牡丹江光伏幕墻電站設計與實施

徐燎原

摘 要：牡丹江大學海林校區(qū)主教學樓88.32kW光伏幕墻并網(wǎng)發(fā)電示范項目，為光伏幕墻發(fā)電系統(tǒng)。在教學樓東、南面安裝非晶硅光伏幕墻，該幕墻是BAPV與BIPV的典型示范項目，幕墻總面積約1300㎡。設計峰值功率88.32kWp。所發(fā)的交流電與教學樓內(nèi)部電網(wǎng)連接，光伏列陣發(fā)出的電供大樓內(nèi)部優(yōu)先使用，并安裝防逆流柜，當電能不足供應主教學樓用電負載時，由局域低壓電網(wǎng)補充。

關(guān)鍵詞：光伏幕墻；BIPV；BAPV；匯流箱；逆變器

中圖分類號：TM772 文獻標識碼：A

一、系統(tǒng)概述

牡丹江大學海林校區(qū)主教學樓88.32kW光伏幕墻并網(wǎng)發(fā)電示范項目，地址位于牡丹江大學海林校區(qū)（分校區(qū)），北緯44°02′～45°38′；東經(jīng)128°03′～129°57′，為光伏幕墻發(fā)電系統(tǒng)。

光伏幕墻裝機容量為88.32kWp，所發(fā)的電能主要供教學樓的辦公用電（照明和空調(diào)用電），如當電能不足供應主教學樓用電負載時，由局域低壓電網(wǎng)補充。

本項目屬于建材型應用，所采用的光伏組件為非晶硅薄膜電池，并按照光電建筑通知要求，建立了數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠傳系統(tǒng)。

二、牡丹江地區(qū)平均氣象資料

牡丹江位于黑龍江東南部，屬于中溫帶濕潤季風氣候，春季短，回暖快，風大易旱；夏季溫熱多雨；秋季短，降溫快；冬季漫長寒冷。年平均氣溫4.3℃，1月最冷，平均氣溫-17℃，極端最低氣溫可達-35℃；7月最熱，平均氣溫22℃，曾出現(xiàn)過38℃的極端最高氣溫。年均降雨540mm左右，年日照平均2305小時，屬于太陽能豐富區(qū)域，適于建設太陽能發(fā)電項目。水平面的年均太陽輻照時數(shù)為3.85小時。本項目中非晶硅光伏幕墻采用90°豎直安裝，根據(jù)專業(yè)光伏軟件RETScreen可以測算豎直斜面上的太陽輻照。

三、技術(shù)要點

主樓建筑主要結(jié)構(gòu)形式：框架剪力墻；體形系數(shù)：0.138；窗墻比：南、北、東均為0.37，西為0.29；保溫（屋頂、外墻）構(gòu)造均為聚苯板保溫；圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（選用做法傳熱系數(shù)）：屋頂0.401，外墻0.588，窗2.7。

本項目電池組件為硅基薄膜電池以硅烷等氣體和TCO玻璃為主要原料，采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）系統(tǒng)沉積鍍膜，利用物理氣相沉積（PVD）系統(tǒng)濺射復合背電極，進而形成太陽能電池板。

該建筑物的最大亮點是，在南側(cè)立面采用了最環(huán)保、國家大力提倡的光伏幕墻替代了傳統(tǒng)的中空玻璃。光伏幕墻它是一種集發(fā)電、遮陽、隔熱、裝飾、維護功能于一體的新型建筑結(jié)構(gòu)。把光電技術(shù)集成到建筑立面材料中，不占有建筑面積，且太陽能電池板優(yōu)美的外觀，具有特殊的裝飾效果，更賦予了建筑物鮮明的現(xiàn)代科技色彩。

四、太陽電池陣列設計

系統(tǒng)分四個區(qū)域。

區(qū)域A（教學樓南立面西側(cè)和連廊頂部西側(cè)）：由125塊非晶硅薄膜BAPV組件（120W），設計功率達到15kW。

區(qū)域C（教學樓南立面東側(cè)和連廊頂部東側(cè)）：由315塊非晶硅薄膜BAPV組件（120W），設計功率達到37.8kW。

根據(jù)50kW逆變器參數(shù)，直流輸入電壓范圍（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率點電壓設在DC440V～DC800V。

組件方陣配置方案：每個硅基薄膜電池的開路電壓為169V，短路電流1.22A，工作電壓（Vmppt）為128V，工作電流（Imppt）0.93A。每一串的最大功率點電壓不超過800V。考慮到牡丹江地區(qū)歷史最低氣溫曾達到零下40℃，169*（1+（25+40）×0.3%）=201.96V，850÷201.96=4.21，取4串。4塊組件串聯(lián)，每一串的功率120Wp×4=480Wp，每一串的工作電壓為128×4=512V，在最大功率點電壓工作范圍內(nèi)，符合設計要求。

（15kW+37.8kW）/128V/4=103.125A，103.125A/0.93A=110.9并，取111并，每四串為一組匯流引下為匯流箱一路輸入，因此用16路輸入的匯流箱2個，方陣總功率為（125+315）×120Wp= 52.8kWp。

區(qū)域B（教學樓連廊南立面）：由230塊非晶硅BIPV組件（90W），設計功率達到20.7kW。

根據(jù)20kW逆變器參數(shù)，直流輸入電壓范圍（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率點電壓設在DC440V～DC800V。

組件方陣配置方案：每個硅基薄膜電池的開路電壓為135V，短路電流1.24A，工作電壓（Vmppt）為99V，工作電流（Imppt）0.91A。每一串的最大功率點電壓不超過800V?？紤]到牡丹江地區(qū)歷史最低氣溫曾達到零下40℃，135*（1+（25+40）×0.3%）=161.33V，850÷161.33=5.26，取5串。5塊組件串聯(lián)，每一串的功率90Wp×5=450Wp，每一串的工作電壓為99×5=495V，在最大功率點電壓工作范圍內(nèi)，符合設計要求。

20.7kW/99.0V/5=41.8A，41.8A/0.91A=45.9并，取46并，每四并匯流引下為匯流箱一路輸入，因此用16路輸入的匯流箱1個，方陣總功率為230×90Wp=20.7kWp。

區(qū)域D（教學樓東立面）：由138塊非晶硅薄膜BAPV組件（120W），設計功率達到16.56kW。

根據(jù)20kW逆變器參數(shù)，直流輸入電壓范圍（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率點電壓設在DC440V～DC800V。

組件方陣配置方案：每個硅基薄膜電池的開路電壓為169V，短路電流1.22A，工作電壓（Vmppt）為128V，工作電流（Imppt）0.93A。每一串的最大功率點電壓不超過800V?？紤]到牡丹江地區(qū)歷史最低氣溫曾達到零下40℃，169*（1+（25+40）×0.3%）=201.96V，850÷201.96=4.21，取4串。4塊組件串聯(lián)，每一串的功率120Wp×4=480Wp，每一串的工作電壓為128×4=512V，在最大功率點電壓工作范圍內(nèi)，符合設計要求。

16.56kW/128V/4=32.22A，32.22A/0.93A=34.6并，取35并，每四并匯流引下為匯流箱一路輸入，因此用16路輸入的匯流箱1個，方陣總功率為138×120Wp=16.56kWp。

區(qū)域B和區(qū)域D各用1臺GSG-20KTL-TV（20kW）三相并網(wǎng)逆變器；區(qū)域A和區(qū)域C共用1臺GSG-50KTT-TV（50kW）三相并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)柜將逆變器所發(fā)的交流電與教學樓內(nèi)部電網(wǎng)連接，光伏列陣發(fā)出的電大樓內(nèi)部優(yōu)先使用，并安裝防逆流柜。

光伏系統(tǒng)的總功率為88.32kWp。

五、并網(wǎng)系統(tǒng)設計

本方案為用戶測并網(wǎng)方式，以一回0.4kV出線接入牡丹江大學用戶電網(wǎng)側(cè)。光伏電站主要建設于教學樓南立面，就近接入配電室AA-2配電柜的主進線為并網(wǎng)接入點，該柜體使用功率為322kW，滿足88.32kW光伏電站所發(fā)電能自發(fā)自用的條件；光伏電站接入用電系統(tǒng)中，與電網(wǎng)并聯(lián)運行，由于并網(wǎng)逆變器有自動跟蹤電網(wǎng)的性能，能夠自行達到同期點并網(wǎng)，故不需另設同期裝置；鑒于光伏電站并網(wǎng)后注入電網(wǎng)的諧波小于4%，對電網(wǎng)幾乎無影響，因此，不需再采取措施加以限制；并網(wǎng)逆變器其有“防孤島效應”的功能，當電網(wǎng)停電，系統(tǒng)輸出端電壓由并網(wǎng)電流和負載共同決定，并且輸出電流和電壓之間的相位由負載決定。逆變器同時采用被動監(jiān)測和主動檢測方式，確保在電網(wǎng)停電時，光伏電站自動斷電；并網(wǎng)光伏電站在用戶側(cè)并網(wǎng)，電能自發(fā)自用，在0.4kV出線側(cè)，即90kW交流配電柜內(nèi)，安裝智能電表。

六、發(fā)電量預測

根據(jù)實際的輻照狀況，可以估算出光伏系統(tǒng)的逐月發(fā)電量和年發(fā)電總量理論值，如圖1所示。

整個光伏幕墻發(fā)電系統(tǒng)功率為88.32kWp，年發(fā)電量預計為10.52萬度，25年總發(fā)電量為237萬度。

最終，牡丹江大學88.32kWp光伏幕墻項目經(jīng)過綜合驗收已經(jīng)正式運營。該項目已成為牡丹江大學光伏學院的實習案例，有助于提高省級重點課程的教學水平；該項目為牡丹江市地區(qū)的第一個光電建筑一體化項目，具有里程碑式的示范意義。

參考文獻

[1]陸品桂.富士康科技集團光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實施研究[D].蘭州大學，2015.