丁世磊 賈艷剛,2 王寶華 劉峰 奚俊婷 劉海洋 邵紹峰 韓玉強(qiáng) 劉志璋

（1. 中電電氣(南京)太陽能研究院； 2. 東南大學(xué)）

一 引言

當(dāng)前全球范圍內(nèi)綠色經(jīng)濟(jì)低碳技術(shù)正在興起，搶占未來發(fā)展制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。目前中國(guó)建筑能耗占總能耗的1/3，總建筑能耗繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)建筑能耗或?qū)⒏哌_(dá)11億t標(biāo)準(zhǔn)煤，中國(guó)建筑節(jié)能迫在眉睫[1]。建筑節(jié)能技術(shù)已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外節(jié)能領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。

目前，建筑光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是世界光伏應(yīng)用的主要形式和當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流，研發(fā)太陽能在建筑中的綜合利用技術(shù)，探究太陽能技術(shù)與建筑的有機(jī)結(jié)合將具有積極而深遠(yuǎn)的意義[2]。

光伏建筑發(fā)展是從示范到推廣，從屋頂光伏到與建筑集成，進(jìn)而發(fā)展為光伏建筑一體化。一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)和日本在光伏建筑一體化方面已經(jīng)有了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。而在國(guó)內(nèi)光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)研發(fā)起步晚，盡管中國(guó)是光伏產(chǎn)業(yè)大國(guó)，但兩頭在外的尷尬局面嚴(yán)重制約了光伏建筑一體化的研究和應(yīng)用發(fā)展[3]。在實(shí)際應(yīng)用方面，由于研發(fā)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，面臨諸多問題，如建筑的陰影分析、組件的配置、排布與系統(tǒng)發(fā)電效率之間的關(guān)系。如何保證組件與建筑之間良好的匹配度，簡(jiǎn)要講，就是如何既能達(dá)到光伏系統(tǒng)效率最優(yōu)化，又能滿足建筑外形美觀和功能實(shí)用的要求。

本文將通過詳細(xì)分析，研究定位在光伏建筑一體化陰影分析、組件最佳傾角與系統(tǒng)發(fā)電效率、雙峰最大功率點(diǎn)跟蹤、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)能變壓器等技術(shù)要點(diǎn)。由于光伏建筑一體化是多學(xué)科、多層面參與合作的系統(tǒng)工程，因此這些問題的解決需要建設(shè)部門、高校研發(fā)機(jī)構(gòu)、企業(yè)、房地產(chǎn)商等共同參與與努力，借助多方優(yōu)勢(shì)，快速提高國(guó)內(nèi)光伏建筑一體化研發(fā)設(shè)計(jì)的水平，為光伏建筑一體化的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，為國(guó)家的節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

二 研究與應(yīng)用

光伏建筑一體化是融合了光伏系統(tǒng)、建筑、美學(xué)、電學(xué)接入等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。設(shè)計(jì)人員從整體概念出發(fā)，綜合考察光伏系統(tǒng)發(fā)電效率、光伏組件與建筑之間的融合和系統(tǒng)的美觀性等因素，考慮如何既能達(dá)到效率最大化，又能滿足建筑外形美觀和功能實(shí)用要求。

光伏建筑一體化在國(guó)內(nèi)起步晚，市場(chǎng)處于發(fā)展初期，在技術(shù)和工程等方面遇到諸多問題。作為重大建筑項(xiàng)目，京滬高鐵南京南站具有自身的特點(diǎn)和特殊的意義，在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)中，除了要考慮當(dāng)?shù)刈罴压夥M件傾斜角度和光伏方陣的前后間距，以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)壓、雪壓，作為整個(gè)建筑物大系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，還需考慮如何使光伏系統(tǒng)與建筑物盡可能完美的結(jié)合。光伏建筑一體化又被稱為建筑物的“第五立面”。未來的京滬高鐵南京南站周邊地區(qū)將會(huì)高樓林立，對(duì)光伏系統(tǒng)在“第五立面”上如何進(jìn)行合理的布置，如何保證光伏系統(tǒng)效率，從而保證業(yè)主的利益是一個(gè)很大的難題。

下面以南京南站屋頂光伏并網(wǎng)示范工程為依托，圍繞光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)闡述工程研發(fā)設(shè)計(jì)中采用的技術(shù)方案和創(chuàng)新成果。

1 南京南站概述

京滬高鐵南京南站除京滬高鐵經(jīng)停外，還接納滬漢蓉鐵路、滬寧高鐵、寧杭城際、寧安城際等多條鐵路，以及多條連接南京市區(qū)和祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)的地鐵、長(zhǎng)途客運(yùn)車站等，是未來南京和華東的重要交通樞紐。該建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)意依托南京六朝古都之底蘊(yùn)、紫金與玄武之靈氣，雕梁畫棟、飛檐斗拱、氣勢(shì)磅礴，盡顯中國(guó)傳統(tǒng)建筑的恢弘氣勢(shì)。京滬高鐵南京南站效果圖如圖1所示。

在建筑物上引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，先要清楚建筑的特點(diǎn)。跟光伏系統(tǒng)有關(guān)的京滬高鐵南京南站的建筑特點(diǎn)為:建筑中軸線南偏東28.4?；無站臺(tái)柱雨棚兩側(cè)各約30m位于主站房挑檐下方；縱橫交錯(cuò)的主桁架和次桁架形成了近4m深方格屋頂。

圖1 京滬高鐵南京南站效果圖

為了便于后續(xù)分析，我們將京滬高鐵南京南站無站臺(tái)柱雨棚區(qū)域劃分為基本站臺(tái)屋頂、主桁架屋頂和方格屋頂，如圖2所示。

圖2 京滬高鐵南京南站雨棚屋頂區(qū)域劃分

2 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

(1)光伏建筑一體化陰影分析和最大輻射量可視化分析

與地面光伏電站不同，在光伏建筑一體化系統(tǒng)中，涉及到建筑周圍環(huán)境的影響，必須研究安裝建筑物的陰影情況[4]。同時(shí)要實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量，需解決光伏方陣最佳傾角的問題。針對(duì)這些問題，研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以光伏和建筑兩方面的理論為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)化的計(jì)算模擬軟件，對(duì)上述技術(shù)難題進(jìn)行攻關(guān)，找到了一種簡(jiǎn)潔有效的解決光伏建筑一體化陰影分析和光伏方陣最佳傾角的辦法。

① 陰影分析

江蘇省DGJ32J 87－2009《太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》第4.3.1條規(guī)定“安裝光伏組件的建筑部位宜滿足冬至日4h日照不受遮擋的要求”。京滬高鐵南京南站的建筑特點(diǎn)決定了該工程陰影分析的難度和復(fù)雜程度。針對(duì)該項(xiàng)目，我院采用計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)，建立了完整的京滬高鐵南京南站計(jì)算機(jī)三維模型，對(duì)雨棚屋頂?shù)年幱扒闆r進(jìn)行了細(xì)致的仿真分析，可分析出全年任意時(shí)刻、任意區(qū)域的陰影情況。

圖3～圖6為陰影分析的部分代表圖。從圖3和圖4可以看出，東西兩側(cè)雨棚屋頂、方格屋頂以及主桁架屋頂在夏至日9～15時(shí)的陰影相對(duì)較對(duì)稱。圖5和圖6中，東側(cè)雨棚、方格屋頂?shù)奈鞑恳约爸麒旒艿臇|側(cè)陰影非常嚴(yán)重，初步認(rèn)為不適合安裝光伏組件，但還需做進(jìn)一步的太陽輻射分析。

圖3 夏至日9～15時(shí)陰影累計(jì)圖

圖4 夏至日9～15時(shí)陰影累計(jì)圖（局部）

圖5 冬至日9～15時(shí)陰影累計(jì)圖

圖6 冬至日9～15時(shí)陰影累計(jì)圖（局部）

②光伏方陣太陽能輻射量的可視化分析

輻照強(qiáng)度依賴于緯度、太陽位置和氣象條件。當(dāng)安裝地點(diǎn)確定后，光伏方陣安裝傾角的選擇是必須要解決的問題。在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的全年日均發(fā)電量最大，即要求光伏方陣傾角調(diào)整至接收到全年最大太陽輻照量[5,6]。

通過陰影分析基本可確定適于安裝光伏組件的區(qū)域。盡管有些區(qū)域有陰影，但陰影過程很短，該區(qū)域的太陽輻射量很高，兼顧到建筑物的整體效果，故這些區(qū)域適合安裝光伏組件。

對(duì)于光伏建筑一體化來說，目前業(yè)界一般采用圖7所示估算各不同朝向的光伏方陣的效率。以當(dāng)?shù)刈罴褍A角和最佳朝向?yàn)?00%作為標(biāo)準(zhǔn)，各不同朝向的光伏方陣的效率均會(huì)有不同程度的降低。但圖7僅用于估算，未考慮遮擋等情況對(duì)不同朝向光伏方陣效率的復(fù)雜影響。

圖7 不同朝向光伏方陣效率估算圖

根據(jù)Hay J E[7]提出的天空散射輻射各向異性的模型，可計(jì)算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接收到的太陽輻照量。結(jié)合該理論和實(shí)際輻照情況，采用專業(yè)的可視化光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件，對(duì)不同地區(qū)、不同朝向的光伏方陣做出精準(zhǔn)的太陽輻射量計(jì)算。依據(jù)南京地區(qū)近15年的氣象數(shù)據(jù)，得出了某一時(shí)段各不同朝向面所接收的太陽輻射量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一時(shí)段內(nèi)朝向東南和西南的面上的太陽輻射并不相同。

③各屋頂太陽輻射量分析

為了得到更科學(xué)詳盡的適合組件安裝的區(qū)域，在上述陰影分析模型的基礎(chǔ)上，我們對(duì)京滬高鐵南京南站各區(qū)域的太陽輻射進(jìn)行了更加細(xì)致的輻射分析。圖8給出了南京南站各區(qū)域太陽輻射示意圖。

圖8 屋頂輻射仿真及區(qū)域編號(hào)

由于接收太陽輻射最大量的光伏組件方陣朝向西南方向，但在建筑領(lǐng)域中，為了減少陽光對(duì)室內(nèi)的直射，降低空調(diào)等設(shè)備的能耗，建筑的門窗一般朝向東南。由圖8可以看出，主站房下方的無站臺(tái)柱雨棚區(qū)域的輻射量非常低，主桁架西側(cè)的輻射量也非常低。

各區(qū)域較南京地區(qū)最佳傾角的不同輻射量比見表1，表中列出方格屋頂和主桁架屋頂未受主站房挑檐影響的區(qū)域、基本站臺(tái)屋頂?shù)娜繀^(qū)域。從分析各區(qū)域的輸出效率比可對(duì)系統(tǒng)安裝區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。

(2)具有雙峰跟蹤的并網(wǎng)逆變器

在光伏電站中，經(jīng)常會(huì)由于建筑物的部分或附近環(huán)境中存在高大物體遮住光伏電池板的一部分，如樹木，鄰近建筑等，這種部分被遮住的現(xiàn)象會(huì)引起光伏電池板整體發(fā)電量的下降，并造成兩個(gè)以上的局部峰值功率點(diǎn)。如果系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在較低的局部峰值功率點(diǎn)，系統(tǒng)將損失大量電能[9]。世界各大光伏系統(tǒng)公司推出了各種主電路拓樸結(jié)構(gòu)及不同控制方式、不同功率等級(jí)的產(chǎn)品。據(jù)德國(guó)漢諾威太陽能研究所報(bào)道，同樣陣列容量在同樣氣象條件下，由于采用了不同構(gòu)造的逆變器，每年送向電網(wǎng)的發(fā)電量可相差一倍之多。由此可見，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)技術(shù)對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電的重要作用。

表1 屋頂各區(qū)光伏方陣輻射量比

研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用理論模擬與實(shí)驗(yàn)試制相結(jié)合的方法，研究多個(gè)局部功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，通過采用最新算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙峰局部最大功率點(diǎn)跟蹤，使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)判斷并一直工作在最大的局部峰值功率點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化。此外，除考慮功率優(yōu)先級(jí)策略、雙峰最大功率點(diǎn)跟蹤外，并網(wǎng)逆變器的技術(shù)設(shè)計(jì)還需結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得實(shí)時(shí)監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)已將研發(fā)成果應(yīng)用于產(chǎn)品和工程中，所開發(fā)的并網(wǎng)光伏逆變器已取得權(quán)威認(rèn)證證書。

(3)光伏組件的選型與布置

① 電池組件的選型

太陽電池是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的光生電動(dòng)勢(shì)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。作為光伏建筑一體化的核心組件，太陽電池的選用關(guān)系到電池效率的發(fā)揮以及建筑功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)系到系統(tǒng)安全、高效地運(yùn)行。電池的特點(diǎn)決定了其應(yīng)用的范圍，晶體硅太陽電池適合用于輻射條件好的位置，以充分利用有限的建筑面積。所以晶體硅太陽電池一般都采用有利于在全年范圍內(nèi)盡可能多接收太陽輻射的情況。結(jié)合前面的技術(shù)分析，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中選用由趙建華博士研制的高效晶體硅太陽電池[10]，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率17.75%，保證了光伏系統(tǒng)較高的發(fā)電量。

② 組件排布分析

具體的光伏組件排布需根據(jù)陰影的動(dòng)向進(jìn)行，以盡可能降低陰影對(duì)光伏方陣的影響。同時(shí)需結(jié)合屋頂?shù)臋_條布置進(jìn)行合理的支架布置，以降低光伏方陣的荷載，更好地應(yīng)對(duì)極端天氣情況。

根據(jù)前面的陰影分析可知，方格屋頂主要受到主桁架產(chǎn)生的陰影的影響，主桁架為南北走向，因此陰影變化為東西向移動(dòng)。

方格屋頂采用尺寸為1580mm×808mm×50mm的光伏組件，如橫向排列(即光伏組件長(zhǎng)邊為東西走向)，則陰影在單塊光伏組件上停留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)光伏系統(tǒng)不利；若豎向排列(即光伏組件短邊為東西走向)，則陰影在單塊光伏組件上停留的時(shí)間相對(duì)橫向排列較短，有利于光伏系統(tǒng)性能的提升。

同時(shí)，京滬高鐵南京南站雨棚采用的是YX-65-400鍍鋁鋅壓型彩鋼直立鎖邊板(圖9)，板間距為400mm；而光伏組件長(zhǎng)邊為1580mm，加上20mm的通風(fēng)散熱間隙，共1600mm(為400mm的4倍)，模數(shù)相匹配。

在光伏建筑一體化項(xiàng)目中，由于安裝區(qū)域的不規(guī)則，有時(shí)需要特種光伏組件。針對(duì)特種組件串并聯(lián)對(duì)系統(tǒng)效率的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別研究特種組件的電壓、電流、功率等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響。分析數(shù)據(jù)表明組件功率相近時(shí)，有助于得到最優(yōu)系統(tǒng)效率，即設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，將功率相近的組件串并聯(lián)，同時(shí)在設(shè)計(jì)優(yōu)化組件排列與連接時(shí)，受陰影影響相同的組件串聯(lián)成一路。

(4)光伏組件固定系統(tǒng)

支架作為光伏系統(tǒng)方陣的主要支撐骨架，其設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到施工屬于多方協(xié)作的復(fù)雜體系，這就要求光伏組件支架系統(tǒng)的安裝要快速、便捷和安全。

圖9 平屋頂(方格屋頂及基本站臺(tái)屋頂)光伏組件布置

南京南站雨棚的初步設(shè)計(jì)屋面是采用壓型鋼板(圖10)，但此種屋面安裝支架時(shí)需用螺釘穿過屋面板，然后安裝固定光伏組件。螺釘中部的黑色部分為橡膠圈，起到防水密封的作用。雖然這種安裝方式能達(dá)到防水等級(jí)的要求，但安裝較復(fù)雜。

圖10 壓型鋼板與組件固定

因此設(shè)計(jì)時(shí)建議采用直立鎖邊的屋面。京滬高鐵南京南站雨棚屋頂為0.80mm厚銀灰色YX-65-400鍍鋁鋅壓型彩鋼直立鎖邊板。通過轉(zhuǎn)接件固定在屋面板的鎖邊部位，然后再安裝支架，不需要用螺釘穿透屋面板，從而提高屋面防水性能，簡(jiǎn)化安裝工序。

(5)非晶合金并網(wǎng)接入系統(tǒng)

光伏建筑一體化要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)接入離不開升壓設(shè)備。接入系統(tǒng)采用中電電氣在行業(yè)內(nèi)首推的第二代非晶合金三相三柱變壓器。該變壓器和普通干變外型尺寸相當(dāng)，占地小，可與開關(guān)柜順利對(duì)接；采用美國(guó)杜邦公司制造的NOMEX紙絕緣系統(tǒng)，絕緣耐熱等級(jí)高達(dá)C級(jí)，可長(zhǎng)期120%負(fù)荷運(yùn)行；產(chǎn)品損耗低，節(jié)能效果顯著，空載損耗降低70%。節(jié)能減排是未來變壓器行業(yè)的發(fā)展方向，在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)中采用節(jié)能變壓器進(jìn)一步保證光伏建筑并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的綠色節(jié)能理念。

在目前節(jié)能減排的號(hào)召下，京滬高鐵南京南站屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用的成功實(shí)施，對(duì)于在城市積極推進(jìn)光伏建筑發(fā)展和建筑新材料使用，加大城市節(jié)能減排力度，推廣光伏建筑一體化具有重要意義。

三 結(jié)束語

本項(xiàng)目依托京滬高鐵南京南站屋頂光伏并網(wǎng)示范應(yīng)用工程進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，取得了一系列應(yīng)用成果。首先提出了陰影三維模擬和最大輻射量可視化分析方法，簡(jiǎn)潔可視化為復(fù)雜工程的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了便捷的分析手段，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間近1/4。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙峰最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，系統(tǒng)效率最大能提高50%。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器，增加系統(tǒng)的發(fā)電效率。統(tǒng)籌設(shè)計(jì)組件的選型、功率相近的串聯(lián)和“串流并壓”；簡(jiǎn)化安裝和防水直立鎖邊屋面設(shè)計(jì)。在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)中的整體優(yōu)化策略，屬于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。選擇性能優(yōu)異的電池和良好節(jié)能的非晶合金變壓器，節(jié)能損耗降低70%，保證了項(xiàng)目的整體節(jié)能效果，為該項(xiàng)目的應(yīng)用樹立了良好的典范。

本項(xiàng)目規(guī)劃總裝機(jī)容量10.67MWp，年平均發(fā)電量不低于923.01萬kWh，與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年節(jié)省標(biāo)煤3138t，每年可減少煙塵排放量約16.6t，二氧化硫約60t以及廢水230.1t。所獲得的研發(fā)設(shè)計(jì)成果對(duì)光伏建筑一體化工程設(shè)計(jì)應(yīng)用具有很大的提升，對(duì)提高我國(guó)光伏建筑一體化的技術(shù)水平、形成建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)具有重大意義。

將太陽能光伏系統(tǒng)與建筑系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，不僅可節(jié)約城市用地，而且可提供清潔電能，同時(shí)減少二氧化碳等溫室氣體的排放，減少煙塵排放和灰渣堆積，提高城市的環(huán)境質(zhì)量，提升人們的生活水平。光伏建筑一體化是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊, 并且有著巨大的市場(chǎng)潛力。光伏建筑一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究和工程技術(shù)的應(yīng)用將帶動(dòng)光電建筑應(yīng)用, 拉動(dòng)太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)建筑節(jié)能減排，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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