建筑工程光伏發(fā)電一體化（BIPV）技術(shù)的應(yīng)用研究

中國中鐵建工集團(tuán)安裝工程有限公司 北京 100070

1 工程概況

鎮(zhèn)湖游客咨詢服務(wù)中心項(xiàng)目位于江蘇省蘇州市高新區(qū)鎮(zhèn)湖貢山路與太湖大堤交叉口東南側(cè)，總建筑面積0.95萬 m2，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，鋁合金金屬屋面，南樓地上1 層，北樓地上4 層、地下1 層，建筑高度23.4 m（圖1）。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能多晶硅組件就安裝在鋁合金金屬屋面上。

圖1 屋面深藍(lán)色光伏板組串效果圖鳥瞰

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電組件、直流匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、監(jiān)控裝置、交流匯流防逆流并網(wǎng)配電柜組成。本工程屋面依據(jù)設(shè)計采用平衡荷載分布式安裝936 塊光伏多晶電池組件，系統(tǒng)匯流逆變后標(biāo)稱發(fā)電總?cè)萘繛?15.28 kW，可滿足建筑正常日間照明、動力系統(tǒng)用電負(fù)荷，發(fā)電負(fù)荷與市網(wǎng)供電采用自動檢測，優(yōu)先切換光伏發(fā)電并網(wǎng)的模式供應(yīng)服務(wù)中心各系統(tǒng)供電。

建筑工程光伏發(fā)電一體化（BIPV）主要研究內(nèi)容有光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及施工安裝技術(shù)，全面掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝流程和工藝，其技術(shù)重點(diǎn)在于掌握發(fā)電單元系統(tǒng)組串、固定、分接、匯流、并網(wǎng)設(shè)備安裝及不同線纜敷設(shè)工藝。

本工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)太陽能多晶硅組件和氣象監(jiān)測裝置通過高強(qiáng)度鋁合金軌道和固定件固定安裝在鋁合金屋面上，直流匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器掛墻安裝在建筑第4層的設(shè)備間內(nèi)。設(shè)備間設(shè)置發(fā)電監(jiān)控裝置終端一套，可智能監(jiān)控發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行。交流匯流防逆流配電柜則落地安裝放置在地面1 層的戶外變配電室內(nèi)。

本工程鋁合金屋面整體面積較大且周圍無高大建筑物，采光帶面積為1 328 m2，具備安裝太陽能光伏系統(tǒng)的條件。設(shè)計要求在確保發(fā)電功能的前提下，做到排布有序、美觀。我們通過優(yōu)化固定支架安裝方式、組串模式、連接方案，使光伏安裝緊密配合裝飾觀感，確保與建筑一體化施工。

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)[1-3]

3.1 光伏組件軌道安裝及固定

工程屋面采用厚1.2 mm鋁鎂錳合金金屬屋面，該材料具有良好的剛度和強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)185 MPa，延伸率大于4%，重度僅為2 700 kg/m3，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、機(jī)械加工性能好的特點(diǎn)，同時具有很好的防腐能力，特別適合用于建筑屋面。在本工程中，我們根據(jù)屋面材質(zhì)、拼版工藝的特點(diǎn)項(xiàng)目多方案選擇，最終確定采用定制鋁型材軌道、夾具安裝來固定936 塊光伏組件。

3.2 直流匯流箱安裝

屋面光伏組件分接為78 個組串，按區(qū)劃分每6 組串中先將其中2 對進(jìn)線用防水三通并聯(lián)為1 對，以滿足直流匯流箱4 路進(jìn)線要求，接駁匯流箱后輸出2 對直流電源饋線接至對應(yīng)逆變器。

3.3 逆變器安裝

系統(tǒng)設(shè)置13 臺逆變器，17 kW被動式逆變器將光伏發(fā)電直流電逆變成三相交流電，自反饋閉環(huán)檢測確保逆變器輸出逆變電壓、頻率波形穩(wěn)定，并可檢測市網(wǎng)電壓，如市網(wǎng)斷電或電壓波動較大，逆變器停止發(fā)電逆變輸出，整個光伏系統(tǒng)斷電，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電氣保護(hù)隔離；該逆變器還具有防逆流的功能，如市網(wǎng)電壓瞬時過高，防逆流系統(tǒng)迅速阻斷電流逆流，防止安全事故的發(fā)生。逆變器人機(jī)對話窗口還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時參數(shù)狀態(tài)顯示、輸入直流、輸出交流端口參數(shù)、故障信息、實(shí)時功率顯示、輸出累積、發(fā)電量計量、當(dāng)日、月度、年度發(fā)電量的柱狀顯示累計值、集成并網(wǎng)安全規(guī)范參數(shù)顯示設(shè)置，便于發(fā)電合規(guī)并網(wǎng)。

3.4 監(jiān)測裝置的安裝

項(xiàng)目設(shè)置有并網(wǎng)發(fā)電監(jiān)測裝置1 套，主要監(jiān)控氣象環(huán)境和逆變器運(yùn)行狀態(tài)。氣象環(huán)境監(jiān)測溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、輻照度四項(xiàng)參數(shù)，通過裝于屋面支架上的采集傳感器將數(shù)據(jù)集中到箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀上，再通過RS485通訊線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控裝置終端，顯示屋面環(huán)境的氣象參數(shù)。逆變器狀態(tài)監(jiān)控包括逆變器、前端各組件的工作狀態(tài)、當(dāng)天發(fā)電量、累積發(fā)電量、運(yùn)行狀態(tài)曲線、市網(wǎng)供電狀態(tài)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作運(yùn)行情況。監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置氣象參數(shù)便于系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電監(jiān)控分析，尤其是陽光輻照度和多晶硅組件運(yùn)行曲線對比，如各組串運(yùn)行正常時兩曲線的曲率一致，而且和輻照度的曲線完全吻合，以便于對組件整體的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控分析，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行問題。

3.5 交流匯流防逆并網(wǎng)配電柜安裝

逆變系統(tǒng)的13 路17 kW的逆變輸出交流電經(jīng)交流匯流防逆并網(wǎng)配電柜切換后接入0.4 kV交流低壓柜母排，與市電電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)切換、并網(wǎng)發(fā)電功能，箱內(nèi)設(shè)置有防逆流、防雷保護(hù)、短路保護(hù)、過流瞬斷等保護(hù)并網(wǎng)單元確保交流匯流并網(wǎng)輸電安全。

4 結(jié)語

建筑光伏發(fā)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎮(zhèn)湖游客服務(wù)中心項(xiàng)目的日間照明、動力用電負(fù)荷供電，自2013年7月至2014年5月單臺逆變器發(fā)電輸出累積17 260.8 kW·h，估算發(fā)電總量為23 萬kW·h，有效回收了初期投資并降低市網(wǎng)日間高峰期電能消耗，社會、經(jīng)濟(jì)效益顯著。