中新生態(tài)城零能耗建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

中新生態(tài)城零能耗建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計1工程概況

天津?qū)儆谂瘻貛У貐^(qū)，年平均氣溫為11.5℃，通過國家氣象局最近10年的日照統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，天津的年均日射量為4.073kW·h/m2、年日照時間為2778h、年平均日照率為63%。因此，采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是可行的。

中新天津生態(tài)城公屋展示中心工程位于天津市中新天津生態(tài)城15號地公屋項目內(nèi)?？偨ㄖ娣e3467m2，其中地上兩層，3013m2;地下一層，454m2，建筑總高度15m。建筑功能一部分為公屋展示、銷售;另一部分為房管局辦公和檔案儲存。本工程的設(shè)計目標為零能耗的綠色公共建筑。通過被動式設(shè)計使建筑物耗能達到合理的極限，通過主動式設(shè)計提高設(shè)備能源使用效率，預(yù)估年建筑能耗約為252.8kW·h/a，單位面積建筑能耗約為72.9kW·h/(m2·a)。建筑效果如圖1所示。圖1建筑效果圖

2光伏發(fā)電系統(tǒng)總體框架

裝設(shè)光伏組件的區(qū)域主要包含:屋頂弧形架構(gòu)區(qū)、屋頂東西兩側(cè)三角區(qū)、建筑東南側(cè)停車棚和西南側(cè)停車棚頂部。采用高轉(zhuǎn)換效率HIT型光伏組件，尺寸為798～1580mm，峰值功率為210Wp，組件轉(zhuǎn)換效率為16.7%，電池轉(zhuǎn)換效率為18.9%，重量約15kg，總裝機容量292.95kWp，總發(fā)電量約295MW·h/a，高于年建筑能耗12.3%，預(yù)計可達到建筑零能耗的目標。光伏發(fā)電系統(tǒng)與市電并網(wǎng)運行，多余的光伏電能反饋到市電電網(wǎng)。設(shè)置有648kW的鋰電池儲能裝置，用于平滑光伏饋電功率，并為較重要負荷提供備用電源。

本項目作為零能耗建筑，光伏發(fā)電全年的發(fā)電量應(yīng)大于負荷能耗的10%以上。但天津?qū)偃A北地區(qū)，季節(jié)差異較大，夏季及春秋季，光伏發(fā)電量大于負荷用電量;冬季，光伏發(fā)電量小于負荷用電量。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)措施，即可實現(xiàn)從電網(wǎng)取電，也可向電網(wǎng)饋電的并網(wǎng)形式。即:夏季及春秋季多余的電量饋向電網(wǎng)，冬季從電網(wǎng)取電。一年的光伏發(fā)電總量大于建筑能耗的總量，從而真正實現(xiàn)零能耗建筑。

在此并網(wǎng)系統(tǒng)中，主要依據(jù)兩方面來確定蓄電池的容量，一方面為智能控制系統(tǒng)工作站、計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器及對外窗口辦公計算機提供2h的應(yīng)急電源，另一方面為了穩(wěn)定光伏發(fā)電上網(wǎng)的相對恒功率輸出的需要，取兩者中的較大容量，最終確定為648kWh。光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖見圖2。圖2光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖3光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案

新建建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與建筑設(shè)計同步進行，統(tǒng)一規(guī)劃，同時設(shè)計、施工。其規(guī)劃設(shè)計應(yīng)根據(jù)建設(shè)地點的地理位置、氣候特征及太陽能資源條件，確定建筑的布局、朝向、間距、群體組合和空間環(huán)境，并應(yīng)滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和安裝的技術(shù)要求。同時結(jié)合建筑功能、建筑外觀以及周圍環(huán)境條件，進行光伏組件類型、安裝位置、安裝方式和色澤的選擇，使之成為建筑的有機組成部分。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計流程如圖3所示。圖3建筑光伏設(shè)計流程圖

3.1遮擋分析

遮擋分析包括周邊建筑物對本建筑屋頂電池板的遮擋分析、建筑自身對電池板的遮擋分析，如建筑物屋頂女兒墻、建筑物屋頂設(shè)備機房、突出屋面的設(shè)備等。

本項目位于天津市中新天津生態(tài)城15號地公屋項目內(nèi)，在本建筑南側(cè)50m內(nèi)有2棟16～18層的高層住宅，見圖4，女兒墻高出屋面1.5m，對本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)的遮擋影響較大，因此需要著重對周邊建筑及女兒墻進行建模并模擬分析，見圖5。

圖4建筑總平面圖

圖5建筑模型

根據(jù)分析結(jié)果可見，本項目周邊遮擋因數(shù)約為10.9%。3.2組件選擇

光伏組件分類較多，主要包括單晶硅光伏組件、多晶硅光伏組件、非晶/單晶異質(zhì)結(jié)(HIT)光伏組件、非晶硅薄膜光伏組件、碲化鎘(CdTe)薄膜及銅銦硒(CIS)薄膜光伏組件等，其中以非晶/單晶異質(zhì)結(jié)(HIT)光伏組件轉(zhuǎn)換效率最高。其太陽能電池片基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，是以光照射側(cè)的p-i型a-Si:H膜(膜厚5～10nm)和背面?zhèn)鹊膇-n型a-Si:H膜(膜厚5～10nm)夾住晶體硅片，在兩側(cè)的頂層形成透明的電極和集電極，構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)的HIT太陽能電池組件。HIT太陽能電池組件具有低溫工藝、高效率、高穩(wěn)定性、低硅耗等特點。光伏組件的選用依據(jù)以下原則:

(1)應(yīng)根據(jù)建筑功能、外觀以及周邊環(huán)境條件遮擋情況，從光伏組件類型、安裝位置、安裝方式和色澤等方面總體考慮來選擇光伏組件，使之成為建筑的有機組成部分。圖6HIT太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

(2)應(yīng)根據(jù)光伏組件在一年中的運行時間、運行期內(nèi)的風(fēng)環(huán)境、日照條件、經(jīng)濟條件、維護管理等多方面因素綜合考慮選用光伏組件。

(3)光伏組件及其連接件的規(guī)格、性能參數(shù)及安全要求由廠家提供，其中連接件的尺寸、規(guī)格、荷載、位置需經(jīng)過設(shè)計，預(yù)埋件、支撐龍骨及連接件均按國家相關(guān)規(guī)范要求設(shè)計，預(yù)埋件施工時應(yīng)確保定位無誤。

綜合考慮，本設(shè)計選用組件峰值功率為210Wp、組件轉(zhuǎn)換效率為16.7%的光伏組件，其技術(shù)指標如表1所示。

3.3安裝方式設(shè)計

屋頂、停車棚的光伏組件與建筑的安裝構(gòu)造方式為安裝型，屬于BAPV方式;弧形遮陽架構(gòu)的光伏組件與建筑的安裝構(gòu)造方式為構(gòu)件型，屬于BIPV方式。在有限的可利用空間實現(xiàn)最大的光伏發(fā)電量是安裝方式設(shè)計的出發(fā)點。為了使光伏方陣得到的太陽輻射和光伏系統(tǒng)的功率輸出最大，光伏方陣的取向和傾角應(yīng)按照光伏方陣所在的地理位置考慮。

通過軟件模擬分析，在天津地區(qū)，光伏組件全年獲得電能最多的傾角為32°。而考慮到中央弧形遮陽架存在一定的弧度，組件安裝間距可大大縮小，增加了組件安裝數(shù)量，因此在中央弧形遮陽架的南北兩側(cè)采用32°傾角安裝，根據(jù)弧形遮陽架弧度不同，安裝間距也不盡相同，詳見圖7。圖7中央弧形遮陽架光伏組件布置圖

借助于專業(yè)軟件，分別對屋頂兩側(cè)三角區(qū)0°傾角安裝、32°傾角安裝兩種方式進行了模擬分析，詳見表2。

經(jīng)過分析計算可見，0°傾角安裝能夠在有限的屋頂面積條件下獲得最大的光伏發(fā)電量。因此在屋頂中央弧形架構(gòu)中心區(qū)、東西兩側(cè)三角區(qū)光伏組件安裝傾角為0°。在車棚區(qū)域，采用與車棚傾角一致的安裝角度，約為13°。光伏組件共計鋪設(shè)1409塊，總裝機容量為295.89kWp。各區(qū)域安裝方式參數(shù)詳見表3。3.4并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

由于本工程光伏組件主要集中在屋頂和車棚，所以采用集中監(jiān)控、集中并網(wǎng)方式，用戶側(cè)低壓380V并入公共電網(wǎng)。結(jié)合選用的光伏組件類型、數(shù)量及安裝分區(qū)，配置并網(wǎng)逆變器的類型與數(shù)量。

本工程選擇10kW逆變器，具體參數(shù)如表4所示。其配置方案詳見表5。

光伏電站向當(dāng)?shù)亟涣髫撦d提供電能和向電網(wǎng)發(fā)送電能的質(zhì)量，在諧波、電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓不平衡度等方面應(yīng)滿足《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)諧波》(GB/T4549-93)，《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》(GB/T24337-2009)，《電能質(zhì)量供電電壓偏差》(GB/T12325-2008)，《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》(GB/T12326-2008)，《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-2008)，《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》(GB/T15945-2008)的要求。出現(xiàn)偏離標準的越限狀況，系統(tǒng)檢測到這些偏差并將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)安全斷開。

3.4.1諧波

光伏電站所接入的公共連接點的諧波注入電流應(yīng)滿足《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)諧波》(GB/T14549-93)的要求，其中光伏電站向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按照光伏電站裝機容量與其公共連接點上具有諧波源的發(fā)/供電設(shè)備總?cè)萘恐冗M行分配。

光伏電站所接入的公共連接點的各次間諧波電壓含有率及單個光伏電站引起的各次間諧波電壓含有率應(yīng)滿足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》(GB/T24337-2009)的要求?？傊C波電流應(yīng)小于逆變器額定輸出的5%。

3.4.2電壓偏差

光伏電站接入電網(wǎng)后，光伏電站并網(wǎng)點的電壓偏差應(yīng)滿足《電能質(zhì)量供電電壓偏差》(GB/T12325-2008)的要求。三相電壓的允許偏差為額定電壓的±7%，單相電壓的允許偏差為額定電壓的－10%～+7%。

3.4.3電壓波動和閃變

光伏電站所接入的公共連接點的電壓波動和閃變應(yīng)滿足《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》(GB/T12326-2008)的要求，其中光伏電站引起的閃變值按照光伏電站裝機容量與公共連接點上的干擾源總?cè)萘恐冗M行分配。

3.4.4電壓不平衡度

光伏電站所接入的公共連接點的電壓不平衡度及光伏電站引起的電壓不平衡度應(yīng)滿足《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-2008)的要求，其中光伏電站引起的電壓不平衡度允許值按照GB/T15543的原則進行換算，允許值為2%，短時不得超過4%。

3.4.5直流分量

光伏電站并網(wǎng)運行時，向電網(wǎng)饋送的直流電流分量不應(yīng)超過其交流電流額定值的0.5%。

3.4.6功率因數(shù)

當(dāng)電站輸出有功功率大于其額定功率的50%時，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98(超前或滯后)，輸出有功功率在20%～50%時，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95(超前或滯后)。

3.4.7頻率

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時與電網(wǎng)同步運行。電網(wǎng)額定頻率為50Hz，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后的頻率允許偏差應(yīng)符合《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》(GB/T15945-2008)的規(guī)定，偏差值允許±0.5Hz。3.5光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量模擬

采用專業(yè)軟件建模，并對各區(qū)域發(fā)電量進行模擬分析，可得全年各區(qū)域光伏發(fā)電量數(shù)據(jù)，詳見表6、圖8、圖9。

圖8系統(tǒng)各區(qū)域逐月發(fā)電量

圖9系統(tǒng)逐月發(fā)電量

3.6光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖10，采用雙機單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用服務(wù)器作為操作員工作站，兼報表及維護工作站的功能，用于實現(xiàn)微網(wǎng)綜合監(jiān)控。保護測控裝置、電池管理系統(tǒng)、光伏管理系統(tǒng)、雙向變流裝置PCS均由前置服務(wù)器直接接入監(jiān)控系統(tǒng)，電表及小型氣象站通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器接入監(jiān)控系統(tǒng)。模式控制器用于實現(xiàn)微網(wǎng)運行模式切換管理。光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)在異?；蚬收蠒r，為保證設(shè)備和人身安全，設(shè)置相應(yīng)的并網(wǎng)保護功能，包括過/欠電壓、過/欠頻率、防孤島效應(yīng)、恢復(fù)并網(wǎng)、短路保護、逆向功率保護等。圖10光伏監(jiān)控系統(tǒng)示意圖4結(jié)束語

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