摘 要

随着能源危机的不断加深,建筑能耗的不断增加和光伏产品在市场上的不断推广应用,预计中国光伏发电大规模建设即将进入快速发展阶段。目前,国内高校建设规模庞大,电力需求强劲,在发展屋面光伏方面具有很大的潜力。特别地，目前建筑屋面空间开发的光伏发电电站,不仅可以起到供电及削峰填谷的作用,也不需要占用额外的土地资源,做到节约用电支出又能节约能源的作用。该项目为师生提供了难得的学习新能源知识的机会,培养了大学生的低碳能源和生活的意识、学习国家发展理念具有重要意义,受到高校的欢迎和尊重。

本文从教育建筑能源的现状出发,分析了高校屋面光伏发电的建筑优势、能源优势,并总结了设计过程、设计要点、系统特点及光伏建筑的安全性和可靠性。分析了我国当前屋面光伏电站的安装方法,指出了屋面光伏电站的经济效益、节能效益和生态效益的计算方法。希望能为我国广大光伏发电项目的人员提供一些参考。

本文结尾总结了我国高校发展光伏所具有的实际意义，并针对当前我国光伏发电的实际情况，提出了大力开展屋面光伏项目的建议。

关键词：能源危机；高校；光伏；节能

Abstract

Along with the deepening of the energy crisis, the increasing energy consumption of the building and the continuous promotion and application of photovoltaic products in the market, it is expected that the large-scale construction of photovoltaic power generation in China is about to enter the stage of rapid development. At present, the construction of domestic universities is huge and the demand for electricity is strong, so it has great potential in developing rooftop photovoltaic. In particular, the current photovoltaic power station of building roof space can not only play the role of power supply and peak cutting, but also do not need to occupy extra land resources, so as to save electricity expenditure and save energy. This project provides a rare opportunity to learn new energy knowledge for teachers and students. It is of great significance to cultivate students' low carbon energy, life and the concept of national development. It is welcomed and respected by the owners of the University.

Based on the current situation of the energy of educational building, this paper analyzes the architectural advantages, planning advantages and energy advantages of the roofing photovoltaic power generation in Colleges and universities, and summarizes the design process, design points, system characteristics, and the safety and reliability of the photovoltaic architecture. The installation methods of rooftop photovoltaic power stations in China are analyzed, and the calculation methods of economic benefits, energy saving benefits and ecological benefits of rooftop photovoltaic power stations are pointed out. I hope to provide some reference for the majority of photovoltaic power generation projects in China.

At the end of this paper, the practical significance of the development of photovoltaic facilities in China's colleges and universities is summarized, and some suggestions for developing the roofing photovoltaic projects are put forward in view of the current situation of photovoltaic power generation in China.

Keywords: Energy crisis; colleges and universities; photovoltaic; energy saving

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.1.1国家政策 1

1.1.2国内太阳能光伏发电利用现状 2

1.1.3国外发展现状 4

1.2课题研究的意义和目的 5

1.3研究的主要内容 5

第二章 光伏发电系统概述 6

2.1光伏发电系统结构 6

2.2光伏电池 7

2.2.1光伏电池工作原理 7

2.2.2光伏电池的物理模型 8

2.3发电量计算方法 9

2.3.1方阵表面全年获得的平均太阳能辐射总量 10

2.3.2系统装机容量 10

2.3.3综合效率系数 11

2.4本章小结 12

第三章 项目主要实施方案 13

3.1设计要点 14

3.1.1地理位置和气候因素 14

3.1.2建筑朝向与周围场地情况 14

3.1.3容量设计 14

3.1.4系统安装 15

3.2系统组成 15

3.3本章小结 16

第四章 经济性与安全设计 17

4.1系统主要设备 17

4.2系统主电路 18

4.3光伏电场监控系统 18

4.4防雷接地系统 19

4.5本章小结 20

第五章 总结与展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

随着全球人口的增长、能源需求的增长和发展中国家经济的快速发展，人们预期2050年能源需求可能增长100-300%。地球上的所有生命都依赖于能量和循环碳，能源是经济和社会发展的关键，但同时也带来了环境的挑战^[1]。

我们目前的生活在在很大程度上,取决于石油、煤炭、天然气、核能和水力发电。为了全面地解决能源问题，考虑能源的复杂性是非常重要的。任何能源，包括石油，煤炭，风能和生物质能，是一个复杂的供应链，必须将其作为一个系统，把生产和消费考虑进去，系统的所有要素都是相互联系、相互依存的。例如，油需要结合所有元素，包括勘探、钻探、生产、运输、精炼、水等。炼油产品和副产品、废弃物、环境影响、分配、消费、应用，最后，排放^[2-3]。

我国地大物博，资源储存量大，但是不可再生能源并不是开采不尽的，同时我国正处于快速发展中阶段，能源需求不断增涨，因此我国也是一个能源消耗大国。到今天为止，我国仍然以燃烧煤炭作为发电的主要方式，在快速发展中可再生能源被不断消耗，同时也受到经济、环境、技术等方面的影响，因此必须去寻找能够替代不可再生能源的新型能源。

1.1.1国家政策

太阳能在建筑中的应用经历了早期被动接收技术、后期太阳能收集技术和当前光电转换技术的漫长过程。目前光电转换技术因其技术复杂、投资大、经济性低而在上世纪末得到广泛推广。光电转换技术将光伏组件作为运载体,并通过太阳能电池直接将光能转换成电能,用于为建筑物提供电力供应的持续性。在应用中,可以根据光伏发电的网格的规模容量进行分类。目前可分为两类:①集中式并网光伏发电,②分布式光伏并网发电。集中式并网光伏电站具有投资少、建设快、无土地资源等优点，是未来并网光伏发电的主流。

虽然中国一直在推动光伏电站的发展和建设,但中国仍是一个大型光伏发电和光伏电网大潜力的国家。主要原因有以下几个方面:(1)光伏电站投资成本高、经济效益低、回收期长;（2）大多数集中式光伏电站远离电网系统,导致光伏电源传输困难的问题;（3）光伏工程与建筑的结合较少,没有必要的基本设计经验,建筑设计只注重功能和外观效果的观念仍然没有改变,可再生能源的利用不足问题仍然存在；(4)虽然国内光伏互联网最近得到相关文件的批准,但光伏发电补贴低的问题层出不穷,严重阻碍了企业在国内市场的拓展和发展。此外,随着国外经济危机的进一步加剧,光伏发电市场日趋冷淡,国内光伏企业大多亏损面临重组。

为了解决这些问题,政府相继出台了一系列鼓励政策。包括加快光伏产业结构调整,完善设备技术,规范行业发展和竞争机制,避免价格战的持续性,同时积极开拓国内市场,引导民间资本进入,充分发挥市场机制,完善相关政策补贴,打破地方保护主义,减少政府干预。特别是国家出台了有针对性的分布式光伏上网政策,鼓励单位、社区和个人向公共电网传输光伏发电。2012年10月,国家颁布了《关丁关于如何做好光伏并网发电并网服务的意见》,要求电网管理部门为业主提供系统方案设计、调试和电网连接检查；同时对余电网进行全额收购，并上、下网分开计量；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企业负责。

光伏并网服务的工作准则的出台，既降低光伏项目的开发成本，同时提高了光伏项目建设的效率与进度；且极大鼓励了太阳能光伏产业界致力于研发和生产的契合与建筑进行一体化的太阳能建材方向；部分有节能意识的企业开始尝试在建筑设计的开始阶段，就把太阳能发电组件作为不可缺少的建筑部件来考虑，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在节能改造中,光伏发电系统被广泛使用,特别是对于大中型公共建筑。由于具体的使用功能,电费的成本远远高于普通电价。光伏发电可以减少这部分开支。它具有较高的经济性,例如,目前的电价为0.5元,商业电价已经达到1元。以上,光伏电站投资收益周期将大大缩短,安装规模将继续扩大。由于中国的使用数量有限,既有建筑屋顶空间的利用和发展,屋顶光伏电站也得到发展,未来分布式光伏发电将是首选模式。因此,对建筑屋面光伏发电系统进行了研究和分析。既有巨大大的经济、环境意义又能给相关设与施人员提供一定程度的应用指导。

1.1.2国内太阳能光伏发电利用现状

党的十八个“生态文明”融入了“五位一体”的整体布局,建设生态文明的“美丽中国”已成为全面建设小康社会的总目标。光伏、太阳能等绿色环保环保产业将发展较快。国内光伏产业应该走出当前的“寒冬”季节,希望国内市场大规模启动。2013年7月,国务院发布《国务院关于促进光伏产业健康发展的意见》(国发〔2013〕24),各部委相继出台。各省市陆续发布了促进光伏健康发展的一系列措施和政策,犹如春旱的一场及时雨,滋润着国内市场大规模启移动。目前,光伏屋顶发展的客观条件已经具备。光伏屋顶将进入巨大发展的时代^[4-5]。

太阳能资源丰富、分布广泛，它是世界各国开发利用的可再生能源。太阳能发电技术具有温室气体排放少、环境影响小、开发潜力大、应用方便等特点。它是新兴的能源技术之一,受到世界各国的广泛关注和关注。

随着我国经济迅猛的发展,中国也面临着能源和环境等多重压力。可再生能源包括光伏发电的发展已成为我国制定的国家政策。中国政府首先指出光伏产业是全球能源技术和产业的重要发展方向之一,是拥有雄厚发展潜力的朝阳产业。它也是具有中国国际竞争优势的战略性新兴产业之一。中国光伏产业当前首要面临的问题和困难,不仅是产业发展的挑战,也是推动产业调整升级的契机。光伏发电的成本骤降，为扩大我国国内市场提供了充分的条件。我们要坚定的抓住机遇,开拓创新。矢志不渝地推动光伏产业健康的发展。为了贯彻国务院文件要求的目标引领发展,以保证国家光伏发电发展规划夯实到基础,中国光伏发电计划调整的的目标为2015年度35千瓦。在2020达到100GW^[6-7]。

表 1.1 中国光伏产业历年发展情况

图 1.1 光伏产业规模

1.1.3国外发展现状

   率先进入光伏市该领域是欧美发达国家和日本的一批。自1969年起，世界上第一座太阳能电站建成这些年以来,欧盟以及美国的太阳能发电比例日益增高,太阳能光伏发电技术取得了空前的发展。其中,欧盟是世界上最大的光伏发电领域。2008,该地区占全球光伏发电总量的80%。在德国和西班牙,光伏发电占总发电量的84%左右。这些成就显然归结于欧洲近20多年以来光伏产业的持续蓬勃的发展。虽然美国在光伏产业方向起步较早,但美国对光伏发电的未来关注不多,因此美国的光伏发电量和技术水准不如欧盟国家甚至日本。但是随着美国前总统奥巴马政府出台了一整套政策以鼓励新能源发展,美国在光伏产业中有着巨大的发展势头,美国政府也推出了一系列支持其发展的政策^[8-9]。

由于德国、日本和美国等国家出台一系列鼓励光伏发电产业的政策，世界光伏发电市场才能够增长如此迅速。德国、日本和美国等国家都根据自身发展现状制定了符合自身的发展路线，各国的总装机容量都在不断增长。从长远来看，光伏发电产会代替部分常规能源，成为世界能源消费的主体。根据欧洲JRC的预测，到2030年可再生能源占全世界能源消耗总量的30%以上，在全世界电能供应的总量中光伏发电应达到10%以上；到2040年可再生能源占全世界能源消耗总量的50%以上，光伏发电则占全世界电能供应总量的20%以上；到21世纪末，可再生能源占全世界能源消耗总量的80%以上，而此时光伏发电应占到全世界电能供应总量的60%以上，由此可以显示出光伏发电在全世界电能供应中的重要战略地位^[9-14]。

1.2课题研究的意义和目的

目前,我国教育建筑的浪费现象十分严重。如果这种浪费现象被默许继续发展,一定会影响到我国甚至世界的能源安全。所以,可再生能源在高校建筑中的大力推广,特别是光伏发电,是增加可再生能源在建筑能源中的比例,促进绿色校园建设的重要措施。太阳能光伏屋顶项目的设计、安装和网格化应用是光伏建筑发展的一部分。这些问题的解决可以为教育建筑中光伏电站的建设提供一个完整的方案,优化学校光伏发电的配置,提高既有建筑的节能效果,提高高校的能源利用率。需求减少。为中国实施可持续发展战略、实现节能目标和减少温室气体排放做出了重要贡献^[15-16]。

1.3研究的主要内容

本次设计以实地调研及考察为基础，以高校太阳能光伏屋面的设计与主要实施方案为研究对象，主要进行以下四个方向的研究工作：

第一部分，通过网上查阅资料以及实地考察了解到了国内外屋面光伏项目的使用情况，并发现高校推广屋面光伏发电项目的必要性。