光伏建筑項(xiàng)目低壓直流供電電氣節(jié)能研究

房建軍

(1．國家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心，北京 102211；2．北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的提高，建筑照明、空調(diào)和智能電器等的大量使用使建筑能耗大幅增加[1]，建筑成為城市中主要的電能消耗者[2]。2018年，建筑運(yùn)行能耗占全國能源消費(fèi)總量的22%[3]。深入貫徹建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的思想，需要積極降低建筑能耗。目前電力是建筑能源主要的消費(fèi)類型[4]，大規(guī)模推廣建設(shè)光伏建筑，采用就地發(fā)電就地使用的模式，甚至可以把建筑轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉吹纳a(chǎn)者[5]。

使用光伏組件或構(gòu)件作為新型建材，集成到建筑上，稱為光伏建筑一體化，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)[6]，符合建筑整體的功能要求，提升建筑的美感；無需額外占用土地，就地發(fā)電就地使用，還可以降低建筑冷熱負(fù)荷，進(jìn)而降低建筑能耗。

低壓直流供電與交流供電方式相比，具有供電線損少、用電設(shè)備效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以方便的接入光伏發(fā)電和儲能設(shè)備，減少逆變上網(wǎng)的成本和電能損失，同時(shí)對建筑用電負(fù)荷移峰填谷，降低總供電容量，提高電網(wǎng)的能效[7-8]。因此光伏建筑配備低壓直流供電系統(tǒng)是電氣節(jié)能的熱點(diǎn)研究方向和發(fā)展趨勢。美國綠色建筑協(xié)會正在試行在綠色建筑評估體系中加入直流供電系統(tǒng)[9]。

然而在實(shí)際應(yīng)用中光伏建筑結(jié)合低壓直流供電缺乏全面、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，沒有清晰和全面的設(shè)計(jì)內(nèi)容要求。本文提出了光伏建筑一體化及低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的主要原則和主要內(nèi)容，并據(jù)此完成了BIPV項(xiàng)目的光伏系統(tǒng)及低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計(jì)。根據(jù)項(xiàng)目的基本情況和光伏發(fā)電量預(yù)測結(jié)果，梳理提高發(fā)電效率、降低投資和運(yùn)行成本的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)；制定低壓直流供電架構(gòu)及電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方案，以及直流負(fù)荷節(jié)能方案。本光伏建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建設(shè)成功經(jīng)驗(yàn)對光伏建筑一體化及低壓直流供電節(jié)能技術(shù)的理論研究和應(yīng)用推廣具有重要的參考價(jià)值。

1 BIPV及直流供電電氣節(jié)能設(shè)計(jì)主要原則和內(nèi)容

1.1 BIPV及直流供電電氣節(jié)能設(shè)計(jì)主要原則

與采用傳統(tǒng)建材的建筑相比，光伏組件和建筑的有機(jī)融合即光伏建筑一體化是新型的技術(shù)。光伏建筑直流供電系統(tǒng)，由光伏系統(tǒng)、低壓直流供電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、能效管理系統(tǒng)及智能直流負(fù)荷組成，具有可靠、綠色、安全、高效、智慧的特征，在提高建筑低壓供電效率、降低建筑運(yùn)行成本、提高建筑用能品質(zhì)及降低建筑能耗等多方面都發(fā)揮著重要的作用。設(shè)計(jì)需要遵循一些特有的原則(如圖1)。

圖1 BIPV和低壓直流供電電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則

(1)滿足建筑功能需求

首先光伏組件要滿足BIPV建筑對于建材的要求。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足各種建筑功能的用電需求，保證供電穩(wěn)定、安全、可靠。

(2)符合建筑安全要求

光伏組件的使用和安裝必須滿足建材和建筑的安全性要求，避免造成安全隱患。組件串聯(lián)后形成高電壓，并通過逆變器和供電線路連接中低壓電網(wǎng)，所以應(yīng)特別注意BIPV建筑上的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)不得引起電擊事故，同時(shí)，還需要滿足建筑防火和防雷設(shè)計(jì)規(guī)范。

(3)滿足可再生能源最大化利用和提高能效要求

應(yīng)配備建筑綜合能源管理系統(tǒng)，具備能效管理、分析功能，綜合調(diào)度建筑產(chǎn)能、用能，達(dá)到最大化利用光伏發(fā)電，降低建筑的能源消耗的效果。

(4)滿足經(jīng)濟(jì)合理要求

在光伏建筑及直流供電節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)的經(jīng)濟(jì)性預(yù)測分析，確保項(xiàng)目滿足經(jīng)濟(jì)合理要求。根據(jù)建筑物的實(shí)際需求和預(yù)測分析選擇光伏系統(tǒng)的安裝規(guī)模、安裝位置等，避免在不合理的位置使用光伏組件，造成效益低下，并保證直流供電的節(jié)能效果。

1.2 BIPV和直流供電節(jié)能設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

節(jié)能是在充分滿足建筑物功能要求的前提下，合理進(jìn)行供電、電氣照明、建筑設(shè)備及系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)，確保安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、高效節(jié)能。科學(xué)的減少能源消耗，提高能源利用率，而不是為了引入可再生能源或者節(jié)約能源而犧牲建筑物的功能要求，降低其使用標(biāo)準(zhǔn)。

光伏建筑及直流供電節(jié)能設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：

(1)光伏建筑一體化——光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑有機(jī)融合，光伏利用最大化；

(2)直流供電系統(tǒng)——合理確定供電系統(tǒng)架構(gòu)、電壓等級，降低供電能耗等；

(3)直流供電電氣設(shè)備——采用高效電器如暖通、照明、辦公等設(shè)備，利用直流供電提高效率；

(4)能效監(jiān)管系統(tǒng)——供熱、供冷、光伏發(fā)電、直流供電系統(tǒng)和各種負(fù)荷能效監(jiān)管；

(5)節(jié)能高效照明——合理設(shè)計(jì)照明，并采用高效直流供電燈具進(jìn)一步提高能效；

(6)采用節(jié)能控制技術(shù)——智能樓控系統(tǒng)多聯(lián)機(jī)節(jié)能控制、照明節(jié)能控制等；

其中(1)(2)(3)是本文研究的重點(diǎn)。

2 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目是一座BIPV技術(shù)的展示、實(shí)驗(yàn)平臺，位于北京市昌平區(qū)，總建筑面積1 063 m2，建筑高度9.15 m。幕墻和屋面采用裝配式光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，共安裝865塊薄膜光伏組件，其中南、東、西立面各安306、91、168塊，屋面上以傾角10°安裝300塊，總裝機(jī)容量為84.3 kW。該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用自發(fā)自用、就地消納模式。項(xiàng)目所在地水平面年均峰值日照小時(shí)數(shù)為1 365 h。使用PVSyst軟件計(jì)算得到的首年發(fā)電量預(yù)測值為66 081 kWh。

圖2是本項(xiàng)目直流供電能源結(jié)構(gòu)圖，光伏發(fā)電就地供給建筑使用，能量單向流入建筑供電系統(tǒng)；光伏發(fā)電能量不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充，多余能量則送入電網(wǎng)，能量雙向流動；建筑供電系統(tǒng)向直流負(fù)荷供電；儲能系統(tǒng)與直流供電系統(tǒng)之間能量雙向流動。

圖2 直流供電能源結(jié)構(gòu)圖

3 光伏建筑項(xiàng)目及低壓直流供電節(jié)能主要技術(shù)

3.1 BIPV光伏方陣應(yīng)用特點(diǎn)

本項(xiàng)目中光伏組件的安裝與裝配式幕墻系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，作為建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，需要滿足建筑的功能、安全和美觀的要求。

通常在設(shè)計(jì)、建設(shè)光伏建筑時(shí)光伏組件的安裝位置由建筑設(shè)計(jì)決定，光伏系統(tǒng)合理、科學(xué)的布置決定了建筑光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量，可以提高發(fā)電效率、降低損耗。在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮能量轉(zhuǎn)換特性和氣象因素[10]?？墒褂肞VSyst等軟件預(yù)測計(jì)算建筑上各個(gè)位置安裝的光伏方陣發(fā)電量，評估經(jīng)濟(jì)性。如圖3所示，假設(shè)在東、西、南建筑立面和屋面分別安裝100 kW光伏組件，使用PVSyst設(shè)計(jì)軟件計(jì)算北京地區(qū)的全年各月發(fā)電量。在北京地區(qū)與發(fā)電量最高的南向35°傾角光伏方陣相比，屋面水平布置的光伏方陣年均發(fā)電量約為其85%，南、東、西立面的光伏幕墻年均發(fā)電量約為其71%、52%和53%。

圖3 建筑立面屋面光伏方陣月均發(fā)電預(yù)測

3.2 BIPV項(xiàng)目光伏方陣優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用就地發(fā)電、就地消納的運(yùn)行方式?？紤]組件的安裝位置、一體化安裝方式、智能運(yùn)維的特點(diǎn)，為提高發(fā)電效率、降低投資和運(yùn)行成本，提出了以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1)組串方式

光伏組件和幕墻單元體一體化設(shè)計(jì)和加工，為施工和布線方便，同一幕墻單元體中的7片組件串聯(lián)組成組串。同一朝向的單元體并聯(lián)匯流后接入同一路最大功率控制回路。

(2)最大功率回路細(xì)化配置

項(xiàng)目中光伏組件布置在屋面、南立面和東西兩面，周圍光照條件也較為復(fù)雜?？紤]經(jīng)濟(jì)合理，為每個(gè)組串配備獨(dú)立的最大功率控制通道成本較高，因此將每個(gè)立面分成幾個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行匯流各自接入最大功率控制回路，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，提高發(fā)電量。

(3)幕墻單元體加強(qiáng)散熱

光伏組件安裝在BIPV建筑上，散熱條件必然不如地面電站，光伏組件的溫度升高會導(dǎo)致組件發(fā)電功率降低。本項(xiàng)目在幕墻單元體上隱蔽式安裝了通風(fēng)百葉，為組件提供充足通風(fēng)散熱條件又不影響建筑美觀。

(4)布線和匯流設(shè)計(jì)

在BIPV建筑幕墻單元體上，光伏線纜布設(shè)的空間局促、工作環(huán)境溫度高，設(shè)計(jì)和施工時(shí)注意避免線纜受擠壓、割傷等風(fēng)險(xiǎn)。直流匯流箱就近安放在幕墻單元體下方，減少線纜的傳輸損耗。

3.3 低壓直流供電架構(gòu)

低壓直流供電系統(tǒng)的架構(gòu)、電壓等級與建筑光伏裝機(jī)容量、負(fù)荷大小與工作特性以及儲能系統(tǒng)容量之間密切相關(guān)，對建筑能耗有很大的影響，需要深入研究驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的交流供電的架構(gòu)，光伏發(fā)電、儲能和直流負(fù)荷等需要經(jīng)DC/DC和DC/AC兩級變換接入電網(wǎng)(不區(qū)分能量傳輸?shù)姆较?。采用直流供電架構(gòu)，只需要一級DC/DC電能變換環(huán)節(jié)，大大減少變換環(huán)節(jié)的電能損耗和設(shè)備成本。研究表明直流供電比交流供電系統(tǒng)提高7%的電能傳輸效率，投資成本下降6%，并提高2倍的系統(tǒng)可靠性[11]。

本項(xiàng)目低壓直流供電系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)(光伏組件、光伏發(fā)電變換裝置)、整流器、直流負(fù)荷、儲能系統(tǒng)、直流供電裝置組成,架構(gòu)如圖4所示。光伏組串經(jīng)過光伏最大功率控制模塊，接入750 V單極式直流供電母線，減少供電線路和用電設(shè)備損耗。750 V母線為多聯(lián)機(jī)供電，又經(jīng)DC/DC變換為220 V直流，為直流負(fù)荷如照明、辦公設(shè)備、自動化設(shè)備等供電。市電經(jīng)整流器變換為750 V直流，當(dāng)光伏發(fā)電和儲能能量不足時(shí)，補(bǔ)充供電。儲能系統(tǒng)放置在建筑外專門設(shè)計(jì)的儲能集裝箱中，帶有保溫、通風(fēng)、滅火等功能。能量管理系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電功率、母線電壓、負(fù)荷功率、電池組荷電狀態(tài)，調(diào)節(jié)電池充放電功率，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大化利用、平滑光伏發(fā)電波動和電力負(fù)荷移峰填谷的主要目標(biāo)。

圖4 BIPV項(xiàng)目低壓直流供電架構(gòu)圖

3.4 直流負(fù)荷

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，需要更加綠色、智慧、安全的用電負(fù)荷，目前滿足這些要求的用電負(fù)荷實(shí)質(zhì)上都是內(nèi)部直流供電，如IT設(shè)備、通訊設(shè)備、智能家電等，因此用戶側(cè)低壓直流供電也就有了非常良好的基礎(chǔ)[12]。用電設(shè)備直接采用直流供電，可以降低設(shè)備功耗,比交流供電時(shí)耗電量減少10%左右，比如滿負(fù)荷工作的臺式電腦比交流供電時(shí)功率低7%，耗電量低11%[13]。高效綠色照明越來越多的選擇LED，與交流供電相比，LED照明采用直流供電電能利用率提高達(dá)3%，降低驅(qū)動電源成本約30%[11]。

本項(xiàng)目直流負(fù)荷主要有多聯(lián)機(jī)、服務(wù)器、自動化控制設(shè)備、臺式電腦、投影儀和照明燈具等。負(fù)荷用電條件如表1所示。

表1 主要直流負(fù)荷用電條件

3.5 能效監(jiān)測

本項(xiàng)目是BIPV和直流供電技術(shù)的示范項(xiàng)目，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)、建設(shè)了功能全面的綜合能源管理系統(tǒng)，包含光伏監(jiān)控系統(tǒng)、能效監(jiān)管系統(tǒng)、樓宇智能控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。采集并分析建筑內(nèi)的各類用電負(fù)荷、冷熱負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)；采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行信息，如電壓、電流、發(fā)電量、溫度等，以及所處的環(huán)境條件，如太陽輻照強(qiáng)度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等；對建筑的產(chǎn)能、用能信息進(jìn)行詳細(xì)的記錄和調(diào)度管理。

4 結(jié)論

光伏建筑一體化及低壓直流供電是建筑行業(yè)內(nèi)的新興技術(shù)，在提高建筑供電效率、降低建筑運(yùn)行成本、提高建筑用能品質(zhì)及降低建筑能耗等多方面都發(fā)揮著重要的作用。為大力推廣光伏建筑一體化和直流供電技術(shù)在城市建筑，尤其是公共建筑上的應(yīng)用，解決應(yīng)用中存在的問題，本項(xiàng)目進(jìn)行了一些有益的探索：

(1)提出了光伏建筑低壓直流供電系統(tǒng)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的主要原則和主要內(nèi)容；

(2)依據(jù)以上原則設(shè)計(jì)了此建筑的低壓直流供電架構(gòu)及電氣節(jié)能方案；

(3)從供電架構(gòu)合理性、節(jié)能原理、能效管理等角度為光伏建筑一體化和直流供電電氣節(jié)能的應(yīng)用和研究提供一些有價(jià)值的參考與借鑒。