北京南站太阳能光伏发电系统设计探讨

Nov. 2008 Vol. 27 No. 11誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 8 年 第 期11建筑电气摘 要 介绍 了 北京南站太阳能光伏建筑一体化并网发 电系统 （ 光伏组件总 安装 容量 240 kW p， 系统年输出 电 量 为 22 万 kW h）， 对 站房屋面太阳能发 电材料 的 选择进行 了 详细描 述 （ 最后确定 采用 不透光 的铜铟镓硒太阳能 电 池 ）， 并 分 别介绍 了 太阳能光伏 电池方阵 、 光伏并网逆变器 、 汇线盒 、 电 涌 保 护器 、 直流配 电 柜 、 交流配 电 柜 的 选 用 。 进行 了 技术经济比较和 环境 、 社会效益 分析 。关键词 太阳能光伏发 电 光伏组件 发 电 屋面发 电 材料选择 并网太阳 能 是 资 源最 丰富 的可 再 生 能 源 ， 具有 独 特 的优 势 和 巨 大的 开 发 利 用 潜 力 ， 充 分 利 用 太阳 能 有 利 于保 持 人 与自 然 的 和 谐及 能 源与 环 境 的 协调 发 展 。 人 类对 太阳 能 的 早 期 利 用 主 要是 光 和 热 ， 光伏 发 电 技术的出现 为 太阳 能 利 用开 辟 了广 阔 的 领域 。 上 世纪 90 年代 以 来 ， 太阳 能 光伏 发 电 的发 展 很 快 ， 已 广泛用于 航天 、 通 讯 、 交 通 ， 以 及 偏 远 地 区 居 民 生 活 等 领域 。为 了 推 动 太阳 能 技术的发 展 ， 铁 路 部 门 作出 了 积极 响 应 ， 在 高 速客运 车 站站 房推 广 太阳 能 光伏屋 面发电 技术 。1 项目概况北 京 南站 （ 见 图 1） 位于 北 京 市 南 二 环 右 安 门 东滨河 路 以 南 ， 南三 环 西 路 以 北 ， 马 家 堡东 路 以 西 ， 马家 堡西 路 以 东 ， 崇 文 区 西 南 角 与 丰台 区 右 安 门 地 域 的交 界 处 。 沿 京 山 线 走 向 平 行 布 置 客运 车 场 。 规 模 为到发 线 24 条 ， 共 计 13 座 站 台 ， 从 西 北 往 东 南 依 次 平 行布 置 三 个 车 场 。 Ⅰ 场 办 理 少量 通 过列 车 作 业 ， 设 有3 座 站 台 。 Ⅱ 场 办 理 京 沪 方 向 始 发 终 到 列 车 作 业 ，设 有 6 座 站 台 。 Ⅲ 场 办 理 京 津 间 城 际 列 车 作 业 ， 设有 4 座 站 台 。 站 房 建筑 面 积 220 616 m2， 雨篷 部 分63 404 m2， 高 架 部 分 31 500 m2。2 北京地区利 用 太阳 能 发 电的可 行 性中国 年 太阳辐射 分 布 见表 1。Research on the Design of Solar Photovoltaic Power Generation System inBeijing South Railway Station李康彦 （ 铁道第三勘 察 设计院 集团有限公司 ， 天津 市 300251）Li Kangyan （ The 3rd Railway Survey Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300251， China ）北京南站太阳能光伏发电系统设计探讨Abstract The building integrated photovoltaicgrid- connected generating system （ the overall installedcapacity of the photovoltaic modules is 240 kW p andthe annual output electric quantity is 0. 22 millionkW h） is presented， the selection of the solar powergenerating material on the roof covering of the stationbuilding is described in detail （ finally it is determinedto adopt lighttight copper- indium -gallium - seleniumsolar cell ）， and the selection of solar photovoltaic cellsquare matrix ， photovoltaic grid - connected inverter ，line sink box， surge protective device， DCdistributing box and AC distributing box are separatelyintroduced. Finally ， the technical economiccomparison and environmental and social benefitsanalysis are explained.Key words Solar photovoltaic power generationPhotovoltaic module Power generation roof Selectionof power generating material Grid-connectStation8504北 京 地 区 利 用 太阳 能 发 电 的可 行 性 分 析 a. 地 区 特 点 。 北 京 位于 东 经 115 20′ 至 117 32′ ，北 纬 39 23′ 至 41 05′ ， 根 据 统 计 数据 北 京 市 年 日 照 时间 为 2 700 h 左右 ， 比较 适 合 太阳 能 发 电 。b. 屋 面 结 构 。 北 京 南站 房 屋顶 采用 椭圆 形 ， 面积 很 大 ， 有 条 件 使 用 太阳 能 板 。 北 京 南站 房 附近 没有高大 建筑 物 ， 不存在 遮挡 物 。c. 节能 政 策 。 响 应 国 家 关于节 约 型城 市 建设 的 号召 ， 使 用 太 阳 能 发 电 系 统 ，可 支 持 可 再 生 能 源发 展 ， 产 生明显的 环 保效 益 和 社 会 效 益 。d. 设备 的 国 产化 。 目 前国 内 主 要 设备 生 产充 分 引进国外 先 进 技术 ， 完 全 符 合国 内及 国际 相 关 的标准 和规范 。3 太阳 能 发 电系统 分类及选择太 阳 能 发 电 有 结 构 简 单 、 清 洁 、 安全 、 无 污染 、 无排 放 、 无 噪 音 、 资 源 广泛的 优 点 。 但也存在能 量 密 度 低 、 随 机 性 、间 歇 性 、 对地 区 位置 等 地 理 环 境 要求 较 高等 缺点 。3. 1 并网太阳 能 发 电系统在 太阳 照 射 下 ， 太阳 能电 池 方 阵 发 出的 电 通 过 逆 变 器 和 控 制 器 与 电 力 系 统 并网 。 有 阳 光 照 射 时 ， 太 阳 能 发 电 系 统 工作 ， 将 太阳 能 转 换 成 电能 向 变 电所 母 线 输 送 电能 ， 利用 低 压 配 电系统 向 负荷 供 电 ； 无 阳光 照 射 时 ， 由电 力系统 的 电 网 通 过 高 压 供 电系统 、 变 压 器 、 低 压 配 电系统 向 负荷 供 电 。 如 图 2 所 示 。3. 2 独立太阳 能 发 电系统在 太阳 照 射 下 ， 太阳 能电 池 方 阵 发 出 的 电能 通 过逆 变 器 和 控 制 器直 接 向 负荷 供 电 ， 同时 为 蓄 电 池 充电 ； 无 太阳 照 射 时 ， 蓄 电 池 放电 ， 通 过 逆 变 器 和 控 制器 向 负荷 供 电 。 如 图 3 所 示 。在我国 的 西 部 光 明工 程 中 ， 为解 决 偏 远 地 区 农 民和 牧 民 的 用电 问题 ， 就 大 部 分 采用了 这 种 独 立 太阳 能发 电系统 。3. 3 太阳 能 独立发 电系统 与并网发 电系统优 缺点独 立 太阳 能 发 电系统不 需 要 市 电 ， 可免 去 接引电网 电 源的 设备 及 线 路 费 用 。 适 合 于 难 以 取 得 电 网 电源 、 独 立 的 小容量 用电设备 ， 且 用 电设备 失 去 电 源后 ， 不 会造 成 特 大 损 失 的 场 所 。 但 是 ， 如 果 负 荷 较大 ， 独 立 太阳 能 发 电系统 需 要 配 置 大 量 蓄 电 池 及 大面积 机 房 ， 投资增加 很 大 。 且 蓄 电 池寿 命 短 ， 3 5 年 就需 要更 换 ， 对 环 境 还 会造 成 污染 ， 维 护 工 作量 也 大 。并 网 太阳 能 发 电系统 不 再 需 要 庞 大 笨 重 的 蓄 电北京 南 站 太 阳 能光 伏 发 电 系 统设 计 探 讨 （ 李 康 彦 ）表 1 中国年 太阳辐射分布表Tab. 1 Distribution table for annual solar radiation in China区 域 划 分 丰富 区 较 丰富 区 可 利 用 区 贫乏 区年 总辐射 量（ ｋ J / cm2） ≥ 580 500 ～ 580 420 ～ 500 ≤ 420全 年 日 照 时 数（ ｈ ） ≥ 3 000 2 400 ～ 3 000 1 600 ～ 2 400 ≤ 1 600地 域内 蒙 西 部 、甘肃 西 部 、新 疆 南 部 、青藏 高 原新 疆 北 部 、 东北 、 内 蒙 东 部 、华 北 、 陕 北 、 宁夏 、 甘肃 部 分 、青藏 高 原 东 侧 、海 南 、 台 湾东 北 北 端 、内 蒙 呼 盟 、长 江 下 游 、 两广 、 福 建 、 贵州 部 分 地 区 、云 南 、 河 南 、陕 西重 庆 、四 川 、贵 州 、广 西 、江 西 部分 地 区年 日 照百 分 率 ≥ 75 60 ～ 75 40 ～ 60 ≤ 40 （ 建 议 不使 用 太阳 能 的地 区 ）连续 阴 雨 天（ d / a） 2 3 7 159505Nov. 2008 Vol. 27 No. 11誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 8 年 第 期11建筑电气池 ， 不存在维 护 和 更 换 蓄 电 池 的 麻烦 ， 既 降 低 了建设成 本 ， 又 节 约 了 运 行 费 用 ， 同时 不 受 蓄 电 池 容量 的 限制 ， 只 要 有 阳光 就 能 发 电 ， 使 用 更 加 灵 活 。 并 网 运 行由于 有 电 网 作 为 光 照 不 足时 和 夜 间 供 电 的 备用电 源 ，供 电 可靠 性 高 ； 将多 余 的 电能 送 入 电 网 ， 还 可通 过 售电 收 入 谋 求 投资 的 商 业 回 报 。3. 4 北京南站太阳 能 发 电系统 选择北 京 南站站 台 照 明 为 一 级 负 荷 ， 照 明 设 备 容 量大 ， 若 采用 独 立 太阳 能 发 电系统 ， 需配 置 大 容量 蓄 电池 。 存在 投资 较 大 、 占 地 面 积 较 大 、 不 利 于 环 保 等 缺点 。 经 过 技术经 济 分 析 ， 北 京 南站 采用了 太阳 能 并 网发 电系统 。4 站房屋面太阳 能 发 电 材料选择4. 1 近 年 来市场 出 现 的 光伏 电 池材料简介4． 1． 1 晶 体 硅 太阳 能电 池晶 体 硅 太阳 能电 池 有单 晶硅 与 多 晶硅 两大类 ， 生产 技术 成 熟 ， 是 光伏市 场 上的 主 导 产 品 ， 年 产 能 力46 MW 。 目 前 主 要 课 题 是 继 续 扩 大 产 业 规 模 ， 提高 材料 利 用 率 。 国际 公 认 最高 效 率 在 AM 1. 5 （ 即 大 气 质量 1. 5） 条 件 下 为 24％ ， 空 间 用 高 质 量 的 效 率 在AM0 （ 即 大 气 质 量 为 零 ， 日 - 地 平 均 距 离 为 一 个 天 文单 位 时 ， 太阳 的 总辐射 度 和 光 谱 分 布 ） 条 件 下 约 为13. 5 ～ 18％ ， 地 面 用 大 量 生 产 的 在 AM1 条 件 下 多在 11 ～ 18％ 之 间 。 大 晶粒 多 晶硅 太阳 能电 池 的 转换 效 率 最高 达 18. 6。 多 晶硅 （ P - Si） 太阳 能电 池 没有 光 致 衰退 效 应 ， 材 料 质 量有 所 下 降 时 也不 会 导致 太阳 能电 池 受 影响 ， 是 国际 上 正 掀 起 的 前 沿 性 研 究 热点 。 薄 膜晶 体 硅 太阳 能电 池 能 够 大大 降 低 晶硅 用 量 ，但 目 前 还 处 于 研 发 阶段 ， 尚未工 业 化 。4． 1 ． 2 非 晶硅 太阳 能电 池非 晶硅 （ a - Si） 太阳 能电 池 一 般 采用 高 频 辉 光 放电 方 法使 硅烷 气 体分解 沉 积 而 成 。 由于外 解 沉 积 温度低 ， 可 在 玻璃 、 不 锈 钢 板 、 陶瓷 板 、 柔 性 塑 料 片 上 沉积 约 1μ m 厚 的 薄 膜 ， 易 于 大 面 积 化 生 产 ， 成 本 较低 。 10 MW 生 产 线 已 投 入生 产 ， 全 球 市 场用 量每 月在 1 000 万片 左右 ， 居 薄 膜 电 池首 位 。 大面 积 大 量 生产 的 转 换 效 率 为 8 ～ 10 ％ ， 研 发动 向 是 改 善 薄 膜 特性 ， 精 确 设 计 太阳 能电 池 结 构 和 控 制 各 层 厚 度 ， 改 善各 层 之 间 界 面状 态 ， 以求得高 效 率 和 高 稳 定 性 。 目 前非 晶硅 薄 膜 太阳 能电 池 产 量 占 全 球 太阳 能电 池 总 量 的10 ％ 左 右 。 只 有 德 国 、 日 本 、 美 国 掌 握 生 产 技 术 ，并 且 只有 德 国 的 肖 特 公 司 能 够 生 产 带 透 光 的 薄 膜 电池 ， 价 格 非 常 昂贵 ， 年 产 量 为 3. 0 MW。 天 津市津 能电 池 科 技 有限 公 司 引进 美 国 生 产 线 生 产 的 薄 膜 电 池 不能带 透 光 。4． 1 ． 3 化 合 物 薄 膜 太阳 能电 池主 要 有 铜 铟 镓 硒 （ CIGS） 和 碲 化 镉 （ CdTe） 薄膜 电 池 。碲 化 镉 薄 膜 电 池 的 效 率较非 晶硅 薄 膜 电 池 高 ， 成本 较单 晶硅 电 池 低 ， 并 且 易 于 大 规 模 生 产 ， 没有 效 率衰 减 问题 。 但 是这 种 电 池 的 原 材 料 之一 镉 对 环 境 有较强 的 污染 ， 而 且 硒 、 铟 、 碲 等 都 是 较 稀 有 的 金属 。铜铟镓硒 太阳 能电 池 以 铜 、 铟 、 镓 、 硒 四 元 化 合物 半 导体为 基本 材 料 制 成 。 铜铟镓硒 是 在 铜铟硒 的 基础 上 掺 入 了 镓元 素 而 成 ， 是 一 种 多 晶 薄 膜 结 构 ， 一 般采用 真空 镀 膜 、 电 沉 积 、 电 泳 法 或 化 学 气 相 沉 积 法 等工 艺 来 制 备 ， 材 料 消 耗 少 ， 成 本 低 ， 性能 稳 定 ， 光 电转 换 效 率 在 实验 室 完 成 的可 达约 19， 就 模 块 而 言 ，最高 亦 可 达约 13。 因 此 是 一 种 可与 非 晶硅 薄 膜 电池 相 竞争 的 新 型太阳 能电 池 。 近 来 还 发 展 用 铜铟硒 薄膜 加 在 非 晶硅 薄 膜 之 上 ， 组 成 叠 层 太阳 能电 池 ， 借 此提高 太阳 能电 池 的 效 率 ， 并 克服 非 晶硅 光 电 效 率 的 衰减 。 目 前 铜 铟 镓 硒 的 生 产 厂 家 有 德 国 的 W erthSolar， 其 年 产 量 可 达 2. 5 MW； 美 国 的 Shell， 其 年 产量 2. 0 MW 。4. 2 北京南站 可 选 用的 组 件综 上 所 述 ， 在 排除 了对 环 境 存在 较 强 污染 的 材 料的 基础 上 ， 结 合 绿色奥 运 主 题 ， 太阳 能电 池 将 主 要 在晶 体 硅 、 非 晶硅 及 铜铟镓硒 之 间 进 行比 选 。system105064． 2 ． 1 晶 体 硅 太阳 能电 池分为 单 晶硅 和多 晶硅 ， 也 是应 用 最 广泛 的 产 品 ，在我国 市 场 上 属于 主 流 光伏 产 品 。4． 2 ． 2 非 晶硅 太阳 能电 池是 一 种 新 兴 的 半 导体 薄 膜材 料 ， 作 为 一 种 新 能 源材 料 和 电 子 信 息 新 材 料 ， 自 上 世 纪 70 年 代 问 世 以来 ， 取 得 了 迅猛 发 展 ， 在 美 国 等 发 达 国 家 得到 越 来 越广泛 的应 用 。 在我国 目 前 大 多 限 于用 作 电 子 设备 的 光电 元 件 ， 在建筑 市 场 上未 见 广泛 报 道 和 应 用 。4． 2 ． 3 铜铟镓硒 太阳 能电 池铜铟镓硒 薄 膜 电 池 世 界 上 称 为 第 四 代 太 阳 能 电池 ， 其 优 良 的 弱 光 发 电性能适 合 光伏 建筑一 体 化 项 目 ，是 目 前 最 有 开 发 和 使 用 价 值 的 薄 膜 太阳 能电 池 ， 被 世界 所广泛关 注 。 在 上 世纪 90 年代 得到 了 长 足的发 展 ，现 已 成 为 美 、 德 、 日 、 意 等 国 研究 开 发的 主 要 材 质 。在我国 “ 十五 ” 863 计 划 中 投资 最大的 研 发 项 目 是 铜铟镓硒 薄 膜 电 池 的 研究 ， 科 研基 金 为 2 000 万元 。4． 2 ． 4 技术经 济 比较三 类 光伏 材 料 的 主 要技术经 济 性能 ， 见表 2。晶 体 硅 电 池 由于 晶 体 硅材 料 价 格居 高 不 下 ， 以 及相 应的 繁琐 工 艺 影响 ， 大 幅降 低 成 本 非 常 困 难 ， 这是无法 大 规 模 普 及 采用 晶 体 硅 电 池 进 行 太阳 能 发 电 的 主要 原 因 。非 晶硅 薄 膜 电 池材 料 和 制 造 工 艺 成 本 低 ， 这是 因为生 产 工 艺 简 化 ， 能 耗 低 ， 硅 薄 膜 厚 度 仅 有 数 千埃 ，昂贵 的 纯 硅材 料 用 量 很 少 ， 易 于 形 成 大 规 模 生 产 能力 。 因此 ， 尽 管 其 光 电 转 化 效 能 无法 和 晶 体 硅 电 池 媲美 ， 但 仍 然 有 可 能 更 具有 发 展 空 间 。据 了 解 ， 以 国际 先 进 水平为 例 ， 晶 体 硅 电 池 与 非晶硅 薄 膜 电 池 的 价 格 若 按 单 位 发 电 功 率比 ， 约 为 1. 4倍 ， 若 按 在建筑 上 铺 装 的 单 位 面 积 比甚 至 高 达 2. 5 ～3 倍 。 显 然 非 晶硅 薄 膜 电 池 的 价 格 优 势 非 常 突 出 。铜铟镓硒 薄 膜 电 池材 料 成 本 低 ， 发 电 效 率较 高 ，且 不存在 类 似 非 晶硅 的 衰 减 问题 ， 这是 它 的 一 个 优势 ， 但由于 制 造 工 艺 复杂 ， 且 原 材 料 来 源 有限 ， 目 前处 于 研 发状 态 （ 没有 大 规 模 商 业 化 生 产 ， 暂 时 不能 大面 积 使 用在建筑 上 ）， 尚未 见 到 有 关 商 业 化 使 用在建筑 物 上的 相 关 报 道 。 有 待 进一 步 考察 。4. 3 站房项目 采用 三 类太阳 能电 池 的优 劣 分 析4 ． 3． 1 采用 晶 体 硅 电 池优 点 是可 在 单 位 面 积 上 获 得 较 高的发 电 功 率 和 稳定 的发 电性能 。但由于 其 强 光 发 电 的 特 性 ， 只有 保 障与 阳光 的 合理 角 度 才 能 达 到应 有 的 光 电 转 换 率 ， 因此 必 需 考虑 安装 角 度 问题 ， 这 使 得可 安装 的 总 面 积 和 平面 布 局都受到 限制 ； 并 且 其 透 光 性 差 ， 很不 利 于建筑 的 整 体 效果 ； 北 京 属于 沙尘暴 活 跃 地 区 ， 当 受 光 面 被 沙尘 等 不透 光 物 遮 盖 时 ， 会影响 其发 电 效 能 ， 从 建筑 角 度 考虑视 觉效 果 也 差 一 些 。4 ． 3． 2 采用 非 晶硅 薄 膜 电 池突 出优 点 是 造 价 低 ， 透 光 性和 弱 光 发 电性能 好 ，因此 可以 不 侧 重 考虑 安装 角 度 问题 ， 有 利 于建筑 整 体效 果 的体 现 。 在 风 沙 环 境 下 ， 其 弱 光 性能 有优 势 ， 并且 不 产 生 孤岛 效 应 。缺点 是 光 电 转 换 率 低 ， 其发 电 效 率 大 约只有 晶 体硅 电 池 的 一 半 左右 。 如 果 采用 透 明 玻璃 非 晶硅 电 池 ，其发 电 效 率 仅仅 为 1 2 ； 其 他 根 据 透 光 率 不 同 ，发 电 效 率 不 同 ， 从 4 7 不 等 。 这 意 味着 要 发 出同 样 的 电 力 ， 采用 非 晶硅 薄 膜 电 池 时 需 要 安装 的面 积项 目薄 膜 太阳 能电 池非 晶硅（ a-Si ）铜铟镓硒（ CIGS）代 别 第 三代 电 池 第 四 代 电 池制 造 成 本 低 较 高转 化 率 4 ～ 8％ 10 ～ 13％原 材 料 来 源 广泛 较 缺发 电性能 弱 光 发 电 弱 光 发 电日 发 电 时 间（ ｈ ） 10 ～ 13 10 ～ 13透 光 度 不 透 光 不 透 光颜色 茶色 蓝黑使 用 寿 命（ a） 15 ～ 20 15 ～ 20电 池 板 块规 格 统 一 ， 标准 板 块 1 245 635 mm， 单 件功 率 40 W随 硅 元 件 使 用 的 多 少 ，以 及 纯 度 的 改 变 ， 单 件功 率 不 确 定 ， 同 样 面 积的 板 块 功 率 可以 变 化晶 体 硅 太阳 能电 池多 晶硅 单 晶硅第二 代 电 池 第 一 代 电 池较 高 高10 ～ 12％ 14 ～ 17％较 缺 紧 缺强 光 强 光6 ～ 8 4 ～ 6不 透 光 不 透 光浅蓝 深 蓝15 ～ 20 15 ～ 25特 点串 联 后 不 会 因为 被 遮 挡 产 生孤 岛 效 应 ， 不会 因 不 能 产 生电 流 而 被 反 偏串 联 后 不会 产 生 孤岛 效 应如 果 其 中 一 小 部 分 被 遮挡 ， 会产 生 孤岛 效 应表 2 三 类光伏材料 的 主 要技术经 济 性能Tab. 2 Main technical economic performanceof 3 kind ofphotovoltaic materials北京 南 站 太 阳 能光 伏 发 电 系 统设 计 探 讨 （ 李 康 彦 ）11507Nov. 2008 Vol. 27 No. 11誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 8 年 第 期11建筑电气应 成 倍 增加 。 此 外 ， 非 晶硅 薄 膜 电 池 的 衰 减 率 高 于 晶体 硅 电 池 ， 肖 特 公 司 介绍 ， 见 光 6 个 月 内 初 次 衰 减 在15％ 左右 ， 以 后 会 相 对 稳 定 在一 定 水平上 。而 且 市 场 上的 非 晶硅 薄 膜 电 池 产 品 性 能 比 较 分散 ， 当 采用 优 秀 供 货 商 的 产 品 时 ， 可以 认 为 它和 晶 体硅 电 池 相比 ， 除 了 发 电 效 率 低以 外 ， 其 它缺点 可以 忽略 。 从 建筑 效 果 考虑 ， 由于 是 薄 膜 电 池 ， 又 能 制 成 具有 透 光 效 果 的 电 池 ， 其与 建筑 物配 合 效 果非 常 美观 ，所 以从 建筑 效 果 考虑 比较 适 合 采用 。4． 3． 3 采用 铜铟镓硒 薄 膜 电 池突 出优 点 造 价 低 ， 透 光 性和 弱 光 发 电性能 好 ， 且其 光 电 转 换 率 高 ， 不存在 衰 减 问题 。 相 同面 积 铺 设 的非 晶硅 光 电 池 板 和 铜铟镓硒 光 电 池 板 ， 后 者的发 电 量是 前 者的 2 倍 左右 。但由于 结 构 的 特殊 性 ， 所 需 的 硬 件 投资 与 制 造 成本 均 相 当高 昂 。 且 其 原 材 料 都 是 金属 ， 原 料 的供应 量受 到 一 定 的 限制 ， 特 别 是 铟 ， 天 然 蕴 藏 量相 当 有限 。目 前 其工 业 生 产 技术 仅 有 德 国和 美 国 两 家 企业 掌握 ，故 全 世 界 产 量 很 小 。4. 4 北京南站 建 筑屋面光伏发 电 材料应 用 分 析北 京 南站 的 用电 负 荷 很 大 ， 这 就 决 定 了 太 阳 能发 电 只 能 作 为其 能 源 输 入的 少量 补充 ， 因 此 笔 者 认为 在 发 电 量 方 面 不 必 确 定 明 确 的 指 标 ， 应 该 根 据 建筑设 计的可 行 性 、 能 发 多 少 电 就 用多 少 电 的 原 则 确定实 施 方 案 。当 采用 晶 体 硅 电 池 时 ， 只有 安装在 屋顶 迎 光 面的电 池 板 才 能 发 挥 预期 的 作 用 ， 装于 阴 面的 则只 能 产 生微 弱 电 力 。 出 于 造 价 的 考虑 ， 阴 面 不 应 安装电 池 板 。为 了 尽可 能 发 电 并 节省 造 价 ， 布 置 效 果 必 然 是 不对 称的 ， 但能 获 得 较 理 想 的发 电 效 果 。 当 采用 非 晶硅 或 铜铟镓硒 电 池 时 ， 可 完 全 按照 建筑 需 要 均 匀 布 置 ， 发 电性能 受 到的 影响 相 对 较小 。假 设安装 相 同面 积 的 电 池 板 ， 采用 晶 体 硅 的 造 价大 约 是 非 晶硅 的 2. 5 倍 左右 ， 而 采用 铜铟镓 硒 的 造价 大 约 是 非 晶硅 的 2 倍 左右 ； 两者的发 电 量 分 别都 是非 晶硅 的 2 倍 左右 。 如 果 取 相 同的发 电 量 ， 采用 晶 体硅 和 铜 铟 镓 硒 的 造 价 大 约 是 非 晶 硅 的 1. 4 倍 左 右 ，安装 面 积 仅 为 非 晶硅 的 0. 5 倍 左右 。此 外 ， 北 京 南站 的 整 体 建筑 效 果 要求 布 置 均 匀 ，有 一 定 的 透 光 率 ， 非 晶硅 能 做 到 和建筑 密 切 配 合 的 效果 ， 晶 体 硅 只 能 做 到类 似 马 赛克 的 视 觉效 果 ， 不能 满足 人们 感官 上的 艺 术 效 果 ， 其 他 材 料 都 不能 达 到这 种目 的 。4. 5 建 筑 景观 对 发 电 材料 的要求北 京 南站 中 央 屋 面 采 光 带 基 本 为 南 北 方 向 ， 弧形 ， 最高 点 约 40 m， 最低 点 约 20 m， 最低 点 与水平面 夹 角 约 为 13 。 光伏 电 池 板 应 用在 屋 面 中 央 采 光 带上 ， 下 方 为高 架 旅 客 候 车 厅 ， 是 站 房 内非 常 重 要的 空间 ， 中 央 采 光 带 的 设 计应 在 满 足 旅 客 使 用 舒 适 度 的前 提下 达 到 美观 的 建筑 效 果 。 从 建筑 空 间 整 体 效 果分 析 ， 光 伏 电 池 板 应 该 在 整 个 采 光 带 上 均 匀 布 置 ，并 达 到 一 定 的 透 光 、 遮阳 效 果 ， 颜色 应 该 与 整 个 站 房色 彩 协调 统一 。目 前采 光 带采用 的是 光伏 电 池 板 与 彩 釉 玻璃 交 错布 置 的 方 案 ， 布 置 比例 各占 50 。 由于 晶 体 硅 电 池受 阳光 照 射角 度 影响 及 强 光 发 电 的 特 点 ， 光 电 板 只 能在 强 光 照 射 的 区 域布 置 ， 此 种 方 案 将 造 成 室 内 光 照 不均 衡 ， 整 体 感 差 ， 对 室 内 空 间 效 果 影响 较 大 。薄 膜 电 池 具有 透 光 性 ， 可 根 据 要求 选 择 具有 不 同透 光 率 的 产 品 ， 该 特 性 使 其可以 很 好 地 配 合 建 筑 设计 。 薄 膜 电 池 的 透 光 性和 颜色 的可 选 择 性对于 北 京 南站 的 采 光顶 是 非 常适用 的 ， 透 光 度 可以 按照 设 计的要求 进 行 选 择 ， 在 满 足 光 照强 度 的 情 况下 ， 又 能 起 到 遮阳 的 效 果 。 薄 膜 电 池 灵 活 多 样 的 制 造方 法 ， 可以 制 造与 建筑 集 成 的 电 池 ， 形成 不 同的 颜色 ， 满 足 建筑 空 间效 果 的要求 。 晶 体 硅 电 池 达 到 透 光 性 的 布 置 方 式单 一（ 如 马 赛克 式 布 置 ）、 视 觉效 果 不如 非 晶硅 好 ， 因此 ，单 从 建筑 室 内 外 效 果 分 析 ， 薄 膜 电 池 的 性能 更 适用于南站 。北 京 南 站 中 央 采 光 带 彩 釉 玻 璃 采 用 透 光 率 在40 左右 的 产 品 ， 不 再 单 独 设置 遮阳 系统 ； 从 建 筑角 度 考虑 ， 透 光 率 高的 光伏 玻璃 是 较 理 想 的 选 择 ， 但透 光 率过 高 会 对 发 电 效 能 造 成 很 大 影响 ， 故 ， 本 次 研究 透 光 率拟 控 制 在 10 ～ 20， 但 是最 终 的 透 光 率 应与发 电 效 能 综 合 分 析 比较 ， 找 到 一 个 较好 的平 衡 点后加 以 确 定 。4. 6 实施意见在 现 阶段 ， 太阳 能 发 电 的 成 本 还 远远 高 于 传 统能源 ， 在 没有 政 策 补 贴 的 情 况下 ， 一 般 仅 用于 难 以 取 得常规电 力 的 场所 或 社 会 效 益 占 明显 优 势 的 项 目 。 根 据12508以上分 析 ， 采用 哪 种 光 电 材 料 可 按 以下 原 则 确 定 a. 当以 获 得 电能 为 主 要 目 的 ， 不 侧 重 考虑 建设投资 和建筑 美观 时 ， 应 选 择 晶 体 硅 电 池 ， 晶 体 硅 光伏电 池 在 各 国 已 经 非 常 成 熟 ， 得到 广泛 应 用 。b. 当 侧 重 建筑 效 果 ， 在 发 电 方 面更 倾 向 于 示 范效 应时 ， 可 考虑 采用 非 晶硅 电 池 或 铜铟镓硒 电 池 。 但由于 非 晶硅 正 处 于 发 展 中 ， 其 质 量 和性能 因 生 产 企业的 不 同 差 异 较 大 ， 存在一 定 的 不 稳 定 性 ， 而 且 在 产 品寿 命 、 衰 减 、 稳 定 性 等方 面 ， 国 内相 关 资 料 介绍 和国外 企业 产 品 介绍 存在很 大的 差 异 ， 所 以 有 必要 在 招标中 要求供 货 商 提供 有 关 效 率 、 衰 减 率 和 寿 命 等方 面的证 明 和 质 量 等 承诺 ； 非 晶硅 薄 膜 电 池 在 美 国 纽 约火 车站 光伏 建筑一 体 化 采用了 5 000 m2， 德 国 的 穆尼黑 也有 采用 。 而 铜铟镓硒 处 于 研 发状 态 ， 由于 其 制 造 技术的 复杂 性 ， 目 前在 世 界 上 也 只有 德 国 W erth 和 美 国的 Shell 两 家 企业 有 能 力 小 规 模 生 产 铜铟镓硒 太阳 能电 池 。 到 目 前 为 止 我 们没有 了 解到 世 界 上 有 哪 些 建筑物 光伏 一 体 化 大 面积 使 用 这 种 发 电 材料 的 报 道 和 实 例 。如 果 北 京 南 站 采 用将 是 创 历史 先 河 。c . 对 于 北 京南站 而 言 ， 实 施 太阳 能 发 电 ， 其 示 范效 应大 于 技 术 经 济效 果 ， 因 此 建 议 采用 薄 膜材 料 。5 技 术 经 济 分析薄 膜 材 料 电 池的技术经 济 分 析 见表 3。 表 中 数 据 计算 的 基础 为 a . 中 央 采 光屋 面 共 约 14 000m2，两 侧 布 置装 设 太 阳能电 池 板 。b . 北 京 地 区平 均 标准 日 照 小 时 数 按 5 ｈ / ｄ 计 算 。c. 系统 综 合 效 率 按照 75 考虑 。d. 按 每 生 产 1 kW h 电 消 耗 标准 煤 390 g， 产 生的 污染 物 二 氧 化 碳 为 1 100 g、 二 氧 化 硫 为 9 g 考虑 排放 。6 太阳 能 光伏发 电系统 施 工 实施方案经 过比 选确 定 采用不 透 光 铜铟镓硒 薄 膜 电 池 进 行铺 装 ， 采用 屋 面 中 央 采 光 带 两 侧 布 置 形 式 。 屋 面通 过楼艺 玻璃 达 到 整 体 透 光目 的 。6. 1 系统 构成在 北 京 南站 房 的 屋顶 安装 太阳 能 光伏 电 池 与 建筑一 体 化 组 件 ， 系统 输 出 交 流 220 / 380V 电压 ， 在 二 个点 与 站 房 低 压 配 电系统 并 网 。 白 天 将 太阳 能电 池 组 件产 生的 电能 经 处 理 后 直 接 汇 流 给 低 压 配 电 母 线 ， 供 给负荷 使 用 。 夜 间 ， 太阳 能电 池 组 件 无法 工 作 ， 完 全由电 网 供 电 。 如 图 4、 图 5 所 示 。北京 南 站 太 阳 能光 伏 发 电 系 统设 计 探 讨 （ 李 康 彦 ）13509Nov. 2008 Vol. 27 No. 11誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 8 年 第 期11建筑电气透 光 率 10非 晶硅 铜铟镓硒日本 美 国 德 国 美 国 德 国 日本 美 国 德 国 美 国6. 32 5. 06 12 11 7 6. 32 5. 06 12 1158. 2 50. 6 120 110 51. 49 50. 055 43. 225 102. 6 94. 05402. 4 354. 2 840 770 360. 43 359. 2 302. 575 718. 2 658. 351 609. 6 1 416. 8 3 360 3 080 1 441. 72 1 400. 7 1 210. 3 2 872. 8 2 633. 4587 504 517 132 122 640 0 1 124 200 526 227. 8 51 125 505 441 759. 5 1 048 572 961 19120 20 20 20 20 20 20 20 207 100 6 000 10 500 10 120 7 500 8 200 7 600 14 572 13 8164 970 4 200 7 350 7 084 5 250 5 740 5 320 10 200 9 671157 111.78 125 788. 86 298 313. 51 273 454. 05 128001. 356 8 134 377. 81 107 455. 01 255 058. 05 233 803.22258. 361 6 206. 852 8 490. 56 449. 68 210. 491 12 220. 976 84 176. 703 8 419. 428 8 384. 476 4116. 262 72 93. 083 76 220. 752 202. 356 94. 721 004 99. 439 578 79. 516 71 188. 742 96