小型離網式光伏發電技術在民用建筑中的應用

鄭新陽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院， 河南鄭州 450000)

小型離網式光伏發電技術在民用建筑中的應用

鄭新陽

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院， 河南鄭州 450000)

簡要介紹了太陽能光伏發電的構成、分類、適用范圍。結合工程實例，分析了小型離網式光伏發電技術在民用建筑中應用的方式、方法，闡述了光伏發電技術結合LED燈應用于公共照明系統的優勢及光伏發電技術存在的問題。

太陽能光伏發電技術 應用 優勢 問題

1 太陽能光伏發電系統的組成

太陽能光伏系統(solar photovoltaic(PV) system)系指利用太陽能電池的光伏效應，將太陽輻射能直接轉換為電能的發電系統，簡稱光伏系統。

太陽能光伏發電系統由太陽能電池板、太陽能控制器、 蓄電池(組)組成。如輸出電源為220 V或110 V，還需配置逆變器。

2 光伏發電系統的分類

按照是否接入公共電網可分為并網式光伏系統和離網式光伏系統。

按負荷形式可分為直流系統、交流系統和交直流混合系統。

按系統裝機容量的大小分為微型系統(2 kW以下)、小型系統(2～20 kW)、中型系統(20～100 kW)、大型系統(100 kW以上)。

3 各類光伏發電系統的適用范圍

中型和大型離網式光伏發電系統一般適用于偏遠無電網地區。

小型或微型離網式光伏發電系統往往適用于一個或若干個單元的樓梯間照明或道路燈。

對于并網式光伏發電系統，由于政策、管理和技術等原因，對于該系統的應用尚處于理論探討和初步試驗階段。

4 小型離網式光伏公用照明系統設計實例

4.1 工程簡介

本工程為鐵道京沙家園2號樓，一類高層住宅建筑(地上28層、地下1層)，總建筑面積23 469.03 m2，共2個單元。

4.2 方案選擇

(1)方案選擇的依據

2008年鄭州市建設委員會下發了鄭建辦[2008]101號文《關于在全市民用建筑工程中推廣應用太陽能的通知》，其中規定：總建筑面積在10 000 m2以上的新建住宅組團、住宅小區和居住區的公共照明部分，如樓梯間、次級道路、草坪燈，必須采用太陽能光伏發電技術和LED產品。對于擅自取消太陽能應用系統的項目，不予辦理竣工備案手續。

依據鄭建辦[2008]101號文要求，并結合工程實際狀況，設計擬在樓梯間及公共走道照明部分采用太陽能光伏發電技術和LED產品。

(2)照明燈具的選擇

目前LED燈有AC220V和DC24V兩類。若采用AC220V燈具，則需配置逆變器，勢必增加工程投資。另外，直流燈具由于電壓波動小、無諧波干擾等優勢，其使用壽命遠遠大于交流燈具。

因此，本次工程選用DC24V、LED燈具。

(3)負荷計算

本建筑樓梯間采用剪刀梯，每層樓梯間需設置2套照明燈具；每層公共走道長度為16 m，按照設置4套照明燈具考慮。

所以，一個單元需設照明燈具6套×29=174套。

由于電力、通信、水暖豎井亦屬于公共照明范圍，所以，還需考慮照明燈具3套×29=87套。

所以，一個單元共需設照明燈具174套+87套=261套。

具體負荷統計結果見表1。

表1 負荷統計

由表1可以看出：一個單元公共照明部分的負荷為1.305 kW。全樓公共照明部分的負荷小于1.305 kW×2=2.61 kW。

(4)光伏發電系統的選擇

基于上述負荷計算結果，本次工程擬采用小型光伏發電系統(2～20 kW)。

鑒于本次公共照明部分負荷容量較小，并考慮投資原因，新設光伏發電系統不考慮接入公共電網，即采用離網式。

樓內公共照明部分負荷容量為2.61 kW，考慮室外公共照明因素，光伏發電系統容量按照4 kW進行設置。

因此，本次工程采用小型離網式光伏發電系統(4 kW)。

4.3 設計方案

(1)系統設置

本樓采用一套小型離網式光伏發電系統(4 kW)對公共照明進行供電，太陽能光伏板置于屋頂。

本方案采用一套光伏發電控制柜對本樓公共照明進行控制，控制柜設于電梯機房層樓梯間內(也可設于電管井)，明掛于墻上，尺寸為900 mm×600 mm×300 mm。

每個樓梯間的燈具容量約為1.3 kW，相對應的太陽能光伏板的面積約為7 m2，燈具均采用直流LED燈。高層住宅步梯使用的概率不是很高，故樓梯間燈具的使用時間設為1 h/d，蓄電池的容量也按此設計。

(2)配電系統的設置

光伏發電控制柜共輸出四路直流電源，分別為兩個單元的公共照明供電。

每個單元設置雙電源切換配電箱1臺，對公共照明進行分回路供電，線路沿墻垂直敷設。雙電源切換配電箱電源一路來自太陽能光伏板，一路來自公共照明雙切箱的一個專用回路。光伏發電為主，市電旁路為輔。平時利用光伏發電為蓄電池充電，供樓梯間照明；當陰雨天檢測到蓄電池電壓過低時會自動轉換到市電旁路為蓄電池充電，供公共照明。

5 優勢分析

太陽能光伏發電過程中沒有機械轉動部件也不消耗燃料，并且不排放包括溫室氣體在內的任何物質，具有無噪聲、無污染的特點；再加上太陽能資源沒有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭。因此，與其他新型發電技術(風力發電與生物質能發電)相比，太陽能光伏發電具有更大的優勢和潛力。

上述設計方案采用光伏發電技術，結合LED燈具實現公共樓梯及過道照明，形成一個獨立的供電系統。光伏發電輸出直流電源直接應用，損耗低、投資小、實用性強。

發電與供電電壓均為安全電壓(直流DC24V)，避免發電與負載端因誤操作而帶來的安全隱患。

6 與傳統公共照明系統的性價比分析

6.1 負載能耗對比

以鐵道京沙家園2號樓為例，對各種燈具以日使用量為1 h計算案例，對各種燈具的年耗電量、年電費做對比(如表2)。

表2 負荷能耗對比

由表2可以看出，LED燈的年能耗分別占到其他類型燈具年能耗的15.6%、20%、8.3%。

6.2 使用壽命和維護成本對比

白熾燈使用壽命一般為1 000 h，節能燈、環形管吸頂燈使用壽命一般為3 000 h，而LED燈使用壽命一般為50 000 h。

由此可以看出，LED燈的長期維護成本幾乎為零。

6.3 初期投資對比

白熾燈：261×15元=3 915元

節能燈：261×26元=6 786元

環形管吸頂燈：261×75元=19 575元

LED燈：261×98元=25 578元

對比傳統燈具中的白熾燈和節能燈來講，初次投資會高些。

6.4 綜合評價

用電量省，燈具壽命長等優勢，使LED燈具遠遠超過傳統燈具，屬于一次投資長期利益，從節能、低碳、環保等方面遠遠超過傳統燈具(如果是多個單元，則優勢更為明顯)。

7 存在的問題及相關思考

7.1 存在的問題

太陽能光伏發電系統部件，包括控制器、逆變器、光伏專用蓄電池等的國家標準待批準完善，缺少自動向日跟蹤系統的標準。

太陽能電池板的光電轉換率低，不能滿足人們的用電需求，阻礙了太陽能光伏發電技術在民用建筑領域的推廣。

太陽能電池板生產成本高，阻礙了太陽能光伏發電技術在民用建筑領域的推廣。

太陽能光伏發電系統處于初期發展階段，價格偏高，只適合局部小范圍適用。

7.2 建議

加緊制定國家標準，使整個行業有技術標準可依，規范市場，保證質量。如果沒有標準或標準出臺不及時都會直接影響產品或工程質量，也不利于市場的有序發展。

靠近和采用IEC標準有利于產品和系統的國際化，有利于出口。

充分利用日照曲線特性，合理使用太陽能；合理布局供電系統，最大化利用太陽能。

采用新工藝、新材料降低太陽能電池板生產成本，增加其使用壽命，提高其工作效能。

[1] 李安定.太陽能光伏發電系統工程[M].北京:北京工業大學出版社，2001

[2] 紀雯.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版杜,1998

[3] 王長貴，王思成.太陽能光伏發電實用技術(第二版)[M].北京:化學工業出版社，2009

[4] 方榮生，等.太陽能應用技術[M].北京:中國農業機械出版社，1985

SmallOff-GridPhotovoltaicTechnologyApplicationinCivilArchitecture

ZHENG Xinyang

2013-11-20

鄭新陽(1966—)，男，1987年畢業于河南廣播電視大學鐵道電氣專業，工程師，E-mail：QTIZZXY@126.COM。

1672-7479(2014)01-0107-03

TU18

： B