中國館世博中心主題館太陽能應(yīng)用技術(shù)

1上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 2上海申能新能源投資有限公司

郝國強1趙國靖2劉 勉2 于霄童1 吳 洲1 李紅波1

1 引言

光伏建筑一體化是未來太陽能在城市中應(yīng)用的主要形式。2010年上海世博會太陽能的應(yīng)用主要集中于永久場館中國館、世博中心及主題館上，應(yīng)用形式為光伏建筑一體化并網(wǎng)系統(tǒng)，其中涉及到光伏與建筑結(jié)合技術(shù)、光伏建筑一體化組件技術(shù)及大功率并網(wǎng)逆變技術(shù)等，這些技術(shù)與生態(tài)、建筑、采光、材料等技術(shù)在世博園區(qū)中得到了統(tǒng)一的展示，將成為我國高科技普及教育的活教材，對上海市民乃至全國人民的環(huán)保意識、節(jié)能意識起到促進作用。

2 中國館、世博中心、主題館太陽能應(yīng)用

2.1 中國館太陽能應(yīng)用

上海世博會中國館位于世博園區(qū)主入口的突出位置。中國館由國家館、中國地區(qū)館、港澳臺館三部分組成。總建筑面積為16.05萬平方米。太陽能應(yīng)用主要集中于國家館上。

中國館光伏建筑一體化應(yīng)用效果如圖1所示，太陽能應(yīng)用主要在屋頂面應(yīng)用。在建筑的最高頂面68米平臺四周采用高效單晶硅光伏組件，使建筑頂面形成一圈黑色的鑲邊，與紅色框架互相映襯，增強了建筑的韻律感。此外，在建筑60米平臺的挑檐部分采用了光伏玻璃幕墻組件，使整個挑檐部分效果更加美觀。如圖2所示。光伏組件安裝面保持平行和平齊，保持屋頂?shù)恼w風(fēng)格。中國館光伏建筑一體化系統(tǒng)裝機容量為0.3MW。

中國館光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)用特色如下：

○ 針對中國館具有傳統(tǒng)中國特色的建筑，采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有一定的獨創(chuàng)性，使中國館建筑將傳統(tǒng)與現(xiàn)代、科技與美學(xué)完美的結(jié)合在一起；

○ 光伏玻璃幕墻組件的應(yīng)用，將發(fā)電與節(jié)能結(jié)合為一體，減少了熱輻射，使建筑更加節(jié)能環(huán)保。

2.2 世博中心太陽能應(yīng)用

世博中心位于世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內(nèi)，世博中心廣泛應(yīng)用了新能源、新技術(shù)和新材料，太陽能光伏建筑一體化是其中新能源應(yīng)用的主要形式。世博中心建筑外表面多為平面結(jié)構(gòu)，方正、寬廣，非常適合作為太陽能發(fā)電的載體。建筑屋頂結(jié)構(gòu)為一個巨大的長方形，屋面上的建筑結(jié)構(gòu)由西向東依次為屋頂花園、南北兩座設(shè)備間、采光天頂、下沉式屋面、電梯機房以及中央直升機停機坪。根據(jù)建筑物的這些特點，世博中心太陽能的應(yīng)用主要集中于屋頂。在屋頂中心及四周部分區(qū)域鋪設(shè)高效單晶硅太陽電池組件，在屋頂設(shè)備房南立面應(yīng)用光伏遮陽式組件，以增強世博中心太陽能系統(tǒng)的顯示度。世博中心光伏建筑一體化系統(tǒng)總裝機容量約1.04MW。效果如圖3所示。圖4為世博中心屋頂太陽能應(yīng)用實景圖。

世博中心光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)用的特點是：

○ 在世博中心建筑設(shè)計階段就根據(jù)建筑物的特點，并結(jié)合太陽能的特點，考慮光伏建筑一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，設(shè)計出符合世博中心建筑整體效果的太陽能應(yīng)用方案，充分體現(xiàn)光伏與建筑的和諧統(tǒng)一。

○ 世博中心屋頂采用屋頂綠化與光伏組件間隔排布的方式，將太陽能綠色能源的意義體現(xiàn)的淋漓盡致，并將世博中心建筑科技性與美觀性完美體現(xiàn)出來；

○ 采用了光伏遮陽組件，既能保證建筑的美觀性，又能產(chǎn)生充足的電力，達到一物多用，多種功能統(tǒng)一。

2.3 主題館太陽能應(yīng)用

上海世博會主題館位于上海世博會規(guī)劃圍欄區(qū)B片區(qū)世博軸西側(cè)。主題館屋面作為第五立面，其形態(tài)構(gòu)思來自于對上海城市肌理中最具特色的——“里弄”的抽象，屋面形態(tài)采用菱形與三角形結(jié)合的立體構(gòu)圖，屋面面積達 6.4萬平方米。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于主題館屋頂上。屋頂平面雖不如立面對建筑效果的影響大，但仍然是一個不能忽視的平面，況且在世博園區(qū)內(nèi)，從盧浦大橋、南浦大橋上可以清晰的看到主題館的屋頂形態(tài)，因此屋頂太陽能電池組件的排布要考慮到整體的效果。主題館屋頂采用富有韻律的波浪形，在屋頂采用與屋頂一體化光伏組件，替代部分屋頂材料構(gòu)成有規(guī)律性的圖案，使主題館的屋頂具有特殊的藝術(shù)效果及鮮明的科技特色。采用與屋面一體化太陽電池組件，在屋頂平鋪，菱形部分滿鋪（需去除相應(yīng)的排煙窗、通風(fēng)口等位置），中間采用雙面玻璃透光式光伏組件。主題館屋面為雙層構(gòu)造，下層屋面主要解決建筑的防水、保溫和采光等功能性問題，上層菱形屋面則布置太陽能光伏組件，力圖求得建筑形式與功能上的完美結(jié)合，同時達到太陽能光伏建筑一體化的目的。主題館屋面構(gòu)造層如圖5所示。主題館太陽能應(yīng)用如圖6所示。

主題館光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)用特色如下：

○ 大規(guī)模光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電運行方式，主題館光伏建筑一體化并網(wǎng)系統(tǒng)是亞洲最大的單體建筑光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量為2.83MW。

○ 在主題館建筑物設(shè)計階段就根據(jù)建筑物的特點，并考慮到各種類型光伏系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)將太陽能的利用技術(shù)盡可能與人類生活、工作活動相結(jié)合，充分體現(xiàn)出太陽能產(chǎn)品與建筑物的完美結(jié)合，實現(xiàn)有效性、實用性、美觀性和經(jīng)濟性的和諧統(tǒng)一。

○ 采用多種光伏建筑一體化組件。采用了與屋頂一體化組件、大面積透光式光伏組件等。與變化的建筑結(jié)構(gòu)相互配套，既能保證建筑的美觀性，又能產(chǎn)生充足的電力。

3 中國館、世博中心、主題館太陽能系統(tǒng)發(fā)電量及CO2減排

3.1 理論模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命很長，太陽電池組件壽命在20-25年，并網(wǎng)逆變器壽命在10年以上，而且在20年到期之后，太陽電池組件仍然有設(shè)計功率80%的發(fā)電功率，可以繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。

根據(jù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)所處平面的年太陽輻射量，可以計算出太陽能發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量，其計算公式為：

其中P為年太陽電池發(fā)電量；

Ht為年太陽輻射量；

Spv為太陽電池組件面積；

ηx為考慮了溫度修正因子的組件效率，

其中ηe為AM1.5，1000W/m2輻照量、25℃時的太陽電池組件效率；

βπ為溫度修正因子；

Tp為標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度25℃；

Tx為與環(huán)境溫度Tα有關(guān)的值，可通過Evan公式計算，

其中Kτ為月晴空指數(shù)；NOCt為太陽電池組件的正常工作溫度；

η1為并網(wǎng)逆變器效率，一般為95%；

η2為其它光伏損耗，如灰塵覆蓋、組件匹配損失、不可利用的太陽輻射損失、最大功率點跟蹤精度、直流電路損失等，一般為90%（溫度影響因子在ηx中考慮）；

η3為交流并網(wǎng)效率，即從并網(wǎng)逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率，其中最主要的是升壓變壓器的效率，一般為95%。

二氧化碳減排計算公式如下：

其中P為發(fā)電量；

γ1為煤的燃料轉(zhuǎn)化效率，35%；

γ2為火力發(fā)電的輸電和配電損失，8%；

γCO2為CO2排放因子，94.6kg/GJ；

γCH4排放因子0.002kg/GJ，與CO2的轉(zhuǎn)換當(dāng)量γCH4CO2為21；

γN20排放因子0.003kg/GJ，與CO2的轉(zhuǎn)化當(dāng)量γN2OCO2為310。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)上述理論模型計算了中國館、世博中心、主題館光伏建筑建筑一體化系統(tǒng)的發(fā)電量及CO2減排情況。如表1所示，世博園區(qū)中國館、世博中心、主題館光伏建筑一體化系統(tǒng)年平均發(fā)電量約為368萬kWh，年平均減排CO2約3066噸。

表1 中國館、世博中心、主題館光伏建筑一體化應(yīng)用

4 結(jié)論

太陽能發(fā)電是潔凈的能源，未來的太陽能發(fā)電技術(shù)必將在我國獲得大規(guī)模的應(yīng)用，光伏建筑一體化并網(wǎng)系統(tǒng)更是未來光伏應(yīng)用市場的熱點。

世博中心、主題館、中國館光伏建筑一體化應(yīng)用是我國太陽能應(yīng)用的亮點，是目前世界城市中心區(qū)域總?cè)萘颗琶傲械墓夥ㄖ惑w化并網(wǎng)光伏電站，是我國并網(wǎng)光伏發(fā)電領(lǐng)域的成果典范，將推動我國光伏建筑一體化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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[2]李博.淺談光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑一體化應(yīng)用，2008年第2期

[3]G.C.Bakosa,M.Soursosb,N.F.Tsagas.Energy and Buildings,Technoeconomic assessment of a building-integrated PVsystem for electrical energy saving in residential sector,2003,35

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