某工業園區建筑一體化光伏系統電氣設計

楊路，黃偉東，劉悅

(中國聯合工程有限公司，杭州 310052)

1 引言

建筑一體化光伏系統 （Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是指在建筑上安裝光伏系統，并通過專門設計，實現光伏系統與建筑的良好結合[1]。為完成我國2030年達到碳排放高峰、2060年達到碳中和的目標，必須強化太陽能等清潔可再生能源在建筑中的推廣應用力度。為此，GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》第5.2.1條規定新建建筑應安裝太陽能系統[2]。該規范為強制性工程建設標準，全部條文必須嚴格執行。規范中所講的“太陽能系統”，包括太陽能熱利用系統、太陽能光伏發電系統和太陽能光伏光熱（PV/T）系統3類。對于電氣專業而言，涉及的即太陽能光伏發電系統，本文也僅討論光伏發電系統。

筆者從事工業建筑電氣設計多年，結合某工業園區建筑一體化光伏系統（BIPV）電氣設計實例，對電池選型、系統組成、監測系統等全流程進行了詳細介紹，給出了具體的參數計算和發電量估算結論，可供相關工程技術人員參考。

2 項目概況及系統概況

圖1為某工業園區二期的鳥瞰圖。項目二期包含5幢單體建筑，分別為試驗檢測中心（辦公樓）、綜合服務樓（食堂+宿舍）以及1#、2#、3#生產樓。其中，試驗檢測中心地下室和3#樓一層分別設置變電所。本文僅以3#樓屋面光伏一體化系統為例進行電氣設計。

圖1 某工業園二期鳥瞰效果圖

常見的建筑光伏發電系統分類方式如表1所示。

表1 建筑光伏發電系統分類

本工程3#樓占地面積為1 983 m2，建筑面積9 531 m2，建筑高度21.6 m。大樓自一期高壓室引入一路10 kV電源供電，變電所位于一層，設1臺1 250 kV·A的10/0.4 kV變壓器。本工程為中型系統，自發自用，余量上網。3#樓單體屋面約1 660 m2，但除去必要的設備用房等，結合場地條件及組件布置要求，設計安裝標準光伏組件240塊。為方便設計施工及減少投資，本工程不采用微逆變器，只采用一種并網逆變器。將240塊光伏組件分為3組，通過匯流箱接入3臺并網逆變器。

3 系統各部分組成

光伏電池是光伏發電系統最基礎也是投資最大的器件，大致可分為晶體硅和薄膜電池兩大類，這兩大類的特性比較見表2[3]。

表2 晶體硅電池和薄膜電池特性比較

經過成本比較及各方面利弊權衡，本工程采用多晶硅光伏組件，其主要的技術參數如表3所示。

表3 本工程多晶硅組件主要參數

3#樓及園區其他單體屋面均為混凝土屋面，組件采用支架固定安裝在屋面，正面朝南，傾斜角經計算取22°。同樣的，逆變器和匯流箱也采用支架設置在屋面，交流配電箱則設置在屋面預留的專用配電間（電井）內。

如前文所述，240塊組件分成3組，每組80塊，20塊串聯，4組并聯。系統組成從直流發電端到交流輸出端依次包括光伏組件、組串電纜、過流保護器、匯流檢測裝置、逆變器、交流配電柜、并網柜等。系統中的部分典型器件選擇如表4所示。

表4 B I P V系統主要器件選型參數

因本項目的光伏組件最佳工作電流為8.2 A，最佳工作電壓為29.88 V，光伏方陣為20串04并，故輸出電流峰值為8.2×4=32.8 A，輸出電壓峰值為29.88×20=597.6 V，輸出峰值功率為19 600 Wp，故逆變器選擇額定輸出功率20 kW。將3路逆變器輸出通過ZC-YJV-0.6/1 kV-（5×10）電纜依次接到交流配電柜、并網柜、配電室即可。由于本單體為工業廠房，且對溫度、濕度有一定要求，故3路60 kWp的發電能力基本為自發自用，只有當節假日或檢修時才會出現余量上網的情形。但為確保安全，本工程仍然按“自發自用、余量上網”的運營模式設計，在并網點設置并網電能表。

4 節能效果估算和監測系統

經過估算，理論上本單體3#樓的光伏系統年均發電量約6.34萬kW·h，本工程的工業園區合計有5幢單體建筑，屋面面積基本相同，理論上合計年發電量約30萬kW·h。即使按照工業用電1元/（kW·h）的均價估算（不同地區電價不同，峰谷電價也不同，此處僅為估算方便），每年也可為公司節約電費約30萬元。

GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》第8.7.7條規定，大、中型光伏發電站應采用計算機監控系統[4]。JGJ/T 365—2015《太陽能光伏玻璃幕墻電氣設計規范》第6.1.1條也規定，大型光伏幕墻系統宜設置監測系統[5]。據此，本工程設置光伏發電監測系統。該系統的數據采集系統主要包括3部分：數據采集器、環境監測設備和光伏系統電參數監測設備等。每個部分的組成及光伏發電監測系統示意圖分別如表5和圖2所示。

圖2 光伏發電監測系統示意圖

表5 光伏發電檢測系統組成

5 結語

本文結合某工業園區工程實例，以其中一幢廠房為例，詳細介紹了該廠房的建筑一體化光伏系統（BIPV）設計，并估算了該單體以及園區的年發電量，可為相關工程技術人員提供借鑒與參考。筆者相信，隨著光伏發電系統在建筑領域越來越廣泛的應用，一定會創造更多的綠色清潔能源，有效助力我國“2030碳達峰，2060碳中和”目標的如期實現！