太陽能光伏技術及其在中建鋼構大廈中的應用實踐探討

于力海 高長躍 段 譽 林盛正

（中建鋼構有限公司，廣東深圳518000）

0 引言

隨著人類生活水平的提高，人們對能源的需求日益提高。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大、利用經濟、清潔環保等優點。因此，太陽能的利用越來越受到人們的重視，而太陽能光伏發電技術的應用更是人們普遍關注的焦點。一套基本的光伏發電系統一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、逆變器和蓄電池組構成，其中，太陽能控制器是光伏發電系統的核心部分。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，能量大、分布廣、無污染、零成本，是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，太陽能及其相關產業成為世界發展最快的行業之一。

1 建筑屋頂光伏發電系統

1.1 光伏屋面簡介

建筑屋頂光伏發電系統是指在建筑項目竣工建設完畢后，充分利用其建筑屋頂空置的區域，布置一定規模數量的光伏電池組件、支架及配套系統設備，根據地區經緯度等相關數據計算得出屋頂光伏電池組件的最優化傾斜角，安裝系統設備進行太陽能資源采集，使整個系統發電效率最大化，進而轉化發電、儲能等。

1.2 光伏屋面分類

光伏屋面可以分為兩類：

（1）并網光伏屋頂系統：并網光伏屋頂系統由光伏組件、并網逆變器、控制裝置組成。光伏組件將太陽能轉化為直流電能，通過并網逆變電源將直流電能轉化為與電網同頻同相的交流電能供給負載使用并饋入電網。

（2）離網光伏屋頂系統：離網光伏屋頂系統由光伏組件、逆變器、控制裝置、蓄電池組成。以光伏電池板為發電部件，控制器對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。蓄電池可以貯能，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。

1.3 光伏屋面的特點

（1）光伏系統發電是靠太陽能，這樣就可以大大減少由于使用一般化石材料發電所造成的空氣、廢渣污染。由此可見，它能給生態環境保護和綠色節能帶來巨大的效益，并起著十分重要的作用。

（2）建筑光伏系統多分布于建筑的外墻結構及建筑屋面，無需占用地面土地空間，節約了土地資源。

（3）光伏系統可原地發電、原地使用，它除了供自身建筑全部或大部分用電外，還可將多余電量傳輸給電網，因此具有較高的社會效益和經濟效益。

（4）光伏組件一般安裝在建筑的屋頂及墻的立面上直接吸收太陽能，可降低墻面及屋頂的溫升。

2 國內光伏屋面發展現狀

目前，屋面光伏系統在國內城市主要應用于大型公共建筑，以武漢火車站為例，武漢火車站地處青山楊春湖，其頂棚由一個主翼和八個副翼構成。太陽能光伏發電系統建在九個翼棚上面，采用單晶硅板材料，容量2.2 MW，總投資5 800多萬元，是湖北省目前單體最大的光伏發電項目，日均發電超過5 000 kW·h。圖1為武漢火車站屋頂光伏系統。

圖1 武漢火車站

類似公共建筑應用還有場館類，如上海世博中心、浙江義烏小商品交易市場；廠房類，如杭州錢江經濟開發區節能與環保產業園光伏電站等；在中小型辦公寫字樓內，屋面光伏系統的應用未得到大范圍推廣。而國內大量的寫字樓項目，照明等小功率設備可采取新能源供電，相比大型公共建筑可實施范圍更廣、數量更多。

3 中建鋼構大廈光伏項目

中建鋼構大廈地處深圳市南山區，北緯22.5°，東經114.1°，是一棟高達165 m的超高層商務寫字樓。中建鋼構大廈外立面如圖2所示。

圖2 中建鋼構大廈

光伏屋面位于建筑物頂部，南面樓頂采用規格為1640mm×992 mm×40 mm的275 W單晶硅太陽能電池組件，中間玻璃盒子采用規格為1 640 mm×992 mm×8 mm的260 W雙玻多晶硅太陽能電池組件，總面積678 m2。大廈屋頂光伏系統分布如圖3所示。

圖3 屋頂光伏組件平面布置圖

裝機容量為81.8 kW的光伏低壓并網系統，年發電量約為8.78萬kW·h，采用全部自發自用方式。實景圖如圖4所示。

圖4 屋頂光伏實景圖

4 項目經濟性研究及論證

4.1 項目經濟性論證

4.1.1 日照時間計算

根據項目當地氣候條件，借助權威輔助設計軟件PVSYST進行數據查詢，得當地峰值日照時間數據如表1所示。

由表1可知，深圳平均峰值日照時數為3.91 h。

4.1.2 系統損耗系數計算

發電量是由裝機容量與并網光伏發電系統的總效率決定的，并網光伏發電系統的總效率由光伏組件陣列效率、逆變器效率和交流并網效率三部分組成。

（1）光伏組件陣列效率η1：光伏組件陣列在1 000 W/m2太陽輻射強度下，實際的直流輸出功率與標準功率之比。

表1 深圳平均峰值日照時間表

1）光伏組件陣列在能量轉換與傳輸過程中的塵土覆蓋修正：氣候原因導致光伏發電組件表面覆蓋灰塵或積雪造成的發電量損失，取2%。

2）工作溫度損耗修正：

電池板工作溫度可以由以下公式計算：

式中，Tc為電池板溫度；Ta為環境溫度；Kt為晴朗指數，取0.7；NOCT=45℃。

根據當地溫度平均值及電池組件的溫度效率因素：

式中，α為多晶硅的溫度功率衰減因子，本電池板為-0.45%/℃。

計算時考慮各月根據輻照量計算加權平均值，可以計算得到加權平均值為10%。

損失根據實際估算：組件失配損失99%、表面塵埃遮擋損失98%、溫度的影響90%等。綜合以上各項因素，取η1=87.32%。

（2）逆變器的轉換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。逆變器進行電能轉換時的損失包括逆變器轉換的損失、最大功率點跟蹤（MPPT）精度的損失等。對于本項目擬采用的并網逆變器，η2=98.48%。

（3）交流并網效率η3：從逆變器輸出至電網的傳輸效率，其中最主要的是變壓器的效率和交流電氣連接的線路損耗，一般情況下η3為94%～96%，取η3=94.7%。

系統的總效率等于上述各部分效率的乘積，即總體系統效率為：

根據以上各部分的效率和損耗計算，得到系統總體平均效率為81.44%。

4.1.3 系統發電量測算（按并網光伏測算）

光伏電站平均每天發電量約為：

光伏電站首年發電量約為：

光伏電站20年年均發電量約為8.78萬kW·h。光伏組件的輸出功率在光照及常規大氣環境中使用會有衰減，根據本項目擬采用的多晶硅太陽電池組件性能，最大極限按系統25年輸出功率衰減20.0%計算。

一個81.8 kW的分布式光伏并網發電站在當地的20年平均年發電量約8.78萬kW·h，20年總發電量175.69萬kW·h。根據大廈綜合能耗分析報告可得大廈年用電量為436萬kW·h，太陽能光伏發電量占項目全年用電量的比例為8.78/436=2.01%。中建鋼構大廈發電量測算如表2所示。

表2 發電量測算表

4.2 項目環境影響分析

81.8 kW的并網光伏發電站20年平均發電量8.78萬kW·h，跟火力發電對比，太陽能發電可減少污染物排放如表3、表4所示。

表3 年均減少污染物排放量

表4 總減少污染物排放量

傳統的純火力發電站系統，燃煤過程中會產生大量的CO2、SO2、NOx、煙塵及煤灰煤渣等廢棄物。現行傳統火力發電廠每上網發電1 kW·h，標準煤耗費水平大約為305 g，約產生814 g CO2、6.2 g SO2和2.1 g NOx。傳統發電項目對生態環境會造成一定影響，而本項目利用可再生太陽能，通過系統轉變為可供使用的電能，過程中不直接消耗化石能源，且不產生環境污染物。與傳統火力發電站比較，每年CO2減排量可達71.47 t，減排SO2約0.54 t，減排NOx約0.18 t，是無污染的清潔可再生能源。

4.3 社會效應分析

光伏發電是一種清潔的能源，既不直接消耗資源，同時又不釋放污染物、廢料，也不產生溫室氣體破壞大氣環境，也不會有廢渣堆放、廢水排放等問題，有利于保護周圍環境，是一種綠色可再生能源。而且我國絕大多數地區，日照資源特性都比較好，空閑的屋頂較多，安裝太陽能光伏系統在屋面，不但可以提高有限的土地資源利用率，同時還能對建筑物實現有效的隔熱。

5 結語

屋頂光伏發電技術在中建鋼構大廈項目的實施，是對光伏建筑一體化技術的一次實踐，驗證了光伏技術在寫字樓應用過程中產生的巨大經濟與環境效益。隨著國內光伏市場的蓬勃發展，屋頂光伏與光伏幕墻結合應用必將實現光伏技術更大的發展跨越，光伏發電技術在寫字樓的應用更加值得推廣普及，從而為節能環保做出更大貢獻。

[1]李海瀛.太陽能發電系統在建筑中的應用[J].電氣時代，2006（6）：96-97.

[2]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3]李芬，陳正洪，何明瓊，等.太陽能光伏發電的現狀及前景[J].水電能源科學，2011，29（12）：188-192.

[4]郝斌，李現輝.太陽能光伏建筑一體化探討[J].建設科技，2009（20）：32-34.