汇流箱进行一级汇流，再通过直流配电柜进行二级汇流后形成一路直流电接入光伏离心机直流母线，光伏离心机交流侧接入交流配电柜并网接入市电。

2 光伏系统选型设计

2.1 光伏组件选型

根据上述项目的屋顶敷设面积、北京地区的太阳辐射年总辐照量等数据进行综合分析后，选择360Wp单晶硅组件，该款组件具有发电量高、寿命长、可靠性高等优势。

2.2 光伏离心机选型

光伏离心机系统自带变流单元与光伏阵列相连接，构成了一个光伏系统，具有灵活高效的特点。本工程选用1台500RT光伏离心式冷水机组及1台1000RT光伏离心式冷水机组。

2.3 光伏系统组串设计

根据所选用光伏组件技术参数、光伏空调技术参数和北京市历史气温条件（昼间最高温度不超过40.0℃，最低温度不低于-10.0℃），可根据下列公式算出光伏组件的串联数：

综合：N=20

根据上式计算结果，结合本项目可安装光伏组件有效面积，光伏组件的串联块数可设计为20块，即该项目光伏组件按照20块/串进行设计保证系统稳定运行，并且在常规工况下系统运行效率较高。

2.4 组件倾角、方位角设计

使用国际通用的光伏系统设计软件PVSYST对地区的光伏系统进行建模分析设计，光伏阵列朝正南方向安装，安装倾角为40°，此情况下，全年太阳辐照量为1577.7kWh/m2·year。

2.5 光伏阵列前后排间距设计

根据光伏板尺寸、当地纬度φ、安装倾角β，利用以下公式对该地区的光伏系统进行分析计算，光伏组件采用双排排布，光伏阵列按40.00°倾角安装，光伏阵列前后排间距设计为9.50m，该间距可使得光伏阵列在投影最长的冬至日，在上午9:00到下午15:00前后也不遮挡，保证了光伏系统的发电效率。

2.6 光伏阵列排布

本项目光伏组件采用双排排布，根据屋顶可铺设面积进行估算，预计安装360Wp单晶硅组件2380块，装机容量856.80kWp，光伏系统共需要安装面积约为11828.60m2。

2.7 防雷汇流箱

光伏防雷汇流箱主要用于光伏发电系统中光伏组件的一级汇流，根据光伏发电站设计规范，光伏防雷汇流箱应具有如下功能：应设置防雷保护装置；输入应设置防逆流及过流保护。对于多级汇流光伏发电系统，如果前级已设防逆流装置，后级可不做；输出应具备隔离保护功能。

2.8 直流配电柜

直流防雷配电柜主要用于光伏发电系统的二级汇流。直流配电柜应具有防雷保护及过流保护功能。根据需要，可配置直流电流、电压、功率、电能等计量功能。

2.9 隔离变压器

光伏发电系统中常用的变压器为干式变压器，变压器容量根据装机容量、机组配电功率综合选取，且宜选用标准容量，选择的变压器应该具有隔离直流分量和高次谐波的作用。在确定主变压器的额定容量时，需要留有20%的裕度。

2.10 交流配电柜

交流配电柜作为系统交流侧与电网对接的配电单元，主要用于给光伏系统提供并网接口，根据需要，还可以给本地负载使用。此外，还应带有防雷、测量、过流保护、电压电流采样、电能计量等功能，对并网接口起到很到的监控作用。

3 发电量预测及效益分析

3.1 发电量计算

光伏发电量的估算需要综合考虑多种因素，以地区特点，综合考虑光伏组件效率、变流器效率、灰尘及雨水遮挡损失、组件串并联匹配损失、弱光损失及其他项损失等因素，综合效率约为80%。

本项目光伏系统第一年发电量预计可达111.99万kW·h。光伏系统在实际运行时，考虑到光伏组件固有特性，第一年的衰减系数为2.5%，第二年开始往后每年衰减0.5%，30年衰减不超过20%，本项目光伏离心机系统30年发电量预计可达3048.88万kW·h。

3.2 经济效益分析

项目经济效益如表1，光伏系统总投资约为471.24万元，30年运行周期内光伏系统节约电费约为2134.22万元。

表1 经济效益分析

3.3 环境效益分析

太阳能光伏发电是一种具有可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪音、无污染，且太阳能资源取之不尽、用之不竭，是一种绿色清洁能源。推广和应用该项技术，应用分布光伏发电系统，将有利于提高社会能源利用的效率。对于该项目，若按30年统计，其环境效益如表2所示。

表2

4 结语

通过研究对北京某交通枢纽建筑光伏空调系统的应用计算选型分析，得出以下结论：本交通枢纽满足使用光伏空调系统设计，光伏系统发电量可以满足空调系统主机运行需求，光伏敷设面积峰值发电量大于空调制冷主机能耗，总光伏制冷主机装机容量1500RT，可以满足本建筑的使用需求。在非制冷季或者空调负荷较小的时间，光伏发电可以用于其他设备用电需求或并入电网。本套光伏空调系统设计使用寿命30年周期内，可以实现二氧化碳减排24970.32t。采用该系统节能减排效果显著，具有深远的经济和环境效益。