充氣膜建筑的柔性薄膜太陽能供電系統研究

張新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德維環境技術股份有限公司，廣東 深圳 518057)

充氣膜建筑的柔性薄膜太陽能供電系統研究

張新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德維環境技術股份有限公司，廣東 深圳 518057)

介紹了充氣膜建筑和柔性薄膜太陽能發電技術的特點及應用，通過負荷計算、光伏陣列設計、發電量計算、設備選型，設計了一種可行的充氣膜建筑能耗解決方案，做到了氣膜系統建筑能耗上的自給自足，使得充氣膜建筑成為零能耗的純綠色建筑。

充氣膜建筑，CIGS柔性薄膜，太陽能，發電技術，光伏控制器

1 概述

“柔性薄膜太陽能氣膜系統供電系統”是指應用CIGS柔性薄膜太陽能作為充氣膜建筑供電能源。其中柔性有機太陽能柔性薄膜與氣膜系統建筑膜材有機結合，通過柔性薄膜太陽能完成太陽能與電能轉換、儲存等技術，完成充氣膜建筑能耗上的自給自足，實現充氣膜建筑零能耗純綠色建筑的理念。

充氣膜建筑是一種有鮮明特色的新型建筑方式，它采用特殊建筑纖維膜(柔性材料)作為建筑“外殼”，通過機械系統向室內空間充氣，通過內外氣壓差(室內外壓力差一般在250 Pa左右，普通人生理上并無感覺)，使外殼膜面逐漸膨脹成穩定形態，并承受外部荷載與作用。氣膜建筑室內無需任何框架或梁柱支撐就能實現大跨度空間，是集建筑學、結構工程、化工學、材料學及計算機學為一體的高科技工程。

2 太陽能光伏發電技術現狀

日本、美國和歐洲在太陽能電池的技術開發上處于領先水平。日本新能源產業技術開發機構(NEDO)從1970年成立之日起，就投入巨資開發太陽能電池，對于各種類型的太陽能電池都進行了大量的開發研究。世界上太陽能電池的發展已經進入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅，非晶硅等低成本太陽能電池，第三代太陽能電池就是高效、低成本、可大規模工業化生產的銅錮稼硒(CIGS)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽電池。對于Si系太陽電池來說，無論是單晶、多晶還是微晶Si太陽電池，現在的基片厚度在150 μm～200 μm，雖然轉換效率較高，但是其厚度不能減到50 μm以下，制造成本偏大。薄膜Si太陽電池現在的轉換效率沒有達到10%，只有通過多結的方法才有望提高到10%以上。目前，CIGS薄膜太陽電池組件的效率已經達到13.4，成本也還可以接受。而Si系和CIGS系以外的新材料系太陽電池組件現在尚不能達到10%的轉換效率。

3 柔性薄膜太陽能充氣膜建筑供電系統方案設計

3.1 負荷計算

經計算，某充氣膜建筑機械單元電負荷為風機2×5.5 kW，控制單元1 kW。

設備用電量統計：

額定功率12 kW，電壓類型3P380VAC,用電時數24 h,功率因數0.97,用電量297 kWh。

3.2 光伏陣列設計

安裝介質為充氣膜，考慮到承重、易于安裝、美觀、可行性等因素，采用漢能公司生產的GSE-275柔性組件，柔性太陽能采用粘貼方式安裝。組件峰值功率為275 Wp，峰值電壓為51.5 V，開路電壓為67.6 V，峰值功率電流為5.3 A，短路電流為6.3 A。

該項目電池組件共計360片，總容量為99 kWp。設計成30個光伏陣列模塊，每個光伏陣列模塊由12片光伏電池經過6串2并組成，峰值電壓為309 V，峰值電流為10.6 A；每2個光伏陣列模塊接1臺具有2路MPPT的VS-120光伏控制器，共需該控制器15臺。光伏陣列連接方式如圖1所示；光伏陣列布局圖如圖2所示。

3.3 發電量計算

根據NASA數據顯示，水平面日均峰值小時數為4.02 h；該系統容量為99 kWp，系統效率為0.75；則日均發電量=容量99 kW×峰值小時4.02 h×效率0.75=298.485 kWh，年發電量為10.9萬kWh。

3.4 系統原理設計

系統工作原理為：在有光照的情況下，太陽能轉換為電能，通過光伏控制器給蓄電池組充電，并通過雙向逆變器給交流負載供電；在無光照時，蓄電池會通過雙向逆變器逆變成交流電，給交流負載供電。另外，逆變器還可與市電連或一臺柴油發電機連接，在負載用電量大，光伏發電及電池組不足以提供足夠電量時，啟動市電供電或者柴油發電機供電。

3.5 主要設備選型

系統的主要設備為光伏組件、控制器、逆變器等。

3.5.1 光伏組件選型

光伏組件技術參數:標稱功率275 W；最大功率點電壓51.5 V；最大功率點電流5.3 A；開路電壓67.6 V；短路電流6.3 A；最大保護電流10 A；最大系統電壓1 000 V；規格尺寸5 745 mm×494 mm×3 mm。

3.5.2 光伏控制器選型

雙路MPPT光伏控制器規格參數：光伏組件最大電流120 A(60 A/MPPT)；MPPT效率0.99；光伏組件最大功率7 000 W；峰值效率0.98；最大開路電壓600 V；最低工作電壓200 V；MPPT電壓范圍250 V～500 V；電池額定電壓48 V；接入蓄電池電壓范圍38 VDC～68 VDC； 夜間模式下自耗電1.25 W；尺寸133 mm×332 mm×466 mm；重量7.5 kg。

3.5.3 光伏逆變器選型

雙向逆變器規格參數：蓄電池額定電壓48 V；輸入電壓范圍39 V～68 V；25度下的額定輸出功率5 000 VA；智能增強輸出功率6 000 VA；25度下的30 min輸出功率7 000 VA；25度下的5 s輸出額定功率：3倍額定功率；最大負載：最大短路；最大不對稱負載：最大額定功率；負載尋找(待機模式)：2 W～25 W可選； 容許的功率因數0.1～1；最大效率96%,功耗(沒有負載)停機/待機/開機：1.8 W/3.8 W/26 W；輸出電壓正弦波230 Vac(+/-2%)/180 Vac～245 Vac；輸出頻率：50 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)，60 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)；正弦波失真率THD<2%；過載和短路保護:3次重啟嘗試后自動切斷；過熱保護：切斷前報警并自動重啟。

3.5.4 蓄電池

采用型號為GFM-3000的單體2V3000Ah太陽能專用蓄電池，每塊尺寸為586 mm×212 mm×812 mm，共計72塊。經過24串聯3并聯組成48V9000Ah電池組，采用銅排作為直流母線連接輸入和輸出。蓄電池組占地約11 m2，分三個電池架擺放，每個擺放24塊蓄電池。該電池組容量為432 kWh，最大放電深度為80%，放電效率為95%，可提供328.32 kWh電量，考慮溫度影響，可連續為負載提供24 h用電量。

3.5.5 直流匯流箱

直流防雷匯流箱安裝于靠近光伏陣列的室外合適位置，具有以下特點：光伏陣列開路電壓值可達DC900 V； 同時可接入多路太陽電池串聯； 熔斷器的耐壓值不小于DC1 000 V；斷路器可承受的直流電壓值不小于DC1 000 V； 具有光伏專用防雷模塊。

3.5.6 監控及環境監測裝置選擇

監控裝置：監控逆變器的運行狀態，采用聲光報警方式提示設備出現故障，可查看故障原因及故障時間； 環境監測裝置：實時監測日照強度、風速、風向、溫度等參數。該裝置由風速傳感器、風向傳感器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成。可測量環境溫度、風速、風向和輻射強度等參量，其通訊接口可接入監測系統，實時記錄環境數據。

3.5.7 系統防雷接地裝置選擇

為了保證本光伏發電系統安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件的損壞等情況發生，系統的防雷接地裝置必不可少。 地線是避雷、防雷的關鍵，在進行配電室基礎建設和太陽電池方陣基礎建設的同時，選擇電廠附近土層較厚、潮濕的地點，挖1 m～2 m深地線坑，采用40扁鋼，添加降阻劑并引出地線，接地電阻應小于4 Ω。 直流側防雷措施：電池支架應保證良好的接地，直流配電柜做防雷器保護裝置。 交流側防雷措施：每臺逆變器的交流輸出經交流配電柜(內含防雷保護裝置)接入設備或者經過轉換開關接入市電(發電機)，可有效地避免雷擊和浪涌導致設備的損壞，所有的機柜要有良好的接地。

4 結語

應用CIGS柔性薄膜太陽能解決氣膜系統供電能源問題，使得充氣膜建筑成為真正的綠色建筑，也使得它可以更廣泛的運用在資源相對貧乏的地區與領域。本系統通過太陽能與電能在膜材載體上的轉換與儲存，實現太陽光照充沛時的電能儲備與陰暗天氣所需電能供給的互補，使得充氣膜建筑24 h正常作業。通過智能化管理技術，掌控氣膜系統各設備參數的變化與控制，同時還可以實時對儲備用電量的監控，以保證在太陽能儲備不足時，及時啟動應急預案。該柔性薄膜太陽能氣膜系統供電系統已于2016年年底正式投入運行，目前工作正常。它的投入運行，必將為今后更多這樣的系統積累寶貴的經驗,為我國的充氣膜建筑利用光伏發電實現建筑能耗上的自給自足提供選型、設計參考。

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[2] 孟勇強，沈 堅，艾冬梅，等.火力發電廠圓形封閉煤場光伏發電系統的研究[J].電力勘察設計，2015(sup):92-95.

Flexible solar electric panel system on air-supported structures

Zhang Xinwen Guo Yongliang Wang Qin

(Broadwell(Shenzhen)TechnologyCo.,Ltd,Shenzhen518057,China)

The characteristics of air-supported structures and flexible film solar panel technology and solar energy system were introduced through the load calculation, photovoltaic array design, power generation calculation, equipment selection, a real available system servicing for air-supported structure was designed and some specific details were shown, by which the dome can provided itself the power energy and was tested to be a real green building.

air-supported structure， CIGS film， solar, electric technology， photovoltaic controller

1009-6825(2017)03-0200-02

2016-11-12

張新文(1968- )，男，教授； 郭永亮(1970- )，男，高級工程師； 王 秦(1969- )，男，高級工程師

TU201.5

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