青岛火车站光伏系统蔡勇军

青岛火车站 BIPV 并网光伏发电系统摘要根据青岛火车站现场实际情况及建设单位、设计院的的具体要求，对 BIPV 技术和并网发电技术的综合应用进行研究，提出青岛站总体设计方案，并对设计要素，关键技术，对环境的影响，综合社会效益等进行详细阐述。一、项目概述青岛客运站改造工程是青岛市迎接奥运会标志性工程之一，建筑呈 “ Ｕ ” 形布局，形成开阔的欧式风格站房，雨棚采用拱形单层网壳屋面承重体系，上敷实芯阳光板，在广场南部架设空中观光连廊，上敷设光伏组件板，利用太阳能发电为客运站提供部分电力，并提升青岛火车站的形象，体现绿色奥运的精神，为节能减排起到表率作用。二、光伏建筑一体化（ BIPV ）光伏建筑一体化（ building integrated photovoltaic ）就是将光伏发电系统和建筑幕墙、屋顶等围护结构系统有机的结合成一个整体结构，不但具有围护结构的功能，同时又能产生电能，供建筑使用。光伏建筑一体化有以下一些优势（ 1） 建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构；太阳电池是固态半导体器件，发电时无转动部件、无噪声，对环境不造成污染；（ 2） 可就地发电、就地使用，减少电力输送过程的费用和能耗、省去输电费用；自发自用，有削峰的作用，带储能可以用作备用电源。分散发电，避免传输和分电损失（ 5-10），降低输电和分电投资和维修成本；并使建筑物的外观更有魅力。（ 3） 因日照强时恰好是用电高峰期， BIPV 系统除可以保证自身建筑内用电外，在一定条件下还可能向电网供电，舒缓了高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；（ 4） 杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。三、青岛火车站 BIPV 设计由于青岛站建筑设计中要求光伏组件安装后具备雨棚基本的采光遮阳挡雨功能，因此光伏组件板组件采用夹胶玻璃类型，符合国家规范对建筑采光顶的要求，确保安全功能。采用非晶硅薄膜电池，外层为高透低铁超白玻璃，比普通玻璃可以透过更多的太阳光，产生更多的电量，在弱光的早晨、傍晚、雨天也能发电。光伏组件表面呈深褐色，内表面为银色，并镀有 Low-e 膜，具有良好的建筑热工性能，保温隔热效果与双层 Low-e 玻璃相当。内侧银色与室内装饰效果能很好的结合，并能衬托室内简洁典雅的风格。组件尺寸与建筑分格一致，透光线条统一，骨架和线槽安装隐蔽，没有凌乱无序感，达到装饰与结构完美结合。四、太阳能光伏并网系统设计4.1 光伏发电系统简介图 3.1 BIPV 内视全景效果图（实景拍摄）图 3.2 BIPV 内视局部效果图（实景拍摄）人类对太阳能的利用很早就开始了，最早可追溯到上个世纪 20、 30 年代。在 60、 70 年代，太阳能光伏电池已经在实际使用中获得了不错的效果，但由于当时的光伏组件转换率不高，同时价格昂贵，所以没有得到大面积的推广。人类真正大规模应用太阳能进行光伏发电，还是本世纪初， 2000 年前后，在以德国为首的欧美国家大力倡导和扶持下，太阳能热潮席卷了全球，促成了太阳能光伏产业的快速发展。太阳能光伏发电系统由于其能源来自太阳，取之不尽，用之不竭，获得了人们的青睐。同时由于太阳能光伏发电系统没有转动部件，没有噪音污染，基本无故障，比其他常规发电方式都要好，对环境没有污染，非常环保。太阳能电池的使用寿命很长，一般可达到 20 年，其标准为太阳能电池发电能力衰减到额定值的80以下即认为寿命终止。太阳能光伏发电系统的主要投资集中在太阳能电池上，所以一般定义系统的使用寿命以太阳能电池寿命为准。太阳能光伏发电一次投入，长期收益。太阳能光伏发电系统主要有以下几种形式a） 小型独立电站（户用电源、通讯电源）b） 中型独立电站（岛屿集中型电源系统）c） 小型并网电站（屋顶并网发电系统）d） 大型并网电站其中，独立电站由于要使用储能装置（通常使用蓄电池），所以造价比并网电站要高，同时由于蓄电池等储能装置的使用寿命较短，一般为 3 到 5 年。因此增加了维护工作量和维护费用。所以，除非一些特殊应用场所，现在人们习惯使用并网电站，一是降低投资，二是减少维护费用及维护工作量，提高系统整体稳定性和可靠性。与建筑结合的 BIPV 并网发电系统，由于代替了原有的部分建筑功能，在扣除原有建筑材料成本后，使得BIPV 光伏发电系统相对其他光伏并网发电系统综合造价降低。其次， BIPV 项目不占用新的土地，节省了大量的土地资源，其社会综合效益非常高。4.2 BIPV 系统设计原则BIPV 系统主要由建筑外围护系统和光伏系统两部分组成。设计中需要参照以下原则。4.2.1 外围护结构屋面、幕墙a、必须考虑美观、耐用；b、必须具备基本的建筑功能；c、必须满足建筑设计规范（载荷、受力）。4.2.2 太阳能光伏发电系统电力生产及分配a、尽可能多地为建筑提供清洁的绿色能源；b、作为电力系统，必须安全、稳定、可靠。4.2.3 设计中着重考虑的因素a、 气候条件当地的气象因素是太阳能系统今后发挥效能的最重要影响因素；我国幅原辽阔，各地的气象条件，尤其是辐照强度差别很大，在系统设计中，应充分考虑这种差异。b、 建筑围护系统由于工程所在地的气象条件不同，包括不同的基本风压、雪压；安装的位置不同，如屋面、立面、雨蓬等，都会使围护系统的结构不一；同时，光伏组件的规格并不像普通的玻璃一般，可随意进行切割，在进行分格时也必须充分考虑；目前国内常用的非晶硅光伏组件尺寸为 1245 mm x 635 mm。而在本项目中，板块的规格尺寸由于必须与风雨棚的钢结构对应，同时要考虑今后清洁、维护，满足建筑安全的要求。因此，在本工程中，共出现了 19 种不同的规格。4.3 工程现场使用环境和条件a） 工程地点山东省青岛市；b） 环境温度极端最低温度－ 15.5℃，极端最高温度 35.4℃；c） 日照小时数近五年内的年日照小时数平均值 2156.6；d） 青岛地区按照百年一遇基本风压为 0.60KN/m2 ，并考虑阵风系数；e） 安装条件建筑屋面一体化；f） 系统型式并网运行。4.4 光伏组件选择与阵列设计4.4.1 光伏组件选择在设计当中，我们选择了非晶硅光伏组件，主要原因是非晶硅光伏组件有如下特点a） 耗用生产资源少制作非晶硅的工艺为 PECVD ，耗能低，其所耗能量回收期在 1.5 年左右。b） 良好的高温发电性能非晶硅的温度系数为 -0.19/℃，而晶硅则为 -0.5/℃。如果相同峰值功率的两种电池在 60 度下工作，由于温度的影响，则非晶硅比晶体硅的发电功率多 13.5. c） 良好的弱光发电性能比较适应青岛的气象条件，并具有较好的建筑效果，也是非晶硅在建筑上应用的一大优势。d） 工程造价低从单位面积而言，非晶硅成本较低。从节能环保意义上来说，采用薄膜电池由于耗费更少的社会资源，更少的污染，更能达到绿色建筑的要求。e） 抗应变能力强从电池结构而言，晶体硅电池不能承受大的变形，非晶硅薄膜电池组件更适合用于受力的结构件上。4.4.2 电池阵列设计设计选用的 BIPV 组件主要参数如下标准功率 Pm 峰值电压 Vm 峰值电流 Im 开路电压 Voc 短路电流 Isc 系统电压120W 134.7V 0.90A 183V 1.10A 600VDC 短路电流温度系数开路电压温度系数功率温度系数光电转换效率根据以上参数，我们先进行组件串联数计算组件最大串联数 SN≤ 系统电压 VS/开路电压 VOC ，即SN≤ VS/ VOC600/183 ≈ 3.28 0.09/℃-0.28/℃-0.19/℃5 因此，组件最大串联数为 3；出于安全考虑，我们最终确定组件串联数为 2 块。这时，光伏组件阵列的开路电压及峰值电压就已经确定，他们分别为VOCa 366VDC Vma 269.4VDC 前面我们讲过，光伏组件与连廊顶部的钢结构组合时，是弧线型的，这就导致许多光伏组件的朝向不一致，这给光伏组件方阵的设计带来一定的困难。为充分发挥逆变器的 MPPT 功能，我们要求逆变器配套的光伏组件尽可能的工作于相同的工作点。换句话来说，就是额定功率相同的组件应该输出相同的电压及功率，才比较适合组成一个方阵驱动逆变器。在这样的原则下，结合青岛站的具体情况，我们最终选择细分光伏组件阵列，使每一个子阵列的额定功率都不是很大，而且他们的朝向尽可能一致。最终确定，每个子阵列的形式为 2 串 19 并。子阵列相关参数如下直流最大功率 4560W 直流开路电压 366VDC 直流短路电流 20.9A 直流峰值电压 269.4VDC 直流峰值电流 17.1A 4.5 逆变器设计与选型根据光伏阵列的参数，选择合适的逆变器。由于光伏阵列的最大功率为 4560W，开路电压为 366VDC ，峰值电压为 269.4VDC ，因此选择 SMA 的高效并网逆变器 SB3800，其主要性能参数如下建议最大光伏输入功率 PPV约 4500W 最大直流输入功率 PDC， max 4040W 最大直流输入电压 UDC ， max 500V MPPT 电压范围 UPV 200V500V 最大输入电流 IPV ， max 20A 额定输出功率 PAC， nom 3800W 电流谐波 THD 3 并网电压范围 UAC 198V ～ 260V 并网频率范围 FAC 49.8HZ50.2HZ 功率因数 1 最大效率 95.6 4.6 并网设计常见的并网，一般选择一个并网点，集中并网。但青岛火车站项目设计中应甲方要求做了特别设计。甲方要求光伏发电系统运行时分成 4 个子系统，在 4 个不同点分别并网，目的是均衡匹配 4 台供电变压器的负荷，以免集中于单个变压器时出现逆潮流。针对上述特别要求，并网系统设计如下（ 1）整个光伏发电系统分成 4 个子系统，每个子系统由 6 个 4.56KW 的光伏子阵列、 6 台 3.8KW 的逆变器组成。（ 2） 4 个子系统分别由 4 个独立的并网控制柜与并网点连接，每一个并网控制柜可以选择 4 个并网点中的任何一个并网运行图 6.1 系统并网控制示意图并网系统除了实现上述并网功能外，还应具备以下功能A）同步跟踪功能跟随电网的变化，始终保持电压、相位、频率与外电网同步（由逆变器实现此功能）；B）最大功率跟踪功能（由逆变器实现此功能）；C）自动运行与关闭功能实时对外部电网的电压、相位、频率，直流输入及交流输出的电压、电流等信号进行检测，当出现异常情况时会自动保护，断开交流输出，当故障原因消失，电网恢复正常时，延时一定的时间后，恢复交流输出（由逆变器实现此功能）；D）过压、欠压保护功能；E）过载保护功能；F）短路保护功能；G）过热保护功能；H）防止 “ 孤岛效应 ” 功能当外部电网失电时，要求能立即检测并停止交流输出，以避免电力事故的发生（由逆变器实现此功能）。4.7 年发电量估算青岛火车站 BIPV 项目设计的额定发电功率为 109KW ，太阳能电池分为南坡和北坡两个部分。北坡太阳能板几乎不能接受到太阳直射光，只能靠散射光发电。在太阳能辐射中，比重最大的是直接辐射。青岛市位于东经 119 度 30 分至 121 度 00 分，北纬 35 度 35 分至 37 度 09 分之间。对于这一纬度地区，北半坡能接受太阳直接辐射的量显然比南坡少的多。我们参照斯迪威火车站的经验，将曲面投影到水平面上，水平面上总的发电面积为 1900 平方米，南北坡各占一半。然后再计算此平面面积上的年太阳总辐射量，乘以光伏组件的转换效率和逆变系统的效率即可获得年发电量数据。计算中北半坡取系数 0.35，南半坡取系数 0.80。青岛全年的太阳辐射情况如下图图 1.1 青岛月平均太阳辐射值） 1898～ 1987 年）全年 1、 11、 12 月三个月是太阳辐射较低的月份，而 5 月是太阳辐射最高的月份， 3、 4、 6、 7、 8、 9 月则是辐射较高的月份。 2、 10 月属于中等辐射月份。青岛全年辐射为 118.1 千卡 /平方厘米，换算成太阳能发电的常用单位则为 1373.27 千瓦 时 /平方米，按照标准辐射（ AM1.5 ， 1000W/m2 ）换算，则相当于全年标准日照时间为 1373.27 小时，平均每日标准日照时为 3.76 小时。经过前述方法计算，青岛站光伏发电系统全年发电量在 6 万度至 8 万度之间，具体发电量要视当年实际太阳辐射能量而定。五、相关应用案例BIPV 相关的项目，除了青岛火车站光伏发电系统外，还有北京奥体中心，威海粤海公园，威海天安房地产公司办公楼，项目实景图如下图 5.1 奥体中心光伏发电项目（实景图）图 5.2 奥体中心光伏发电项目（实景图）图 5.3 威海悦海公园光伏发电项目（实景图）结束语图 5.4 威海天安房地产公司办公楼光伏发电项目（实景图）BIPV 技术是直接将光伏发电技术应用于建筑之上，可节省大量的占地面积，今后必将成为太阳能领域的生力军，为我国的太阳能发展做出重要贡献。同时，通过科学技术的进步，通过大力推广和应用 BIPV 技术，使 BIPV 技术大规模产业化，不断降低成本，该技术一定会成为新能源应用领域的重要方向。跨入新世纪，我们将向现代化建设第三步战略目标迈进，环境保护面临着更大的压力和挑战。我们必须认真实施可持续发展战略，把环境保护和生态建设放到更重要的位置。我们相信，通过全国人民不懈的努力，通过大力推广绿色环保的可再生能源，特别是太阳能，就一定能够使中华大地水更清、天更蓝、山川更秀美。