深圳軟件大廈BIPV并網光伏發電系統介紹

深圳南玻幕墻及光伏工程有限公司 ■ 馮超 徐寧 邱泉

一 深圳軟件大廈BIPV工程介紹

本項目為綠色建筑示范工程和可再生能源規模化應用國家示范項目，設計及施工對象為深圳高新區軟件大廈。位于深圳市高新區中區高新中一道南側與科技中二路交匯處，占地面積14167m2，建筑面積62535.29m2(其中地上部分建筑面積為47246.36m2，11層；地下建筑面積為15288.93m2，地下2層)，建筑物總高度42.15m。軟件大廈主要使用功能為軟件測試、開發平臺、出口服務、信息服務平臺、軟件企業孵化場所、數據中心、培訓中心、演示及展覽廳、管理辦公、餐廳、停車等。工程建成后將為深圳市中小軟件企業提供良好的孵化場地，為軟件開發和出口提供專業技術支撐和服務平臺，是國家軟件出口基地、國家火炬計劃軟件產業基地重要載體。

為貫徹落實深圳市市委、市政府《關于全面推進循環經濟發展的決定》及市政府《關于研究協調按照綠色環保示范建筑標準建設軟件大廈有關問題的會議決定》精神，軟件大廈建設在常規目標的基礎上，重點體現了保護生態、節能降耗和循環經濟理念，在建筑屋面頂層安裝光伏并網系統，全面按照國內先進、國際公認的綠色建筑標準和循環經濟理念進行規劃、設計、施工、運行。并同時申報三項綠色建筑示范和認證：中國綠色建筑創新獎(定位三星級)；美國LEED標準認證；可再生能源規模化應用國家示范項目(成功完成申報)。光伏并網系統在試運行3個月后，國家發改委能源研究所專家組親臨現場進行鑒定，給予較高的評價。

二 軟件大廈BIPV光伏并網設計

1 系統設計思路

光伏發電系統可有效利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用寶貴的土地資源，這對于土地稀缺的城市尤為重要。光伏發電系統可原地發電、原地使用，減少了電力輸送的線路損耗。太陽電池陣列一般安裝在屋頂及墻面上直接吸收太陽能，發電的同時還降低了墻面及屋頂的溫升，減輕了建筑的空調負荷，降低了空調的能耗。光伏發電有兩種利用方式，一種是傳統的依靠蓄電池進行能量存儲，即獨立光伏系統，蓄電池的存儲容量有限，工程造價較高，且蓄電池使用壽命一般為3～5年，維護費用較高。另一種利用方式為光伏并網系統，當地的電網可看作是一個龐大的儲能系統，將太陽能發電系統所發出的電力輸送到電網中供其他負載使用，而需要用電的負載則從電網中獲取電能，電網起到蓄電池的作用。這就可以完全解決太陽能發電儲能問題。根據太陽能應用技術發展方向，軟件大廈太陽能系統設計思路為光伏并網系統，系統工作原理圖見圖1。

圖1 光伏并網系統工作原理圖

2 系統設計概要

軟件大廈屋頂安裝光伏并網發電系統，系統的設計方案充分考慮了整個光伏系統的荷重、抗風壓能力、樓宇的避雷接地系統、系統的負載變化曲率和系統的發電效率等綜合因素。整個屋面光伏系統共采用2040塊100WP的非晶薄膜太陽電池組件，安裝于屋面鋼結構支撐架構之上(圖2)。

屋面鋼結構工程，立面造型簡潔美觀，由3跨單層組成，總安裝面積為3337.65m2。總長154.872m，總寬21.551m，柱距為8.1m，安裝于標高42.15m的11層樓屋面。鋼柱采用HW400×400×13×21和HW300×300×10×15(用于梯間頂層屋面)，鋼梁采用HN500×200×10×16、HW200×200×8×12及CL(T型鋼)1/2H198×99×4.5×7，材質均為Q235，主鋼梁及鋼柱安裝量為115t，共163根，鋼柱采用預埋地腳錨栓連接；次鋼梁66t，共計176根，鋼柱與鋼梁、鋼梁與鋼梁之間采用10.9s級高強螺栓連接，CL梁與鋼梁之間采用M12普通螺栓連接；部分懸挑鋼梁HN500×200×10×16與鋼梁HN500×200×10×16之間采用10.9s級高強螺栓連接后，翼緣板打坡口焊接加強；檁條安裝21t，共計548根。工程中所用鋼構件均由專業鋼結構廠家加工生產，運輸到施工現場，經自檢及報監理公司檢查合格后，通過塔吊二次搬運至42.15m標高屋面，分開單層堆放，再按安裝圖各就各位吊裝到位，經調平調直后固定。

圖2 軟件大廈屋頂陣列效果

本工程在結構設計階段，經過反復結構計算，充分采用螺栓連接代替焊接，減少了現場發生火災事故的可能性。為減少油漆的二次污染，全部油漆噴涂工作在工廠進行，安全文明施工、綠色施工貫穿于整個施工過程。

光伏并網發電系統共采用2040塊100Wp的非晶薄膜太陽電池組件，5串×408并，33臺由德國SMA公司生產的光伏并網逆變器(包括3臺SB3000和30臺SMC6000A帶變壓器型并網逆變器)，總安裝容量為204kWp，系統年輸出電量為229249kWh/a。整個光伏系統分成33個子系統，每個子系統配置1臺并網逆變器，同時由1套數據采集監控系統完成對整個軟件大廈光伏并網發電系統的數據采集與遠程監控。整個軟件大廈光伏并網發電系統采用多點并網的方式進行運行并網，分成4部分分別與配電室的4個市電聯絡點連接。

三 軟件大廈變配電系統及負荷分析

1 工程負荷等級及負荷計算

本工程IDC機房、電話光纖機房及計算機網絡機房等弱電機房用電，消防用電設備及應急照明等消防負荷屬一級負荷；客梯，生活給水泵，食堂，大報告廳，演示廳，軟件信息服務平臺，軟件出口服務平臺，軟件開發務平臺，1、2、4、11層辦公室屬二級負荷；其他負荷屬三級負荷。

本工程負荷計算采用需要系數法，其主要用電指標見表1。

表1 主要用電指標

2 供電電源及電壓

本工程采用雙電源供電，由城市不同降壓站引來兩路10kV線路，兩路同時工作，互為備用(若供電有難度，也可一用一備，備用自投)。電源擬從高新中一道引入。

3 高、低壓變配電系統

(1)高壓配電室及10kV配電系統

在地下二層設高壓配電室。10kV配電系統采用單母線分段型式。根據供電局要求，高壓配電室內10kV配電裝置采用高壓真空開關柜。

(2)變配電所設置及低壓配電系統

在地下二層設變配電所，和高壓配電室相鄰，內設1250kVA變壓器2臺(TM1、TM2)、800kVA變壓器2臺(TM3、TM4)及630kVA變壓器1臺(TM5)。TM1、TM2主要供大廈照明及辦公用電，TM3、TM4主要供空調末端設備、通風、給排水及廚房動力用電，TM5專供冰蓄冷主機設備。

TM1和TM2、TM3和TM4設聯絡，正常情況下變壓器分列運行，特殊情況下可由1臺變壓器向2段母線供電。另設應急母線段，由TM1、TM2雙電源供電，自投自復，向給水泵、應急照明等重要負荷供電。消防水泵、消防風機、消防電梯等消防用電設備由雙電源供電，并于末級配電箱處切換。

TM3和TM4變壓器計算負荷為1162kW。所帶負荷中，IDC機房空調設備一期為133kW，遠期217kW，為一年四季連續負荷；廚房用電(冷庫為連續負荷除外)、地下室通風設備，湖水處理設備等負荷為一年四季周期性負荷。從以上負荷情況可看出，即便是節假日，TM3、TM4變壓器負荷基本上不會小于200kW。

四 軟件大廈光伏系統介紹

1 光伏系統規模

光伏并網發電系統規模確定由深圳市高新辦委托的軟件大廈綠色建筑咨詢單位深圳市建筑科學研究院提供。

(1)光伏系統裝機容量確定原則

滿足綠色建筑標準要求的光伏系統發電量占大廈年用電量2.5%的要求(美國LEED綠色建筑標準)。

(2)軟件大廈年用電量預測

計算公式：

式中，An為年平均有功負荷系數；Pjs為計算有功功率；Tn為年實際工作時間，h。

Wn=0.64×3293.4kW×3750h(考慮IT企業工作特點)+0.7×123kW(IDC房空調機)×8760h＝7904160+754236＝8658396kWh

(3)光伏系統裝機功率及年發電量要求

光伏系統裝機功率204.00kWp，年發電量約22.08萬kWh，占軟件大廈年用電量的2.55%。

(4)光伏系統裝機功率及年發電量要求

本方案太陽電池組件總安裝容量為204kWp，系統年輸出電量為229249kWh/a。

2 光伏系統設備介紹

整個光伏系統的組成主要包括太陽電池組件、并網逆變器、匯線盒、屋面交流控制箱、配電室交流配電柜、若干動力電纜連接線、安裝支架及監控系統。

(1)太陽電池組件：采用100Wp非晶薄膜太陽電池組件共2040塊。

(2)并網逆變器：采用SMA公司生產的光伏并網逆變器共33臺，包括3臺SB3000和30臺SMC6000A。

(3)匯線盒：采用CSC-PVCB-13和CSCPVCB-06兩種型號的光伏專用匯線盒，匯線盒內置接線端子、直流斷路器、直流防雷模塊及相關附件。

(4)屋面交流控制箱：采用ACC型號的交流控制箱，交流控制箱內置交流斷路器、接觸器、交流防雷模塊、接地端子及相關附件。

(5)屋頂交流配電柜：交流配電柜內置交流斷路器、交流防雷模塊、電能計量儀及其他相關附件，安裝于11層樓屋面配電室內，交流配電柜專用回路用于光伏系統的并網連接。

(6)動力電纜連接線：考慮到電纜的使用場所等因素，光伏系統的動力電纜連接線采用ZR-YJV交聯聚乙烯絕緣交聯聚烯烴護套阻燃電力電纜(0.6/1kV)。

(7)支撐結構：整個光伏組件的支撐結構均采用Q235鋼材，熱鍍鋅處理，風荷載按《建筑結構荷載規范》，按深圳50年一遇的基本風壓0.75kN/m2考慮，該基本風壓相當于12級以上的臺風。

(8)監控系統：采用1套監控系統完成對整個軟件大廈光伏發電系統的數據采集與實時遠程監控。監控系統主要包括數據采集控制器、數據采集傳感器、風速傳感器、監控電腦及其他相關附件。

(9)智能電力測控儀表PSA-E共6臺，其中4臺安裝于屋頂設備房，對交流配電柜進行測控，2臺安裝在地下二層對光伏系統所并入的低壓母線進行測量監視。

(10)數據采集器/通訊管理機PowerSA 1臺，負責采集光伏系統所有設備的數據，包括并網逆變器、環境數據傳感器、智能電力測控儀表等。

3 發電量分析

軟件大廈屋頂安裝光伏并網發電系統，在系統的方案設計中必須充分考慮整個光伏系統的荷重、抗風能力和系統的發電效率等綜合因素。采用瑞士專業的光伏設計軟件，對整個光伏發電系統進行了詳細的分析與設計。系統年輸出電量為229249kWh/a。

4 監控系統

整個軟件大廈光伏并網發電系統的監控系統安裝在圖3所示的電氣值班室內，監控系統主要包括SBC數據采集控制器、Sunny Sensor Box數據采集傳感器、PT100U環境溫度探頭、風速傳感器、通訊管理機、監控電腦及其他監控輔料。

整個軟件大廈光伏并網發電系統通過1套監控系統來完成數據的采集及實時遠程監控，方便維護人員對光伏系統進行維護與檢修。整個監控系統的通訊連接主要包括數據傳感器、并網逆變器、電力測控儀表與數據采集控制器及監控電腦的連接。除數據采集控制器與監控電腦之間的連接是通過以太網接口實現外，其他設備之間的通訊連接均通過柔性帶屏蔽2×2×0.34的數據傳輸線纜實現。

數據采集控制器可直接與大廈的網絡內部局域網進行連接，使此局域網內的任何1臺電腦均可通過輸入特定的IP地址，實時了解整個光伏發電系統的運行狀態及發電量等相關數據，并且可通過Internet進行遠程監視及故障分析功能。

五 社會經濟效益分析

深圳高新區軟件大廈并網光伏發電系統工程建設在深圳高新科技園區軟件大廈屋頂。該光伏系統裝機容量204kW，每年提供超過23萬kWh的綠色電力。對于打造軟件大廈乃至整個高科技園區的整體形象具有重要的示范意義。在宏觀層面，光伏發電示范項目還將帶來很多有益的社會影響。

圖3 監控系統示意圖

1 發展綠色能源

深圳高新區軟件大廈并網光伏發電系統工程是在深圳高新科技園區軟件大廈屋頂上建設的用戶側并網光伏發電系統，是擴寬商業用電大戶能源供應渠道，提高能源供應保障能力的有力實踐。同時，光伏發電系統運營過程不產生污染物和噪聲污染，起到了節煤增電的良好環境效應。

2 節能減排效益

經過對系統的優化配置，使系統工作效率最大化并減小系統因各種可控制因素而造成的損失。每年可節約煤炭83t，減排CO2約215t。為周邊環境帶來積極改善作用。

3 避開用電高峰，緩解電網壓力

眾所周知，用電高峰期多處于夏季午間，而此時的光照最強，是一天中光伏系統輸出功率最大的時段。深圳5～8月份的平均輻射強度為5.08kWh，深圳高新區軟件大廈并網光伏發電系統在夏季用電高峰時段的輸出功率超過900kW，將大大降低大廈用電對電網供電的需求，較大程度的緩解高峰時段的電網壓力。

4 彰顯示范效應

軟件大廈位于深圳高新科技園中區，在軟件大廈屋頂安裝太陽能并網光伏發電工程，既可為大廈辦公提供新型清潔能源供應方式，又能夠充分利用既有空間資源提升傳統辦公寫字樓的科技形象，能夠為類似工程儲備積累技術和數據；對于周邊科技園區的改造具有顯著的示范和帶動作用，也符合科技園區向高新技術產業孵化基地升級的規劃目標，對于打造國際化高新科技園區的整體形象乃至深圳創新之都城市都具有極為重要的示范意義。

與此同時，在備受國內外關注的改革前沿陣地——深圳面臨產業升級的契機下建設光伏發電項目，節能減排科普、教育、宣傳意義深遠。

六 結語

對以上方案進行總結，本光伏并網發電系統主要特點概括如下：

(1)本項目從設計階段開始就已將光伏系統作為建筑的一部分融入到建筑的整體設計當中，實現了真正意義的光伏與建筑一體化(BIPV)設計。

(2)所發電能以自用為原則，在不可逆流的并網方式下工作，不向市政電網輸出電能。通過各種保護措施確保光伏并網發電系統和市政電網的安全運行。

(3)光伏并網發電系統并網點和負荷配電箱共箱，最接近負荷，所發電能以最短路徑送至負荷，最大限度減少了電能損耗，充分利用珍貴的光伏電能。

(4)光伏發電系統運營過程不產生氣、水、固體廢棄物等方面的污染物和噪聲污染，起到了節煤增電的良好環境效應。

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