太陽(yáng)能光伏技術(shù)及其在中建鋼構(gòu)大廈中的應(yīng)用實(shí)踐探討

于力海 高長(zhǎng)躍 段 譽(yù) 林盛正

（中建鋼構(gòu)有限公司，廣東深圳518000）

0 引言

隨著人類生活水平的提高，人們對(duì)能源的需求日益提高。太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受到人們的重視，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用更是人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、逆變器和蓄電池組構(gòu)成，其中，太陽(yáng)能控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，能量大、分布廣、無(wú)污染、零成本，是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽(yáng)能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。

1 建筑屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏屋面簡(jiǎn)介

建筑屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在建筑項(xiàng)目竣工建設(shè)完畢后，充分利用其建筑屋頂空置的區(qū)域，布置一定規(guī)模數(shù)量的光伏電池組件、支架及配套系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)地區(qū)經(jīng)緯度等相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出屋頂光伏電池組件的最優(yōu)化傾斜角，安裝系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行太陽(yáng)能資源采集，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率最大化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化發(fā)電、儲(chǔ)能等。

1.2 光伏屋面分類

光伏屋面可以分為兩類：

（1）并網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)：并網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、控制裝置組成。光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過(guò)并網(wǎng)逆變電源將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻同相的交流電能供給負(fù)載使用并饋入電網(wǎng)。

（2）離網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)：離網(wǎng)光伏屋頂系統(tǒng)由光伏組件、逆變器、控制裝置、蓄電池組成。以光伏電池板為發(fā)電部件，控制器對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不被過(guò)放電，保護(hù)蓄電池。蓄電池可以貯能，以便在夜間或陰雨天保證負(fù)載用電。

1.3 光伏屋面的特點(diǎn)

（1）光伏系統(tǒng)發(fā)電是靠太陽(yáng)能，這樣就可以大大減少由于使用一般化石材料發(fā)電所造成的空氣、廢渣污染。由此可見(jiàn)，它能給生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色節(jié)能帶來(lái)巨大的效益，并起著十分重要的作用。

（2）建筑光伏系統(tǒng)多分布于建筑的外墻結(jié)構(gòu)及建筑屋面，無(wú)需占用地面土地空間，節(jié)約了土地資源。

（3）光伏系統(tǒng)可原地發(fā)電、原地使用，它除了供自身建筑全部或大部分用電外，還可將多余電量傳輸給電網(wǎng)，因此具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（4）光伏組件一般安裝在建筑的屋頂及墻的立面上直接吸收太陽(yáng)能，可降低墻面及屋頂?shù)臏厣?/p>

2 國(guó)內(nèi)光伏屋面發(fā)展現(xiàn)狀

目前，屋面光伏系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)城市主要應(yīng)用于大型公共建筑，以武漢火車(chē)站為例，武漢火車(chē)站地處青山楊春湖，其頂棚由一個(gè)主翼和八個(gè)副翼構(gòu)成。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)建在九個(gè)翼棚上面，采用單晶硅板材料，容量2.2 MW，總投資5 800多萬(wàn)元，是湖北省目前單體最大的光伏發(fā)電項(xiàng)目，日均發(fā)電超過(guò)5 000 kW·h。圖1為武漢火車(chē)站屋頂光伏系統(tǒng)。

圖1 武漢火車(chē)站

類似公共建筑應(yīng)用還有場(chǎng)館類，如上海世博中心、浙江義烏小商品交易市場(chǎng)；廠房類，如杭州錢(qián)江經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)節(jié)能與環(huán)保產(chǎn)業(yè)園光伏電站等；在中小型辦公寫(xiě)字樓內(nèi)，屋面光伏系統(tǒng)的應(yīng)用未得到大范圍推廣。而國(guó)內(nèi)大量的寫(xiě)字樓項(xiàng)目，照明等小功率設(shè)備可采取新能源供電，相比大型公共建筑可實(shí)施范圍更廣、數(shù)量更多。

3 中建鋼構(gòu)大廈光伏項(xiàng)目

中建鋼構(gòu)大廈地處深圳市南山區(qū)，北緯22.5°，東經(jīng)114.1°，是一棟高達(dá)165 m的超高層商務(wù)寫(xiě)字樓。中建鋼構(gòu)大廈外立面如圖2所示。

圖2 中建鋼構(gòu)大廈

光伏屋面位于建筑物頂部，南面樓頂采用規(guī)格為1640mm×992 mm×40 mm的275 W單晶硅太陽(yáng)能電池組件，中間玻璃盒子采用規(guī)格為1 640 mm×992 mm×8 mm的260 W雙玻多晶硅太陽(yáng)能電池組件，總面積678 m2。大廈屋頂光伏系統(tǒng)分布如圖3所示。

圖3 屋頂光伏組件平面布置圖

裝機(jī)容量為81.8 kW的光伏低壓并網(wǎng)系統(tǒng)，年發(fā)電量約為8.78萬(wàn)kW·h，采用全部自發(fā)自用方式。實(shí)景圖如圖4所示。

圖4 屋頂光伏實(shí)景圖

4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性研究及論證

4.1 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性論證

4.1.1 日照時(shí)間計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧夂驐l件，借助權(quán)威輔助設(shè)計(jì)軟件PVSYST進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，得當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，深圳平均峰值日照時(shí)數(shù)為3.91 h。

4.1.2 系統(tǒng)損耗系數(shù)計(jì)算

發(fā)電量是由裝機(jī)容量與并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率決定的，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏組件陣列效率、逆變器效率和交流并網(wǎng)效率三部分組成。

（1）光伏組件陣列效率η1：光伏組件陣列在1 000 W/m2太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)準(zhǔn)功率之比。

表1 深圳平均峰值日照時(shí)間表

1）光伏組件陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程中的塵土覆蓋修正：氣候原因?qū)е鹿夥l(fā)電組件表面覆蓋灰塵或積雪造成的發(fā)電量損失，取2%。

2）工作溫度損耗修正：

電池板工作溫度可以由以下公式計(jì)算：

式中，Tc為電池板溫度；Ta為環(huán)境溫度；Kt為晴朗指數(shù)，取0.7；NOCT=45℃。

根據(jù)當(dāng)?shù)販囟绕骄导半姵亟M件的溫度效率因素：

式中，α為多晶硅的溫度功率衰減因子，本電池板為-0.45%/℃。

計(jì)算時(shí)考慮各月根據(jù)輻照量計(jì)算加權(quán)平均值，可以計(jì)算得到加權(quán)平均值為10%。

損失根據(jù)實(shí)際估算：組件失配損失99%、表面塵埃遮擋損失98%、溫度的影響90%等。綜合以上各項(xiàng)因素，取η1=87.32%。

（2）逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。逆變器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換時(shí)的損失包括逆變器轉(zhuǎn)換的損失、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）精度的損失等。對(duì)于本項(xiàng)目擬采用的并網(wǎng)逆變器，η2=98.48%。

（3）交流并網(wǎng)效率η3：從逆變器輸出至電網(wǎng)的傳輸效率，其中最主要的是變壓器的效率和交流電氣連接的線路損耗，一般情況下η3為94%～96%，取η3=94.7%。

系統(tǒng)的總效率等于上述各部分效率的乘積，即總體系統(tǒng)效率為：

根據(jù)以上各部分的效率和損耗計(jì)算，得到系統(tǒng)總體平均效率為81.44%。

4.1.3 系統(tǒng)發(fā)電量測(cè)算（按并網(wǎng)光伏測(cè)算）

光伏電站平均每天發(fā)電量約為：

光伏電站首年發(fā)電量約為：

光伏電站20年年均發(fā)電量約為8.78萬(wàn)kW·h。光伏組件的輸出功率在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會(huì)有衰減，根據(jù)本項(xiàng)目擬采用的多晶硅太陽(yáng)電池組件性能，最大極限按系統(tǒng)25年輸出功率衰減20.0%計(jì)算。

一個(gè)81.8 kW的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電站在當(dāng)?shù)氐?0年平均年發(fā)電量約8.78萬(wàn)kW·h，20年總發(fā)電量175.69萬(wàn)kW·h。根據(jù)大廈綜合能耗分析報(bào)告可得大廈年用電量為436萬(wàn)kW·h，太陽(yáng)能光伏發(fā)電量占項(xiàng)目全年用電量的比例為8.78/436=2.01%。中建鋼構(gòu)大廈發(fā)電量測(cè)算如表2所示。

表2 發(fā)電量測(cè)算表

4.2 項(xiàng)目環(huán)境影響分析

81.8 kW的并網(wǎng)光伏發(fā)電站20年平均發(fā)電量8.78萬(wàn)kW·h，跟火力發(fā)電對(duì)比，太陽(yáng)能發(fā)電可減少污染物排放如表3、表4所示。

表3 年均減少污染物排放量

表4 總減少污染物排放量

傳統(tǒng)的純火力發(fā)電站系統(tǒng)，燃煤過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、SO2、NOx、煙塵及煤灰煤渣等廢棄物?，F(xiàn)行傳統(tǒng)火力發(fā)電廠每上網(wǎng)發(fā)電1 kW·h，標(biāo)準(zhǔn)煤耗費(fèi)水平大約為305 g，約產(chǎn)生814 g CO2、6.2 g SO2和2.1 g NOx。傳統(tǒng)發(fā)電項(xiàng)目對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成一定影響，而本項(xiàng)目利用可再生太陽(yáng)能，通過(guò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┦褂玫碾娔?，過(guò)程中不直接消耗化石能源，且不產(chǎn)生環(huán)境污染物。與傳統(tǒng)火力發(fā)電站比較，每年CO2減排量可達(dá)71.47 t，減排SO2約0.54 t，減排NOx約0.18 t，是無(wú)污染的清潔可再生能源。

4.3 社會(huì)效應(yīng)分析

光伏發(fā)電是一種清潔的能源，既不直接消耗資源，同時(shí)又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會(huì)有廢渣堆放、廢水排放等問(wèn)題，有利于保護(hù)周?chē)h(huán)境，是一種綠色可再生能源。而且我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)，日照資源特性都比較好，空閑的屋頂較多，安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在屋面，不但可以提高有限的土地資源利用率，同時(shí)還能對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)有效的隔熱。

5 結(jié)語(yǔ)

屋頂光伏發(fā)電技術(shù)在中建鋼構(gòu)大廈項(xiàng)目的實(shí)施，是對(duì)光伏建筑一體化技術(shù)的一次實(shí)踐，驗(yàn)證了光伏技術(shù)在寫(xiě)字樓應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。隨著國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，屋頂光伏與光伏幕墻結(jié)合應(yīng)用必將實(shí)現(xiàn)光伏技術(shù)更大的發(fā)展跨越，光伏發(fā)電技術(shù)在寫(xiě)字樓的應(yīng)用更加值得推廣普及，從而為節(jié)能環(huán)保做出更大貢獻(xiàn)。

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