校园光伏建筑一体化应用研究——以山东建筑大学1MWp太阳能光伏并网发电示范项目为例.pdf

第 4 1 卷第4期 2 0 1 5年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 3 7 校园光伏建筑一体化应用研究 以山 东建筑大 学 1 M Wp太阳能光伏 并网发 电示范项 目为例 张 萍 ， 张大鹏 ， 桑培东 ( 1 山东建筑大学基建处， 山东 济南2 5 0 1 0 1 ； 2 山东建筑大学管理工程学院， 山东 济南2 5 0 1 0 1 ) 摘要： 以山东建筑大学 1 MWp太阳能光伏并网发电示范工程项 目为研究对象 ， 对校园光伏建筑一体化的系统设 计 、 部件分析以及假期光伏电力并网设计进行详细阐述 ， 论证了其可观的经济和环境效益， 得出校园建设光伏建筑 一 体化的良好前景 ， 为其在类似公共建筑中推广应用提供借鉴。 关键词： 光伏建筑一体化； 校园； 太阳能 中图分类号 ： T U 2 4 4 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 41 3 7 0 5 Ca m p u s b u i l d i n g i n t e g r a t e d p h o t o v o l t a i c a p p l i c a t i o n r e s e a r c h Ta l 【 i n g S h a n d o n g J i a n z h u Un i v e r s i t y l MW p s o l a r p h o t o v o l t a i c p o we r g e n e r a t i o n d e mo n s t r a t i o n p r o j e c t s a s a n e x a mp l e Z HANG P i n g ， ZHANG Da p e n g ， S ANG Pe i d o n g ( 1 I n f r a s t r u c t u r e D e p a r t m e n t o f S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ； 2 Ma n a g e me n t S c h o o l o f S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T a k i n g S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e rs i t y 1 M Wp s o l a r p h o t o v o h a i e g r i d p o w e r g e n e r a t i o n d e m o n s t r a t i o n p r o j e c t a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， t h e c a m p u s p h o t o v o h a i c b u i l d i n g i n t e g r a t e d p h o t o v o h a i c s y s t e m d e s i g n ， c o m p o n e n t ana l y s i s and h o l i d a y e l e c t r i c i t y d d e s i gn d e t ml ， d e mo n s t r a t e s i t s s i gn i fi c an t e c o n o mi c a n d e n v i ron me n t a l b e n e fi t s I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e c a mp u s b u i l d i n g p h o t o v o h a i c b u i l d i n g i n t e gra t e d g o o d p r o s p e c t ， f o r i t s a p p l i c a t i o n i n t h e s o c i al p u b l i c b u i l d i n g s l i k e p r o v i d e s e ff e c t i v e r e f e ren c e Ke y wo r d s ： BI P V； c a mp u s ； s o l a r e n e r g y 0 引 言 建 筑耗能被公认 为时下最主要 的能源消耗之 一 。据调查 ， 我 国建筑物耗 电量 占电力 消费 总量 的 5 0 以上 ， A E O 2 0 0 9展 望报告提 出， 建筑 物耗 电将 是未来 电能 消费的主要 增长点 J 。如何 实现建筑 节能 ， 既是当前学术研究 的热点 ， 也是政府工作关注 的焦点 。太 阳能作 为一种新型能源具有安全 、 可再 生和分布广泛的特点 ， 是未来最有发展潜力 的绿色 环保能源 ， 也是缓 解 当下 能源危机 的最有效 途径。 光伏建筑一体化( B I P V， B u i l d i n g I n t e g r a t e d P h o t o v o l t a i c ) 作为太阳能发 电的一个重要应用 ， 自1 9 9 0年概 念提出一直受到各 国政府的关注。它是将太 阳能光 伏发电系统与建筑有机结合， 利用太阳能发电来提 供建筑 自身用 电或并 网为 电网供 电 J 。B I P V技术 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -0 6 - 2 3 作者简介 ： 张萍 ( 1 9 6 7一) ， 女 ， 高级 工程师 ， 硕 士 ， 主要从 事工程项 目管理等方面的研究 。 E一m m i l ： z p 1 9 6 7 s d j z u e d u c n 通常借助建筑屋顶或墙面， 无需另外 占用土地资源 ， 是实现建筑节能的有效途径。 近年来 ， 随着高校扩招步伐 的加快 ， 新校 区开始 大量建设 。因其大多建于郊 区， 建筑量大面广且设 施复杂 ， 用电需求强 烈。利用既有闲置建筑屋顶进 行光伏电站建设 ， 既可 削峰填谷 ， 补充部分 电力供 应 ， 又无需 占用额外土地或增建其他设施 ， 节约电费 支出。与此同时 ， 项 目的开展为广大师生学习新能 源知识提供了一个 良好 的示范平 台， 利 于大学生低 碳用能、 生态发展观念 的培养 ， 具有深远 的“ 双赢 ” 意 义。 1 光伏建筑一体化系统概述 1 1 国内外发展概况 光伏建筑一体化 系统 的实施最早始于德国 ， 其 于 1 9 9 0年发起 了“ 一千 屋顶计划” ， 拟在住宅屋 顶 上安装 户用联 网光 伏系 统， 政 府补 助项 目投入 的 5 0 7 0 ， 旨在补助私人研究者 ， 推动太阳能建筑 的发展 。随后 ， 诸多国家陆续推 出了发展光伏建筑 l 3 8 四川建筑科学研究 第4 1 卷 一 体化计划 ， 并颁布鼓励政策和措施予以扶持 ， 以此 促进光伏发 电系统 的推广应用。经过多年发展 ， 在 理论研究和技术开发上都取得 了长远发展 ， 形成 了 完整的太阳能建筑产业链条。部分国家光伏发电应 用发展计划见表 1 。 表 1 部分发达国家光伏发电计划 Ta bl e 1 Some de v e l o pe d c amt r i e s pho t o vo l t ai c pr o gr a m 我国光伏发 电技术起步较晚， 随着 国家一系列 相关政策 的颁布 ， 目前发 展迅速。2 0 0 9年 5月 ， 由 财政部与住建部联合 出台的 关于加快推进太 阳能 光电建筑应用的实施意见中指 出， “ 中央财政将拿 出部分资金 ， 专门针对大 中城市推进光伏建筑一体 化示范” 。政府的政策举措为太阳能光 电建筑在 我国的推广应用提供 了一个绝佳的契机 。 目前 ， 我 国教育建筑量大面广 ， 推广相对容易， 是光伏 电站建 设与推广的侧重对象。在 2 0 1 2年度“ 太阳能光电建 筑应用示范项 目” 名单 中， 山东有 3个 教育机构示 范项 目入围， 校园项 目的示范除具有太阳能应用空 间和基础外 ， 也 为当前低碳教 育做 出了实 际范例。 示范项 目的实施与使用必定加深公众对光伏发电的 理解和信任 ， 进一步推动光伏建筑一体化的发展。 1 2 光伏发电原理及组成 1 2 1 工作 原理 光伏发 电是基于光生伏打效应 ， 利用太 阳能电 池组件去实现光 能到 电能 的转 化 ， 实 现发 电效果 。 光照充足时 ， 因单块的太阳能电池板发电量有限 ， 通 常将其串并联组成太 阳能电池方阵 ， 以便可产生足 够的电动势 ， 满足系统输入 电压 的要求。并辅 以充 放电控制器对 蓄 电池充 电， 实现 电能贮存 的 目的。 当无光照时 ， 蓄电池开始进行电力输 出， 经逆变器进 行直流到交流的电能转换 ， 再输送到配电柜 、 用电设 备 。整个光伏发 电系统 的充 、 放电 由控制器实时控 制 ， 以此实现太阳能一 电能一化学 能一 电能一光能 的转化 J 。 1 2 2光伏建筑系统的分类 光伏建筑系统 的分类方式较多 ， 依据光伏组件 与建筑物不同的结合位置可分为屋面集成光伏系统 和墙体集成光伏系统。依据光伏系统是否与公共电 网连接又可将其划分成独立光伏系统和并 网光伏系 统。 目前 ， 并 网光伏发 电系统应用较广 ， 其与公共电 网实施并联 ， 可实现对 电网的电能补充 ， 光伏建筑系 统市场正逐步 由独立向并 网系统转化 。 2 校园光伏建筑应用范例 2 1工程 概况 项 目位于济南市东部 山东建筑大学内 ， 主要采 取与屋顶表面结合的形 式利用学校图书馆 、 2号教 学楼及 3号 办公楼屋顶建设 1 MWp太 阳能光伏 系 统 ， 整个系统方阵 由 5 4 2 8块太 阳能电池板组成 ， 总 面积约 2 0 0 0 0 m 。光伏电站总容量 1 0 3 6 M W ， 采 用用户侧并网 ， 预计平均年上网电量 1 2 0万 k Wh ， 主 要用于满足所在建筑 内部与配套 工程 区域 内的办 公 、 照明等部分 日常用电。此项 目为国家重点推广 实施的“ 金太 阳示范工程” 示范项 目之一 ， 同时也是 国内高校率先突破兆瓦级太阳能光伏建筑的应用项 目， 旨在引领大学园区可再生能源的利用 ， 推动绿色 大学建设。 2 2光伏建筑一体化设计 济南市光 照资 源丰 富， 全 年平 米 辐射 总量 为 5 2 6 2 6 MJ ， 年平均 日照时数达 2 5 9 5 8 h ， 位于 山东 省太阳辐射分布的高值区 内， 具有建设光伏 电站 的 天然优势 ， 对 于光 伏发 电系统 具有 很大 的利 用价 值 J 。校园 1 MWp太 阳能光 电建筑项 目在设计之 初主要秉承着实现与建筑的完美结合 、 最大限度获 取太 阳辐射量 以及实现输配电线路最优化的设计原 则 ， 力求将整个系统的安全可靠性 、 可扩充 、 灵 活以 及示范等特性做到最优 。 2 2 1 光伏 电站 总体 方 案设计 光伏建筑系统主要 由电池组件 、 并 网逆变器、 系 统保护部分 、 在线监控系统部分和系统辅助部 分五 大部分组成 ， 做好各系统组成单元之 问的匹配设计 以及与公共 电网的合理接入是电站系统规划设计的 核心。因此 ， 立足现有供配 电网条件进行设计 ， 实现 接入光伏电站电能的合理分配 ， 从 而有效实现作为 用户侧的辅助电源对内部 电网的补充作用 ， 提高供 电质量 。本项 目一体化运行流程如图 1 所示。 利用太 阳能光伏组件实现光能到直流电能的转 换 ， 先汇集至直流配电箱 ， 再经 由逆变器将直流电逆 转换成 5 0 Hz 、 2 3 0 4 0 0 V的交流电。逆变器的输 出 端通过配电柜与市 电并联 ， 直接提供给站 区负载用 电。同时 ， 太阳能光伏并网系统结合监控系统 、 数据 采集系统检钡 0 太阳能光伏并网电站 的运行情况 、 外 界环境情况 ， 保 障整个系统的顺利运行 。 2 2 2 系统技术方案设计 1 ) 太 阳能组件部分 太阳能电池组件负责实现太 阳光能到直流电能 的转换， 是整个电站系统的发电单元， 更是系统的核 2 0 1 5 N o 4张萍， 等 ： 校园光伏建筑一体化应用研究以山东建筑大学1 M Wp 太阳能光伏并网发电示范项目为例 1 3 9 直流配电箱 太 阳 E MV 能 滤波器 光 过压 伏 一 保护 组 件 接地故障检测 l I 图 l 光伏一体化运行流程 Fi g 1 BI P V r u n n i n g p r o c e s s e s 心部件。太阳光能取 之不尽 ， 却 因昼夜之分有其特 殊的局限之处 ， 为确保组件能 以最稳定性 能与最高 效率实现 电能输出， 应在电池组件选取 、 方阵的安装 与布设上进行合理设计。 项 目电池组件采用 L N P V一1 9 0 Wp单 晶硅太 阳能 电池 ， 其 具有光 电转换效率达 1 7 4 、 使用寿 命时间长 、 组件内功率衰减率低等优 良特征 ， 可满足 电能的高效稳定输 出。 安装组件方阵时， 为提高光伏组件的太阳辐 射接收量 ， 通常将 电池组件面向赤 道方 向倾斜一定 角度。因此在设计之初 ， 应对太 阳电池方 阵的安装 倾斜角度进行认真计算 ， 保证安装 的固定式光伏 系 统以最佳倾斜角去接受最大太 阳辐射量 ， 实现光伏 系统的年最大发电量。由于气象站提供 的气象数据 并非倾斜角度 的太 阳辐射量 ， 故需对其进行转换 ， 以 便准确计算电站系统 的发 电量。经数据分析得出 ： 最佳倾角安装范围在 2 8 。3 4 。 之 间， 此范 围内最大 太阳能辐照峰值时为 4 2 6度 m 13。综合考虑安 装总容量的要求以及抗风强度等 因素 ， 最终确定设 计 的最佳安装角度为 2 9 。 ， 此时光伏组件 阵列表面 全年接受到的辐射总量达到最大。 2 ) 太阳能并网逆变器部分 太 阳能并网逆变器主要负责直流电到交流电的 转化 ， 同时还负责对整个电源系统实施保护 ， 是整个 电站建设 的核 心设备 。系统 选用 德 国生产 的 1 0 0 k W 室内安装 型逆变器 ， 此逆 变器 的以下特性 保证 了电能的优质输 出。 最大功率点跟踪( M P P T ) 获取最大功率输 出是保证 系统高效运行 的关 键 ， 故应对太阳能电池方阵的工作点进行实时控制。 本 系统逆变器 采用最大功率点跟踪 ( MP P T ) 技 术 ， 让并网逆变器的直流工作 电压每隔 0 5 s 小 幅变 动 一 次， 对该段时间内的直流输出功率实时测量并取 平均值 ， 通过对获取的数据进行横 向比较 ， 保证并 网 逆变器的直流 电压始终沿功率变大的方 向变化 ， 实 现系统的高效运行。 公共 电网跟踪系统 并网逆变器作为另外一路 电源 ， 保持其输 出端 的电能参数与电网一致是实现与公共电网并联运行 的关键。并 网光伏发电系统可依据公共 电网中相应 参数变化 ， 随时对 自身电能的输出参数作出调整 ， 使 之与 电网相一致 。同时 ， 其具有高性能滤波电路 ， 当 输 出功率 I5 0 额定功率 ， 电网电压波动 5 情况 下， 逆变器的交流输出电流总谐波分量 5 ， 保证 了逆变器交流输出的电能质量 ， 满足 国家电网电能 质量要求。 3 ) 系统保护部分 项 目在设计之初就对系统 的保护功能进行了充 分考虑， 确保当设备发生故障和外部出现异常时， 可 以有效保障人员安全、 电网安全与负载安全。系统 保护功能主要包括以下几个部分 ： 过压保护 、 孤岛效 应保护、 防雷保护和其他常规保护 。 4 ) 在线监控系统部分 并网光伏发电项目配置了现场数据采集系统和 远程通讯系统 ， 对电站实行集 中、 实 时监控 ， 方便 电 站的运营管理。本项 目设 置了三套数据采集系统 ， 2 0 1 5 N o 4张萍 ， 等： 校园光伏建筑一体化应用研究以山东建筑大学1 M Wp 太阳能光伏并网发电示范项目 为例 1 4 1 煤炭 、 油气资源 的节约 ， 对 于环境保 护具有重要 意 义 。根据数据测算 ， 项 目2 5年运行期 内， 发 电量以 1 2 0万 k Wh 年计 算 ， 每年 可节省 煤炭 资源 5 2 0多 吨 ， 减排灰渣约 3 0 0 t ， 减排二氧化碳 约 1 2 0 0多 吨， 减排二氧化硫约 3 0多吨， 减排可吸人颗粒物约 5 6 t 。2 5年运行期 内累计 可节省煤炭 1 2 0 0 0 t ， 减排 二 氧化碳约 3万吨， 具有 良好 的节能减排效益 ， 有利于 “ 两型” 社会的构建。 3 校园光伏 建筑 一体化发展前景分 析 3 1 校园光伏建筑一体化优势 光伏建筑一体化作为一种将建筑物与太阳能光 伏组件实现有效结合 的新探索 ， 它不是两者 的简单 叠加 ， 而是 以环保 、 节能 、 美观实用为原则 ， 通过建筑 和能源领域专业人士的共同协作， 在满足并实现建 筑物本身要求和功能的前提下达到绿色节能发电的 目标_【 7 _ 。相 比传统光伏 发电系统 ， 实施 光伏建筑一 体化系统具有 以下突出优势 ： 1 ) 节省输电线路， 可以不通过输电网络直接将 电能输送至建筑物， 实现能源就地使用； 2 ) 有效降低校园公共建筑物对常规能源的消 耗， 电力消耗降幅可达到 3 3 5 0 ， 实现建筑节 能 ； 3 ) 充分利用建筑物 闲置 区域 ( 屋顶和墙面 ) ， 节 省土地资源 ， 实现集约化管理 ； 4 ) 光伏建 筑一 体化 系统 的运行 无 噪声 、 无 污 染 、 无能源消耗 ， 对 于构建 “ 两型 ” 社会具有重 要意 义 ； 5 ) 并网光伏发电较传统发电系统节省了储能 装置 ， 降低了投资成本。 3 2 项 目推广趋势分析 在国家大力建设“ 两型” 社会之 际， 光伏建筑一 体化的应用 ， 对于节能技术 的发展 、 新能源产业的推 广具有积极作用。此外， 作为高新技术产业示范项 目， 其成功实施对促进社会可持续发展 和保护环境 意义重大 ， 社会效益显著 ， 切实可行。 项 目的成 功示范为校园节约 了大量 的电力 开 支 ， 同时也为类似公共建筑的节能建设提供 了新的 思路。在体育场馆、 商业购物中心、 工业厂房等建筑 屋顶宽阔且电能消耗较大的公共建筑上实现分布式 光伏发电系统的规模化建设 ， 可有效节约传统电能 消耗 ， 构建低碳环保社会。 4 结 语 校园光伏建筑一体化的应用不仅可以满足学校 的部分用 电需求 ， 还能将假期的余电输送到配电网， 供其他负载使用。同时 ， 校 园太 阳能光伏发电的推 广应用也为广大师生提供了一个教育 、 示范的平 台， 利 于大学生生态发展、 低碳用能观念 的培养。随着 国家未来光伏建筑认证体系的完善、 政策的倾斜 、 资 金的扶持 ， 利用既有建 筑屋顶空 间的光伏建筑一体 化 电站的建设必将有更大的发展空间。 参 考 文 献 ： 1 王兆宇， 艾芊 太阳能光伏建筑一体化技术的应用分析 J 华东电力 ， 2 0 1 1 ( 8 ) 2 马文生， 郑斌 光伏建筑一体化相关问题的探讨 J 可再生 能源 ， 2 0 1 1 ( 2 ) 3 杨洪兴 ， 韩俊 香 港太 阳能光伏 建筑 一体 化的研 究 与进展 J 新材料产业 ， 2 0 0 8 ( 9 ) 4 孙仲武 光伏 发电在大学 校园 的应用与探 索 J 四川 建筑科 学研究 ， 2 0 1 3 ( 1 2 ) 5 山东建筑 大学 1 MWp太 阳能 光伏并 网发 电科技 长廊示 范工 程项 目 验收报告书 R 山东建筑大学， 2 0 1 2 6 陈琨 高校太阳能光伏屋面电站的设计、 安装及并网应用研 究 D 济南 ： 山东建筑大学 ， 2 0 1 3 ( 4) 7 练成雄 浅谈光伏发 电与校园建筑 的应用 J 13用 电器 ， 2 0 1 3 ( 1 O)