青岛火车站BIPV并网光伏发电系统设计与应用.pdf

E 丑f 0 C U S青岛火车站BIPV并网光伏发电系统设计与应用文罗多1尹平21 光电建筑应用委员会专家组专家一项目概述1 9 0 4 年，德国建造的胶济铁路全线通车，始发站青岛火车站是纯粹的德国文艺复兴风格作品，她历经了一个世纪的风雨变迁，古老的钟楼和候车室见证了她的百年沧桑。今天青岛站作为奥运的标志建筑之一，将高科技的建筑产品和古老的建筑风格相融合，光伏采光走廊的成功应用成为B I P V(光伏建筑一体化)在中国火车站的一个里程碑，而非晶硅薄膜电池在这个项目中的出色表现也成为光伏建筑一体化的成功案例。二：光伏建筑一体化的建筑设计本文将从以下6 个方面来详细分析青岛火车站光伏系统的建筑设计：1 建筑整体布局建筑整体布局是建筑师最关心的部分，也是B I P V 项目是否成功的关键。原设计(见图1)采用了7 个在图1 建筑整体布局的原设计方案南坡的三角形区域，此方案造成中部理的电气设计使光伏系统电气匹配通廊顶南坡为电池板，北坡为阳光板，2 种材料差异甚大，包括材质、颜色、安装方式，不能满足室内建筑效果要求，甚至出现负作用。调整后的方案取消了图1 最左侧3 个三角形区域，改中间区域顶部全部安装电池板，此举保证了通廊顶效果一致。不利之处则为屋顶电池板一半区域处于北坡，系统发电量会因采光效果不理想而有所下降，但通过合合理，从而保证系统三相平衡。完工后的室内效果见图2。项目所采用非晶硅薄膜电池优越的遮阳性能在建筑采光顶中得以充分体现，可以想象，如臬我们只是将电池板铺在南坡，那么可能在仲夏正午的时候，就不会有人愿意从通道的北边行走了。而从室外看来，非晶硅薄膜电池与阳光板材质及感观上的完全不同，使得修改以后的建筑设万方数据图2 完工后的室内效果计趋于平衡、对称。为了获得整体效果，我们牺牲了北坡铺设电池板带来的发电量降低，但事实证明，将建筑大局作为设计的首要条件是必要的，建成后的火车站得到了铁道部及地方政府的高度评价。建筑是多元的，有时侯会存在边角、弧形等与电池板模组数相冲突的特殊地带，青岛火车站的电池布局则尤为突出。在顶部，电池板与阳光板、屋脊交接处，曲面与曲(斜)面相交，出现了相当多的多边形分格，为了室内效果统一，我们采用了切割的异形电池板，但不参与系统发电，仅作为装饰。2 电池的选择通过对非晶硅薄膜电池及晶体硅电池的建筑匹配程度、外观效果、物理及电气性能等方面的分析，该项目选用中玻集团下属威海蓝星泰瑞光电有限公司生产的非晶硅薄膜电池，其标阳C U SE 丑L 蠢搿敷一_ 二=二_=二_=二一光谱范围注：圈中虚线代表大气厚度1 o，指太阳光垂直于地球表面的法线时为1 O。图3 非晶硅和晶体硅电池的光谱吸收范围图准电池主要技术参数如表l。与晶体硅电池相比，非晶硅薄膜电池具有以下7 项优点：(1)成本较低由于非晶硅电池的半导体膜层厚度仅为晶体硅电池的1 6 0 0，无需消耗大量昂贵的纯硅材料。因此，从材料成本上来讲低于晶体硅电池；另一方面，非晶硅电池采用气相层积和激光刻槽的方法，全过程低温工艺制作，生产工艺比晶体硅电池制造简单，生产成本较低。(2)羁光发电非晶硅电池在低光照射条件下，如阳光不太强的早晨、傍晚、阴天以及临近建筑物的遮挡，也能有稳定电力输出，激活所需能量低，吸收光谱可见光范围广，见图3。(3)外形美观非晶硅薄膜电池会有暗红色、深褐色、深灰色、深蓝色等多种颜色的表1 非晶硅薄膜标准电池主要技术参数尺寸：1 2 4 5 m m 6 3 5 m m x7 m m物理特性面积：0 7 9 m 2质量：1 3 5 k g额定功率：4 0 W电气特性最佳工作电压V m p：4 4 6 V最佳工作电流I m p：9 0 0 哪A辐照度：l 0 0 0 W m 2测试条件大气压：1 5 1 0 5 P a温度：2 5 选择，透光度也有从1 到3 0 的选择，甚至从薄膜的镀膜花纹上也可以有条状，点状、网状等的选择，较能够满足建筑师对建筑风格多元化的要求，见图4。(4)发电可童太阳能电池都会有衰减，目前，虽然几乎所有的太阳能电池厂家都是提供2 0 年不超过2 0 的衰减保证。由于非晶硅电池和晶体硅电池的衰减曲线是不一样的，非晶硅薄膜电池会在应用的前一年衰减至较为稳定的功率状态，我们把这一年的衰减功率差增加在出厂的额定功率中，也就是标称功率为4 0 W 的电池实际功率为4 8 W，这样可以保证光伏系统设计功率在未来2 0 年甚至更长使用年限内衰减很小甚至可以忽略。非晶硅电池模块的发电稳定性及寿命通过图5可见一斑。另一方面体现在电池在实际使用过程中的高温工作状态。当电池片吸收光照转化为电能时，电池板自身温度急剧升高，如果不考虑良好的通风散热，不但会直接影响到电池板的发电功率，而且电池板背面的高温也会直接影响到室内的环境温度，也就是舒适度。其根本原因就是温度上升会影响电池板内部填充因子(F F：一个用来检测电池片新格产业N 0 22 0 1 0 圃，OOOOO畸，万方数据ll 至l 匿|f O C U S(b)多种透光度图4 外形美观透光度不同的非晶硅薄膜电池时同年图5 非晶硅电池模块的发电稳定性及寿命表2 非晶硅薄膜电池引P V 组件与传统建筑玻璃的传热系数、遮蔽系数对比类别U 值(W m 2 K)遮蔽系数6 m m 单片透明玻璃5 60 9 6 O 9 96 m m 镀膜玻璃5 60 2 5 O 9 0透明中空玻璃3 0O 8 6 O 8 8镀膜中空玻璃2 9O 2 0 O 8 0L o w e 中空玻璃2 0O 2 5 O 7 0非晶硅夹胶玻璃5 5O 2 6非晶硅中空玻璃。2 50 2 5性能好坏的指标)的数量，温度越高填充因子就越少，组件效率就越低。但不同的电池下降幅度是不同的，非晶硅薄膜电池的温度系数约为一O。2，而晶体硅的温度系数约为一0 5，这就表示，当组件温度达到5 0 的时候，非晶硅的功率相比于2 5 标准条件下会降低5 左右，而晶体硅的功率衰减则达到1 2 5 左右。所以，即使在标准测试条件下非晶硅薄膜电池的转化效率比晶体硅电池低，但在实际应用中，两者之间的平均工作效率差会有所减小。(5)易于加工非晶硅薄膜电池可以通过层压，胶合或者机械连接的方式二次加工成建筑师希望的大板块可透光的B I P V 组件。(6)保温遮阳太阳光谱中能量的传播可以通过遮蔽系数S c 来决定，S c 越小遮光率越高，而传热系数U 值涉及到建筑的隔热效果，它是建筑物外饰材料热传递系数。非晶硅薄膜电池B I P V 组件与传统建筑玻璃在这2 项建筑节能指标上的比较如表2。(7)发电量大非晶硅薄膜电池虽然能量转换效率低，但因其吸收光谱范围宽，激活电子所须能量等级低，从全寿命周期上来说，其寿命衰减曲线和温度衰减曲线都优于晶体硅电池，故其发电能力强。对于同样功率的太阳电池阵列，非晶硅太阳电池比单晶硅、多晶硅电池发电要多约1 0(参见图6)，已经得到美国的U n i S o l a rS y s t e mL L C、E n e r g yP h o t o v o l t a i cC o 印，日本的K a n e k aC o r p、荷兰能源研究所等权威机构证实。万方数据图6 相同环境条件下单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池年发电比较褒3 中玻非晶硅B I P V 光伏组件典型规格的电性能宽崖主功功宰最佛工件停工作黼_“肌-”t t r”t qmwt 电压V电t+o M P m 3 k l HM钾钾62”篙8 钟l 口鼬I 弛o 胛B 3 t 罩一口Z 5煳嗽嚣谂l 越m 41 9 O 喜70 p 3 j m l H“B”懈“8 7 醋”9 B+n m l 垃圳懈“9 9。G S m m期口m0 8 6I 目e i8。蒙鼎慧k0 B 明0 12 麓器8“喀mm3 组件设计为了配合屋顶钢结构的建筑模数，满足建筑结构安全和采光要求，我们将3 片电池通过层压的方式加工成一片2 1 7 3 mx1 3 2 m 的标准组件，在层压过程中串联成一个标准功率为1 2 0 W，仅有一个出线盒的标准组件单元。玻璃组合为6 m m 超白钢化玻璃+O 7 6 P V B+3 2 m m 非晶硅光电玻璃+0 7 6 P V B+6 m m 钢化玻璃，其各项参数参考(中玻非晶硅BI P V 光伏组件典型规格的电性能表(表3)中的C G S N B 4 6 0 1 型号。非晶硅薄膜电池本身是可以透光的，工程应用中的透光率可以从1 调整至3 0，但透光的代价则是转换率的加倍降低，1 0 透光率的组件效率降低2 0、2 0 透光率的组件效率降低4 嘶、3 0 透光率的组件效率降低6 0，再高的透光电池就没有什么实际发电效果了，因此在工程实践中，我们通常采取设计采光带或间隔布置电池板的方法换取透光率。青岛火车站组件采光带为1 7 4，加上电池本身5 的透光率，组件透光率为2 2 4，满足该建筑采光超过2 0 的要求。f 0 C U SE 丑4 结构安全性设计任何一种材料与建筑结合的时候，都必须考虑其安全性能。当光伏电池作为一种建筑维护材料时，我们必须首先对其强度和刚度做详细的分析检查。通过计算，青岛火车站用组件能承受2 6 8 k N m 2 的平面外荷载，满足青岛当地的风荷载、地震荷载、雪荷载、活荷载、恒荷载以及施工荷载的组合效应要求，组件也通过了建筑所需要的包括落球冲击剥离性能、抗风压性能、耐热耐湿性能、气候循环耐久试验紫外试验等测试。当然，结构设计应包括整个系统每个受力构件的安全检查，大到光伏组件，支撑龙骨，小至连接螺栓、焊缝、结构胶。5 支撑系统设计由于B I P V 本身就是建筑的维护结构，支撑系统的设计可以直接影响到整个系统的建筑性能，如：美观性、安全性、可操作性、水密气密性等等。因此，支撵系统的设计应基于幕墙系统的设计，再综合考虑与电池组件的结合、出线盒(线槽大小须通过计算)的位置、组件的布线等因素。图7 为针对青岛火车站项目专门设计的支撑系统，它具有隐藏式线槽、结露槽一体化、三维可调等特点。6 光影分析由于青岛火车站项目的安装要求，并不是每块太阳能组件与当地纬度均为最佳角度，因此，必须通过有效、详细的光影分析(图8)，以评估系统的工作。三、光伏建筑一体化的电气设计青岛火车站的工程现场使用环境和条件为：工程地点是山东省青岛市，环境温度，极端最低温度蕊脚产业N 0 22 0 1 0 _ 圜万方数据图7 青岛火车站项目用支撑系统图8 青岛火车站项目的光影分析一1 5 5，极端最高温度3 5 4；日照小时数，近5 年内的年日照小时数平均值为2 1 5 6 6l 系统型式为低压3 8 0 2 2 0 V AC 三相五线制，多点并网运行。根据以上要求，分以下5 个方面来阐述青岛火车站光伏系统的电气设计过程。1 电池阵列设计青岛火车站设计选用的B I P V组件主要参数见表4。根据表4 中的参数，我们先进行组件串联数计算：组件最大串联数S N 系统电压V。开路电压V。即S N V。V。=6 0 0 1 8 3*3 2 8，因此，组件最大串联数为3；同时考虑所选并网逆变器的M P P T(最大功率点跟踪)电压范围及安全要求，我们最终确定组件串联数为2 块。这时，光伏组件阵列的开路电压及峰值电压就已经确定，分别为：V。=3 6 6 V D C，V。=2 6 9 4 V D C。前面我们讲过，光伏组件与连廊顶部的钢结构组合时，是弧线型的，这就导致许多光伏组件的朝向不一致，这给光伏组件方阵的设计带来一定的困难。为了获得最大发电量，充分发挥逆变器的M P P T 功能，我们要求逆变器配套的光伏组件尽可能的工作于相同工作点。换句话来说，就尽量将受光大致相同的光伏组件组串为同一个光伏子阵列驱动同一台逆变器工作，在这样的原则下，结合青岛站的具体情况，我们最终选择细分光伏组件阵列，使每一个子阵列的额定功率都不是很大，而且他们的朝向尽可能一致。最终确定，每个子阵列的形式为2串1 9 并。子阵列相关参数如下：直流最大功率为4 5 6 0 Wl 直流开路电压为3 6 6 V D Cl 直流短路电流为2 0 9 A；直流峰值电压为2 6 9 4 V D C；直流峰值电流为1 7 1 A。表4 选用的B I P V 组件主要参数标准功率P。1 2 0 W峰值电压V。1 3 4 7 V峰值电流I。O 9 0 A开路电压V。1 8 3 V短路电流I。1 1 0 A系统电压6 0 0 V D C短路电流温度系数+0 0 9 开路电压温度系数一0 2 8 功率温度系数一O 1 9 光电转换效率5 万方数据2 逆变器设计与选理根据光伏阵列的参数，选择合适的逆变器。由于光伏阵列的最大功率为4 5 6 0 W、开路电压为3 6 6 V D C、峰值电压为2 6 9 4 V D C，因此选择了艾思玛太阳能技术股份公司(S M A)的高效并网逆变器S B 3 8 0 0。3 并网设计常见的并网一般选择一个并网点，集中并网。但青岛火车站项目设计中应甲方要求系统具有多点并网可选择性，甲方要求光伏发电系统运行时分成4 个子系统，每个子系统可分别选择4 个不同的并网点，目的是图9 系统并网控制示意图图1 0 防雷设计圈”青岛月平均太阳辐射值(1 8 9 8 1 驰7 年)f 0 C U SE 妇均衡匹配4 台供电变压器的负荷，以免集中于单个变压器时出现逆潮流。针对上述特别要求，并网系统设计如下：整个光伏发电系统分成4 个子系统，每个子系统由6 个4 5 6 k W 的光伏子阵列，采用6 台S B 3 8 0 0 并网逆变器组成；4 个子系统分别由4 个独立的并网控制柜与并网点连接，每一个并网控制柜可以选择4 个并网点中的任何一个并网运行。该系统并网控制示意图见图9。并网系统除了实现上述并网功能外，还应具备以下功能：同步跟踪功能：跟随电网的变化，始终保持电压，相位、频率与外电网同步(由逆变器实现此功能)；最大功率跟踪功能：由逆变器实现此功能l 自动运行与关闭功能：实时对外部电网的电压、相位、频率，直流输入及交流输出的电压、电流等信号进行检测，当出现异常情况时会自动保护，断开交流输出，当故障原因消失，电网恢复正常时，延时一定的时间后，恢复交流输出(由逆变器实现此功能)；过压，欠压保护功能；过载保护功能；短路保护功能；过热保护功能；防止“孤岛效应”功能：当外部电网失电时，要求能立即检测并停止交流输出，以避免电力事故的发生(由逆变器实现此功能)。4 防雷设计光伏系统应设置避雷针或避雷带，同时设置直流防雷、交流防雷，光伏防雷接地系统与建筑物主体的防雷接地系统连接成一体，防止雷击，见图1 0。5 年发电量青岛火车站BI P V 项目设计的额定发电功率为1 0 3 k W，太阳能电池分新皿翻产业N O 22 0 1OI E I 万方数据E 丑F O C U S表52 8 下半年青岛火车站B l P V 项目统计数据月份统计天数总辐射量月发电量k W h月平均每天的(x1 0 2 k J m 2)发电量k W h62 42 6 2 6 0 7 14 7 6 1 1 0 8 81 9 8 3 7 9 5 3 3 372 92 1 3 8 3 0 65 7 2 5 6 8 5 8 91 9 7 4 3 7 4 4 4 583 l4 0 4 1 1 3 l8 6 8 5 7 5 3 9 0 62 8 0 1 8 5 6 0 9 993 0+3 4 2 3 2 6 07 0 9 2 2 8 5 1 5 62 3 6 4 0 9 5 0 5 2l O3 l3 6 5 9 4 3 25 7 0 2 5 0 5 8 5 91 8 3 9 5 1 8 0 1 9l l2 21 2 8 5 1 9 53 0 8 2 1 6 4 0 6 31 4 0 0 9 8 3 6 6 51 22 01 3 0 5 3 6 01 7 5 6 2 0 3 1 2 58 7 8 1 0 1 5 6 2 5图1 22 0 0 8 年6 1 2 月发电量与辐射量对比为南坡和北坡2 个部分。北坡太阳能板几乎不能接受到太阳直射光，只能靠散射光发电，而在太阳能辐射中，比重最大的是直接辐射。青岛市位于东经1 1 9度3 吩至1 2 l 度0 0 分、北纬3 5 度3 5 分至3 7 度0 9 分之间，对于这一纬度地区，北半坡能接受太阳直接辐射的量显然比南坡少的多。我们参照斯迪威火车站的经验，将曲面投影到水平面上，水平面上总的发电面积为1 9 0 0 r n 2，南北坡各占一半，然后再计算此平面面积上的年太阳总辐射量，乘以光伏组件的转换效率和逆变系统的效率即可获得年发电量数据。计算中北半坡取系数0 3 5，南半坡取系数0 8 0。通过统计1 8 9 8 一1 9 8 7 年青岛的月平均太阳辐射，我们可以得到青岛全年的太阳辐射情况如图l l 所示。全年1、l l、1 2 月3 个月是太阳辐射较低的月份，而5 月是太阳辐射最高的月份，3、4、6、7、8、9 月则是辐射较高的月份，2、l O 月属于中等辐射月份。青岛全年辐射为4 9 4 4 6 k J c m 2(1 1 8 1 k c a l c m 2)，换算成太阳能发电的常用单位则为1 3 7 3 2 7 l【W h I n 2，按照标准辐射(A M l 5，1 0 0 0 W m 2)换算，则相当于全年标准日照时间为1 3 7 3 2 7 h，平均每日标准日照时为3 7 6 h。年发电量P n 根据常用公式P n=K c【+A p 计算，其中K 当地太阳总辐射量，考虑安装方位及角度，单位是k W h(m 2 a)lo【光伏电池的转换率()；A 光伏电池的面积(m 2)；p 损耗率()，包括逆变器转换效率、电池板出力安全系数、出力温度修正系数、最佳出力点修正系数、配线损失系数、电池板污损系数。计算得，青岛站光伏发电系统全年发电量约为6 6 7 6 3 万k W h，平均每天约为1 8 3 k W h，当然，具体发电量要视当年实际太阳辐射能量而定。青岛火车站光伏建筑一体化项目2 0 0 8 年6 月2 0 号竣工，7 月1 5 号调试完毕。正常运营1 年多，不需派驻现场管理人员，也无系统故障出现。我们取2 0 0 8 下半年采集到的数据来分析(见表5)，发电量与辐射量的对比见图1 2。可见：每月总辐射量与发电量成正比；8、9 月份发电量最大l 平均每天发电量为1 8 3 5 6 3 k W h，与计算估计值1 8 3 k W h 几乎相等。为了更直观地看到太阳能发电系统的运行状态，对太阳能发电系统配置了完整的通讯监控系统，可以实时监控到太阳能电池阵列和逆变器的各项电气参数与系统运行状态，同时显示发电系统相应的节能环保指标，见图1 3。四、经济效益和社会效益青岛火车站作为国家建设部可再生能源示范项目，其建筑效果和功能的体现远远大于其经济效益。青岛火车站2 5 3 0 m 2 屋顶建成1 0 3 k W p万方数据光伏并网系统，造价1 0 6 8 元W，每平方米4 3 4 8 元，依据可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法，太阳能发电发电项目上网电价实行政府定价，其电价标准由国务院价格主管部门按照合理成本加合理利润的原则制定。本项目建成后，系统生产运行隋况如下：l 仍k W。光伏并网系统年发电量约6 6 7 酞W h(按现有系统运行睛况估算)；系统建成后，不发生其他费用；不计税收因素；评价期2 哞(电池最低保证寿命)；总投资每年分摊后成本为1 1 0 0 万元厂耻5 5 万元，系统运行后，盈亏平衡点时的上网电价P=总成本产量=5 5 万元6 6 愀W h=8 2 4元k W h，即当上网电价大于8 2 4元k W h 时即可保本；增加投资(考虑普通的玻璃采光顶以及遮阳系统的造价为2 0 0 0 元m 2)为2 3 4 8 元m 2 2 5 3 0 m 2=5 9 4 万元，2 0 年产生电能为2 0 6 6 7 6 k W h=1 3 3 5 万k W h，费效比为5 9 4 1 3 3 5=4 4 5。图1 3 太阳能发电系统监控系统界面值得说明的是，1 0 6 8 元w 为2 0 0 7 年的价格，若按照目前的行业成本价核算大概为6 0 元W，由于青岛站光伏布局的特殊性，导致1 W 的发电量并不高，若按照正常的屋顶布置，估计每瓦的年发电量为1 1 k w h 左右。综上，正常的非晶硅薄膜电池按照层压的组件方式大概2 7 3 元k w _ h。根据国际上通用的社会效应计算方法，太阳能每发电1 0 0 k W h，可省油2 6 L 或省煤3 6 k g，这也意味着少排放9 9 7 k g 的二氧化碳，1 1 8 k g 的二氧化硫和4 3 0 9 氮氧化物，同时减少因火力发电产生的2 7 2 k g 粉尘，节约4 0 0 L 净水。青岛火车站光伏工程建成后，每年可生产6 6 7 6 万k W h 电，可节省标准煤2 4 t a、纯净水2 6 7 1 0 5 L，可实现减排二氧化碳6 6 5 6 t a、减排二氧化硫O 7 8 8 t a、减排氧化氮0 2 8 7 t a。五结语2 0 0 9 年3 月中国财政部发布了太阳能光电建筑应用财政补助F O C H SE 妇资金管理暂行办法、财政部和住房和城乡建设部联合下发了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见)，7 月财政部、科技部、国家能源局又发布了(关于实施金太阳示范工程的通知。中国政府一系列光电补助政策的出台对光伏建筑的发展犹如一剂强行针，不仅仅为光伏产业带来春天，也为绿色建筑注入动力。目前，B I P V 成为建筑领域的时尚代名词，受到社会各界乃至国际社会的高度关注。中国是世界光伏生产大国也是建筑生产大国，相信这样庞大的2 个市场在政府正确的引导和支持下，必将迅速完成从示范到推广再到普遍应用的全过程。同时，随着科学技术的进步、相应标准和规范的颁布以及市场的调整与规范，B I P V技术正朝着大规模产业化和不断提高性价比的方向发展，该技术必定会成为未来新能源应用领域的重要方向。啊斯蜘产业N O 22 0 1 0 誓圈万方数据青岛火车站BIPV并网光伏发电系统设计与应用青岛火车站BIPV并网光伏发电系统设计与应用作者：罗多，尹平作者单位：罗多(光电建筑应用委员会专家组)，尹平(中国兴业太阳能技术控股有限公司)刊名：新材料产业英文刊名：ADVANCED MATERIALS INDUSTRY年，卷(期)：2010(2)本文链接：http:/