面向生態(tài)環(huán)境的光電建筑一體化的研究與應用

曹景富

(鄭州大學基建處，河南鄭州450001)

0 引言

自上世紀70年代發(fā)生能源危機以來，世界各國均把應用開發(fā)可再生能源放在了重要的位置.在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電是一種極好的替代能源，它的開發(fā)利用有利于降低二氧化碳排放，保護環(huán)境［1］.光電建筑一體化應用更是異軍突起，美國、日本、中國等都在研究將太陽能發(fā)電和建筑相結(jié)合的利用形式，并相繼開發(fā)出光伏太陽能建筑［2］.

太陽能光電建筑一體化(簡稱BIPV)是指從規(guī)劃、設計、施工到使用過程中，將太陽能利用設施與建筑有機結(jié)合起來，使光伏發(fā)電材料成為建筑體的有機組成部分，將房屋發(fā)展成具有獨立電源，自我循環(huán)的新型建筑形式［3-4］.

我國已經(jīng)成為世界第一大太陽能電池生產(chǎn)國，由于我國太陽能資源豐富，開發(fā)利用太陽能是提高可再生能源應用比重，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要手段.我國現(xiàn)有建筑面積約400億m2，每年新增建筑面積約20億m2，15年內(nèi)可增加至300億m2，光電建筑可使用面積將超過100億m2.我國能源短缺的問題突出，利用太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)促進建筑節(jié)能具有重要意義.為此，我國實施“太陽能屋頂計劃”，加快推進太陽能光電建筑應用對于推進我國建筑節(jié)能工作具有重要的戰(zhàn)略意義.

鄭州大學研究設計出了適合于當?shù)氐乩硖卣?、氣候狀況、建筑風格的太陽能光伏建筑建設模式，在光電建筑與生態(tài)結(jié)合、可再生資源利用等方面取得了明顯的經(jīng)濟與社會效益，為中部地區(qū)太陽能光伏建筑的規(guī)模化應用奠定了必要的基礎(chǔ).筆者對這一光電建筑一體化方案的設計、實施與運行管理進行綜合的分析與介紹.

1 面向生態(tài)環(huán)境的光電建筑一體化的設計

目前光伏建筑一體化應用方式主要有以下幾種:屋頂一體化方式的光電屋頂，墻面一體化方式的光電幕墻，建筑構(gòu)件一體化方式的光電雨篷、遮陽板、陽臺、天窗，光伏LED一體化的光電LED多媒體動態(tài)幕墻和天幕等形式［5］.

鄭州地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均氣溫14.4℃，7月最熱，平均氣溫27.3℃，1月最冷，平均氣溫-0.2℃.年平均降雨量640.9 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 300 h.鄭州大學新校區(qū)屋頂可利用面積約3.6萬m2，結(jié)構(gòu)強度和日照條件滿足系統(tǒng)安裝要求.

面向生態(tài)環(huán)境的光電建筑一體化設計增加了建筑的靈動和生氣，將綠色、環(huán)保、低碳的可再生能源引入高校校園，是建設節(jié)約型校園的重大舉措，將帶動本地區(qū)乃至全國節(jié)約型校園建設［6］.與屋頂一體化的大面積太陽能電池組件，綜合使用材料可以節(jié)約成本，大大降低單位面積上的太陽能轉(zhuǎn)換設施的成本.

建筑內(nèi)配電間有安裝逆變器和并網(wǎng)柜的位置，線纜進入校區(qū)內(nèi)路徑通暢.可在原有的線路基礎(chǔ)上增加太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采取盡量不改造原有回路的原則，將光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點選擇在低壓配電柜上.

在屋頂安裝單晶硅光伏組件，通過一定組合的串聯(lián)和并聯(lián)組成光伏組件方陣.經(jīng)直流配電箱匯流，再由逆變器逆變?yōu)榻涣麟姡偷亟尤雴误w建筑低壓配電系統(tǒng)，即發(fā)即用，不向上級城市電網(wǎng)送電.由公共電網(wǎng)電力通過既有配電變壓器對光伏所發(fā)電力與負載用電進行功率平衡.

整個系統(tǒng)主要由以下部分組成:太陽能電池組件、系統(tǒng)保護裝置、逆變器、并網(wǎng)柜、監(jiān)控系統(tǒng)、負載線路等.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)構(gòu)成和電氣連接如圖1所示.

圖1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)構(gòu)成和電氣連接圖Fig.1 Grid-connected PV system and electrical connection

2 光電建筑一體化的實施

根據(jù)光電建筑一體化的要求及相關(guān)設計規(guī)范，結(jié)合鄭州當?shù)貧夂蚺c校園具體環(huán)境，光電建筑一體化按以下方式與要求進行安裝施工，并采取相應的安全措施［7-8］.

2.1 光伏項目的安裝施工

光伏組件的安裝施工要求:太陽能光伏組件應設置在周圍無遮擋障礙物、無污染源(煙霧、粉塵)、無腐蝕性氣體等安全可靠的場所，組件平面朝向正南方.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可在環(huán)境溫度-40～60℃范圍內(nèi)正常使用，其設計安裝示意圖如圖2所示.

太陽能光伏組件要有抵抗最大10級風力的加固措施.組件基座平面應高于屋面或隔熱層200 mm，基座的高度偏差不大于5 mm，水平度偏差不大于3 mm/m.太陽能光伏組件的支撐結(jié)構(gòu)需要安裝牢固、可靠，并有防銹、防腐措施.

太陽能光伏組件排列方式應便于安裝、維護，組件間隔不小于5 mm.組件在機架上的安裝應平直，機架上組件間的風道間隙不小于8 mm.組件安裝前測試其開路電壓、短路電流，將工作參數(shù)接近的組件裝在同一個子方陣內(nèi)，并選擇額定工作電流相等或相近的組件進行串聯(lián).

2.2 光伏組件的安全措施

屋頂欄桿離太陽能光伏組件邊緣距離不小于1 m.太陽能光伏電源系統(tǒng)的工作接地、保護接地、防雷接地等單獨設置聯(lián)合接地系統(tǒng)，光伏組件至控制箱(柜)的電源輸入饋線端設置防雷電感應裝置.

太陽能電池直流側(cè)采用防雷電涌保護器，起到防雷擊保護作用.低壓配電系統(tǒng)接地型式采用TN-S系統(tǒng)，其中性線和保護地線(PE)在接地點后嚴格分開.正常情況下不帶電，當絕緣破壞有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設備金屬外殼均需可靠接地.

整個系統(tǒng)通過多種保護，如過/欠壓、過流、過載、防雷等保護實現(xiàn)穩(wěn)定運行.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)配備必要的檢測、并網(wǎng)、報警、自動控制及測量等一系列功能，具備防止“孤島效應”的功能，以確保光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全.

系統(tǒng)配備逆功率控制保護系統(tǒng)，可根據(jù)設定的電流方向與電流大小進行檢測，給出相輸出信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作，控制光伏發(fā)電系統(tǒng)回路投入或切斷并網(wǎng)運行.當出現(xiàn)電流反向倒送電時，光伏發(fā)電系統(tǒng)回路切斷并網(wǎng)運行，可實現(xiàn)防止逆功率倒送.

3 光電建筑一體化的運行與管理

3.1 運行管理

為保證系統(tǒng)的高效運行需要清潔組件的玻璃表面，每6個月定期進行機械和電氣檢查，確保組件表面清潔及連接可靠.通過群控器控制各子系統(tǒng)，滿足并網(wǎng)條件時并入公共電網(wǎng);系統(tǒng)故障時切斷光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的連接;系統(tǒng)正常后，自動控制繼續(xù)向公共電網(wǎng)供電.

3.2 智能節(jié)能監(jiān)管平臺的應用

光伏系統(tǒng)納入能耗監(jiān)測平臺管理，建立數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠傳系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電總量、發(fā)電功率及環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測與遠傳.同時可通過先進的監(jiān)控與顯示系統(tǒng)實時監(jiān)測光伏系統(tǒng)運行狀況及數(shù)據(jù)，確保光伏系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定運行.

EMS智能節(jié)能監(jiān)管平臺通過在控制器、逆變器等設備嵌入監(jiān)測儀表，通過CAN總線或RS485通訊的方式將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)管平臺.系統(tǒng)可以監(jiān)測平行于光伏組件的太陽輻照度、室外溫度、光伏組件背面的表面溫度及發(fā)電量等數(shù)據(jù)，并通過節(jié)能監(jiān)測平臺查詢輻照度、溫度等環(huán)境參數(shù)和即時功率、發(fā)電量等系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行狀態(tài).EMS智能節(jié)能監(jiān)管平臺界面如圖3所示.

圖2 系統(tǒng)的安裝設計示意圖Fig.2 Sketch of system installation design

圖3 EMS智能節(jié)能監(jiān)管平臺Fig.3 EMS mornitoring plotform of intelligence energy saving

4 光電建筑一體化的實施效果

本光電建筑應用一體化方案采用屋頂花園與太陽能光伏發(fā)電一體化相結(jié)合的方式.利用電池板的雨水回收噴淋系統(tǒng)對電池板清洗、降溫以增加發(fā)電效率，同時還對屋頂花園的植被進行噴淋回灌，在充分利用太陽能的情況下，改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境，創(chuàng)造綠色的生態(tài)微循環(huán)，如圖4所示.

屋頂花園與太陽能光伏發(fā)電一體化的結(jié)合，光伏電站在運行的過程中不產(chǎn)生噪音污染.屋頂花園不但為師生提供了一個休憩的舒適場所，還是保護生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、凈化空氣、提高綠化覆蓋率、降低熱島效應的有效措施.此外，屋頂花園還有保護建筑物，減少日光輻射，降低室內(nèi)環(huán)境溫度與濕度，減緩屋頂風速等作用.

本方案采用的光電建筑一體化是光電系統(tǒng)依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式，其主體是建筑，客體是光電系統(tǒng).項目的設計不損害和影響建筑效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命，通過合理的建筑設計、發(fā)電系統(tǒng)設計、結(jié)構(gòu)安全性與構(gòu)造設計，實現(xiàn)光電系統(tǒng)與建筑的和諧統(tǒng)一.

利用污水處理技術(shù)，建立中水回用系統(tǒng).本著雨污分流、分質(zhì)處理的原則，主要利用人工濕地和膜生物處理技術(shù)，對水質(zhì)較穩(wěn)定的廢水進行處理.利用現(xiàn)有的蓄積雨水方涵收集雨水并經(jīng)過相應處理后，經(jīng)由噴淋系統(tǒng)，可以起到清洗光伏板、灌溉植被的作用.

鄭州大學樓頂可用面積約3.6萬m2，如果全部安裝太陽光伏發(fā)系統(tǒng)，裝機容量可達2 MWp，并網(wǎng)運行時設計年發(fā)電量為2 498 400 kWh，每年可替代標準煤999.36 t，減少CO2排放量2 468 t/y，減少SO2排放量20 t/y，減少粉塵排放量10 t/y.這種面向生態(tài)環(huán)境的光電建筑一體化的設計與實施具有明顯的經(jīng)濟與社會效益.

5 結(jié)論

結(jié)合項目當?shù)氐臍夂蛱攸c，根據(jù)實際建筑類型和特點，采用光伏采光頂和與建筑屋頂相結(jié)合的方式進行設計與安裝，對面向生態(tài)環(huán)境的光電建筑一體化的設計與實施進行研究與分析，給出了符合實際的、具有明顯先進性的光電建筑一體化的具體安裝方法與安全措施、運行與管理方案，并根據(jù)實際運行效果，分析了其生態(tài)化、光電建筑一體化、雨水回收利用以及節(jié)能的運行效果.本光電建筑一體化的設計與實踐為我國中部地區(qū)太陽能光伏建筑的規(guī)?；瘧玫於ū匾幕A(chǔ)，可作為推廣應用的重要參考.

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