“光伏直驅變頻空調系統”與“光伏發電+逆變器”的分析對比
一
光伏發電的起源
1839年法國科學家E.Becquerel發現液體的光生伏應（簡稱光伏現象）。1904德國物理學家愛因斯坦發表關于光電效應的論文，并于1921年獲得諾貝爾物理學獎。1958年我國研制出首塊硅單晶。1972年，一個法國人將光伏系統安裝在尼日爾一家鄉村學校，用于教育電視供電。1998年，我國開始關注太陽能發電，一直到2007年，中國成為世界上產太陽能電池多的國家。
二
光伏發電利用的現狀
光伏系統是通過吸收太陽光，將太陽能轉化成電能，輸出直流電，通過匯流及逆變器后逆變為交流電，并入市網，如業主需要用電，再從市網取電。如下圖：
本套系統是光伏能源利用的先驅，雖然已經很大程度的便利推廣，但該套系統仍存有一定的缺陷，具體分析如下：
?。?）光伏發電的利用率：光伏發電通過逆變后并入市網，終端耗電系統或空調再從市網取電，整個過程通過逆變、穩壓后會產生一定損耗，導致光伏發電利用率較低。影響用電效率主要因素有以下幾點：逆變器效率，變壓器1、變壓器2效率，空調變頻器效率（包括逆變單元和換流單元）。以下為對系統性能進行分析：
忽略交直流線損，各模塊采用效率值，通過上表，以變頻離心機為對象，我們可以分別計算該系統在純光伏供電和市電供電時的系統效率。
當該系統由光伏發電供電時的系統效率為η1：
η1=逆變器效率×變壓器1效率×變壓器2效率×變頻器換流單元效率×變頻器逆變單元效率=96%×98%×98%×98%×98%=88.5%
當該系統只由市電網供電時的系統效率η2：
η2=變壓器效率×變頻器換流單元效率×變頻器逆變單元效率=98%×98%×98%=94.1%
綜上：常規光伏發電+變頻離心機系統中，光伏發電利用率為88.5%~94.1%。
若選用600RT空調為例，匹配400KW光伏組件，以杭州天氣情況分析，30年年均發電量大概在35.28萬度電，30年總發電量為1058.4萬度。杭州工商業上網電價為0.61元/度電，30年預計節約電費為645.6萬元。
?。?）工作模式：光伏發電需要并網后，用戶再從市網上取電，僅一種單一的運行方案。導致光伏發電利用率大大降低。
?。?）經濟組成：整套系統包括光伏組件、匯流箱、直流配電柜、逆變器、空調設備、變壓器1、變壓器2、交直流電纜。
?。?）占地面積及安裝：100KW的光伏逆變器尺寸為1051除濕660除濕362.5mm，若匹配600RT的離心機，大概需要鋪設400KW的光伏組件，控制室設備需要100KW逆變器4臺，兩臺變壓器，直流電纜若干，安裝過程不僅復雜還浪費人力財力。
基于以上情況分析，格力電器還考慮到，太陽輻射強度、光伏發電量、空調使用頻率三者發展趨勢匹配，季節適應性強，電能利用率高，于是光伏直驅變頻離心機應運而生。
三
光伏直驅空調的誕生
隨著我國城鎮化發展，城鎮面積大幅增加，隨之而來的是我國建筑能耗的同步增長。從2001年到2011年，全國建筑面積從110億㎡增長到230億㎡，建筑總能耗從3.5億tce增長到6.87億tce。在我國的現有能源結構中，煤炭占我國一次能源的比重為70%，過度依賴煤炭的能源結構造成了我國環境的巨大污染，開發可行、高效的可再生能源發電方式，提高其發電的比重已經是大勢所趨。
2008年，格力電器開始布局產業規劃，聯合南車株洲電力機車研究所、珠海格力節能環保制冷技術研究中心、株洲變流技術國家工程研究中心在對太陽光伏發電與變頻離心機進行了可行性論證后，設立了《光伏直驅變頻離心機系統》聯合開發項目，旨在響應國家節能減排的號召，研究出一套基于建筑節能的新型空調系統，解決建筑耗能巨大的問題。2013年光伏直驅空調研發上市，并在格力電器九期科技大樓進行應用，至今運行良好。
四
光伏直驅空調的研究及發展
光伏直驅空調系統是由光伏發電系統、離心機主機系統、集成光伏微網及暖通群控功能的發用電一體化系統三部分組成。利用光伏直流電直接驅動離心機運行，并通過發用電一體化管理系統進行發用電匹配調度，系統見下圖：
光伏能利用率高達99.01%，系統根據實際運行情況實時自動切換五種工作模式的發用電狀態，發用電動態切換小于10ms。該系統具有良好的節能性、智能化與適應性以及高的集成度，節省了工程施工量和電房空間。是全球首創、國際的一款的暖通應用設備，獲得國內外多項大獎認證。
?。?）設備用電效率：光伏直驅離心機由于節省了逆變器，光伏組件發出的直流電可以直接驅動光伏離心機，使得設備用電效率，損失小。以下對光伏直驅離心機的利用效率進行對比：
忽略交直流線損，各模塊采用效率值，通過上表，我們可以分別計算該系統在光伏空調模式和純空調模式下的系統效率。
光伏空調模式，即當光伏發電功率等于變頻離心機耗電功率時，光伏系統所發電能全部應用于變頻離心機的工作模式。此時系統效率η3就是離心機變頻器逆變單元的效率：
η3=變頻器逆變單元效率=98%
純空調模式，即當光伏系統不發電時，變頻離心機向其他電網取電的工作模式。此時系統的效率η4：
η4=變頻器換流單元效率×變頻器逆變單元效率=98%×98%=96.04%
綜上：光伏直驅變頻離心機系統其他工作模式的系統效率在96%~98%。經多家第三方檢測，光伏直驅變頻離心機系統效率實際可達99.10%。
若選用600RT光伏離心機，匹配400KW光伏組件，以杭州天氣情況分析，30年年均發電量大概在38.77萬度電，30年總發電量為1163.1萬度。杭州工商業用電電價如下：
峰時段：10:00——12:00,16:00——22:00
平時段：7:00——10:00,12:00——16:00,22:00——23:00
谷時段：23:00——7:00
峰時段節約電費：4/11×1163.1萬度×1.16元/度=485.7萬元
平時段節約電費：7/11×1163.1萬度×0.87元/度=637.5萬元
總節約電費：485.7萬元+637.5萬元=1123.2萬元
?。?）系統匹配度：光伏發電屬于光伏直驅離心機系統中的一個組成單元，兩者合理匹配。通過發用電一體化系統進行監控光伏發用電情況以及調控中央空調暖通系統。
?。?）工作模式：建立了光伏發電系統、離心機負載和公用電網三者之間的三元換流模型，實現了電能在直流側雙向流動、多路混合，發用電動態切換時間小于10ms。系統擁有五大工作模式，可以根據實際天氣情況自動切換，切換時間快可達4.1ms。
中國科學院太陽檢測中心檢測報告
國家建筑節能檢驗中心檢測報告
?。?）經濟組成：整套系統包括光伏組件、匯流箱、空調設備、交直流電纜。
?。?）占地面積及安裝：節約掉逆變器和變壓器的占地空間，交直流線纜等輔材也相應減少，使得安裝費用更低、安裝更簡易。
五
兩種系統總結對比
六
本文補充說明
本文章所涉及的檢測報告、證書、皆出自國家建筑節能質量監督檢驗中心、中國科學院太陽光伏發電系統和風力發電系統質量監測中心、機構等；工商業用電電價、光伏上網電價咨詢國家電網公司。
格力光伏直驅變頻空調系統
經典樣板
1
大同國際未來能源革命展示館
山西大同
新能源主導產業戰略高地
格力光伏直驅變頻離心機
