清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深圳研究室 ■ 徐政 趙天宇 王天宇 趙曉宇

0 引言

在政策鼓勵(lì)和行業(yè)發(fā)展的雙重作用下，我國(guó)光伏裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，其中，分布式光伏電源的比例逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了就地“即發(fā)即用”的高效利用[1]。目前，城市中的分布式光伏電源主要是與大型公共建筑相結(jié)合，如機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、展館、工廠、機(jī)關(guān)單位、學(xué)校和醫(yī)院等公共建筑的屋面，多采用安裝型光伏建筑(Building Attached Photovoltaic，BAPV)形式，注重的是光伏發(fā)電的功能和效益[2-3]。而另一類(lèi)值得關(guān)注的場(chǎng)所是露天停車(chē)場(chǎng)，搭建太陽(yáng)能車(chē)棚不占用額外的空間，還可實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)擋雨和光伏發(fā)電雙重功能和效益，而且光伏組件作為頂棚的主材，真正實(shí)現(xiàn)了光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)[4-6]。

與建筑頂層屋面相比，停車(chē)場(chǎng)所處的環(huán)境較為復(fù)雜。太陽(yáng)能車(chē)棚的朝向受停車(chē)場(chǎng)布局的限制，結(jié)構(gòu)造型既要滿(mǎn)足基本功能需求，又要兼具美化城市的作用，且其發(fā)電效率還受周?chē)ㄖc樹(shù)木等的影響。盡管時(shí)有關(guān)于太陽(yáng)能車(chē)棚建設(shè)的論文和報(bào)道，但是缺少實(shí)際運(yùn)行狀況和效益的后續(xù)介紹[7-8]，未形成能夠共享的技術(shù)與工程經(jīng)驗(yàn)。為了研究太陽(yáng)能車(chē)棚設(shè)計(jì)與控制的關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行特性和效益，積累相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)室結(jié)合新能源學(xué)科研發(fā)平臺(tái)建設(shè)的需要，于2015年在深圳市大學(xué)城清華校區(qū)內(nèi)搭建了較大規(guī)模的多功能太陽(yáng)能車(chē)棚，并開(kāi)發(fā)了配套的控制系統(tǒng)，長(zhǎng)期監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

本文主要介紹了多功能太陽(yáng)能車(chē)棚的整體設(shè)計(jì)方案，包括結(jié)構(gòu)、功能和控制設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，分析發(fā)電效率的影響因素，探討對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施，為太陽(yáng)能車(chē)棚的建設(shè)與推廣提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和參考建議。

1 多功能太陽(yáng)能車(chē)棚的設(shè)計(jì)與建設(shè)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為深圳市大學(xué)城清華校區(qū)的局部航拍圖，露天停車(chē)場(chǎng)位于校園北側(cè)(紅色標(biāo)注區(qū)域)，總面積約1000 m2，共有84個(gè)車(chē)位，分14個(gè)單元，每個(gè)單元可并排停放6輛普通乘用車(chē)；車(chē)棚整體西南朝向，1～5單元的方位角從7°漸變至28°，6～14單元的方位角都為32°。停車(chē)場(chǎng)的前方有多棟5層高的科研樓，后方有高大的樹(shù)木，會(huì)不同程度地遮擋停車(chē)位的陽(yáng)光。為了減輕局部陰影對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，提高弱光條件下的發(fā)電能力，本太陽(yáng)能車(chē)棚選用了薄膜光伏組件。

圖1 停車(chē)場(chǎng)航拍圖

每個(gè)單元的車(chē)棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，如圖2a所示。4組立架采用150 mm×100 mm工字鋼彎制焊接而成，間隔為5 m，上架4根140 mm×140 mm的方通鋼橫梁和22根80 mm×40 mm的C型鋼斜椽。每個(gè)單元由44塊非晶硅薄膜光伏組件(95WP/74V)按4行11列固定在C型鋼上；14個(gè)單元共使用616塊光伏組件，總峰值功率為58.52 kWP。為兼顧外觀造型、發(fā)電效率及雨水自潔等因素，棚頂傾角設(shè)計(jì)為8°，最低離地高度為2.7 m。車(chē)棚整體造型簡(jiǎn)約、輕巧、美觀，強(qiáng)度足以抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。為了滿(mǎn)足研究與實(shí)驗(yàn)的需求，同時(shí)配套建設(shè)了一間45 m2的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的控制中心，如圖2b所示。

圖2 太陽(yáng)能車(chē)棚與控制中心

1.2 功能設(shè)計(jì)

作為新能源學(xué)科的一個(gè)重要研究對(duì)象，筆者對(duì)太陽(yáng)能車(chē)棚進(jìn)行了多功能規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

1.2.1 并網(wǎng)發(fā)電功能

為了開(kāi)展光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究，將432塊總峰值功率為41 kWp的光伏組件用于并網(wǎng)發(fā)電。其中，1～3單元中的112塊光伏組件以8串7并的方式分別接入2個(gè)匯流箱，然后通過(guò)1臺(tái)10 kW雙輸入組串式三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電；4、5、7～14單元中的320塊光伏組件以4串8并的方式分別接入10個(gè)匯流箱，然后通過(guò)10臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的3 kW單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電。由于系統(tǒng)采用的均為非隔離型并網(wǎng)逆變器，因此，需通過(guò)1臺(tái)50 kVA的三相隔離變壓器與電網(wǎng)相連，向科研樓供電。所有并網(wǎng)逆變器均安裝在控制中心內(nèi)，用智能電表和普通電表相結(jié)合的方式采集和記錄并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 控制中心內(nèi)部

1.2.2 景觀照明功能

為了開(kāi)展光伏儲(chǔ)能應(yīng)用的研究，并點(diǎn)綴校園環(huán)境，在太陽(yáng)能車(chē)棚的前檐設(shè)計(jì)安裝了多種色彩組合的LED長(zhǎng)燈與方燈。

每條長(zhǎng)燈的長(zhǎng)度為2 m，若輸入24 V額定電壓，不僅功耗大(約55 W)，過(guò)亮的燈光也與校園氛圍不協(xié)調(diào)。因此，將電壓調(diào)至17 V，紅、綠、藍(lán)3種長(zhǎng)燈的功耗分別降至10.2、5.1、3.4 W，亮度適宜。

車(chē)棚共安裝了9套功耗基本相同(約60 W)的太陽(yáng)能景觀照明系統(tǒng)，每套系統(tǒng)采用4塊光伏組件并聯(lián)輸入，白天通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的控制器對(duì)48V/50Ah的鋰離子電池進(jìn)行具有最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制的智能充電；天黑后自動(dòng)輸出17 V恒壓，點(diǎn)亮LED燈，提供5 h的景觀照明，后半夜關(guān)閉，如圖4所示。

圖4 景觀照明

1.2.3 電動(dòng)車(chē)充電功能

太陽(yáng)能車(chē)棚與充電樁相結(jié)合，不僅能夠同時(shí)解決電動(dòng)車(chē)的停車(chē)與充電問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了光伏電能的就地消納、高效利用。為此，車(chē)棚內(nèi)配套安裝了6個(gè)交流充電樁，如圖5所示。鑒于白天上班時(shí)段停車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)，選用慢充電方式，充電樁額定規(guī)格為220Vac/32A。

圖5 電動(dòng)車(chē)充電樁

目前，充電樁主要是為了滿(mǎn)足多輛B公司生產(chǎn)的T型混合動(dòng)力汽車(chē)的充電。該車(chē)的標(biāo)稱(chēng)電池容量為18 kWh，最大充電功率為3.3 kW，純電動(dòng)續(xù)航里程為80 km。按照通勤往返耗電50%計(jì)算，每輛車(chē)每天充電約9 kWh。充電樁從光伏并網(wǎng)點(diǎn)取電，既保證了高效發(fā)電，又保證了穩(wěn)定充電。假定6個(gè)充電樁每天可為12輛車(chē)充電，則瞬時(shí)最大充電功率為20 kW，全年充電量約40000 kWh。根據(jù)深圳地區(qū)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的普遍表現(xiàn)，41 kWP的光伏容量應(yīng)該能夠滿(mǎn)足上述充電功率和充電量的需求。但由于車(chē)棚所處的環(huán)境較為復(fù)雜，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)電源功能

為了滿(mǎn)足其他光伏應(yīng)用研究的需求，將6單元中的40塊光伏組件規(guī)劃為實(shí)驗(yàn)電源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)整接線方式。例如，在進(jìn)行小型光伏反滲透海水淡化(見(jiàn)圖6)和苦咸水淡化實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用5串8并的接線方式，保證對(duì)三相220 V水泵的變頻調(diào)速控制；在進(jìn)行光伏揚(yáng)水實(shí)驗(yàn)時(shí)，改為8串5并的接線方式，保證對(duì)三相380 V水泵的變頻調(diào)速控制。

圖6 海水淡化實(shí)驗(yàn)

另外，在不同的單元中共預(yù)留了12塊光伏組件，用于太陽(yáng)能廣告燈箱的研發(fā)。

1.3 工程建設(shè)

本項(xiàng)目采用招投標(biāo)的方式確定施工單位和工程預(yù)算。2014年11～12月，建造控制中心；2015年3～5月，搭建太陽(yáng)能車(chē)棚鋼架；2015年5月初～6月中旬，鋪設(shè)光伏組件；2015年8月下旬，完成并網(wǎng)系統(tǒng)接線和景觀照明安裝，車(chē)棚投入運(yùn)行。整體建設(shè)工期持續(xù)10個(gè)月。

系統(tǒng)總造價(jià)約200萬(wàn)元。其中，車(chē)棚鋼架140萬(wàn)元，控制中心建筑花費(fèi)20萬(wàn)元，光伏發(fā)電系統(tǒng)(包括組件、匯流箱、逆變器、電纜等)花費(fèi)20萬(wàn)元，景觀照明系統(tǒng)(包括LED燈、鋰離子電池、控制器等)花費(fèi)20萬(wàn)元。光伏系統(tǒng)中的光伏組件是通過(guò)建立合作關(guān)系購(gòu)買(mǎi)的特價(jià)非晶硅薄膜光伏組件，58.52 kWP組件的總價(jià)為10萬(wàn)元。

實(shí)際推廣應(yīng)用中的太陽(yáng)能車(chē)棚并不需要專(zhuān)用的控制室，景觀照明也可從電網(wǎng)取電，可省去昂貴的鋰離子電池。因此，按照正常的市場(chǎng)價(jià)格和工程費(fèi)用，太陽(yáng)能車(chē)棚的主要成本花費(fèi)在鋼架上，約占70%～80%，景觀照明系統(tǒng)約占5%。若采用高效晶體硅光伏組件，光伏發(fā)電系統(tǒng)約占總成本的25%；若采用非晶硅薄膜光伏組件，占比則降至約15%。

2 環(huán)境條件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

2.1 周邊建筑與樹(shù)木對(duì)光照的影響

停車(chē)場(chǎng)就近建在科研樓旁邊，夏季太陽(yáng)的赤緯角高，大樓不會(huì)遮擋太陽(yáng)能車(chē)棚處的陽(yáng)光；但冬季太陽(yáng)的赤緯角低，陽(yáng)光被大樓遮擋的現(xiàn)象嚴(yán)重。而且如圖7所示，陰影的位置與面積會(huì)隨時(shí)間變化，10月下旬，中午12∶20時(shí)僅有前2排光伏組件被遮擋，但約1 h后，4排光伏組件全被遮擋，且位置也向東偏移。

南方地區(qū)氣候濕熱，樹(shù)木生長(zhǎng)快、樹(shù)冠大。在太陽(yáng)能車(chē)棚的后方(北側(cè))有成排大樹(shù)，尤其在1～5單元處。樹(shù)木對(duì)太陽(yáng)能車(chē)棚的影響有3種形式，如圖8所示。第1種影響形式是遮擋，主要發(fā)生在夏季；第2種影響形式是落花和落葉，加上積塵，若長(zhǎng)期不清掃，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電量；第3種影響形式是強(qiáng)風(fēng)會(huì)吹斷樹(shù)枝，可能損傷光伏組件。

圖7 建筑物造成的局部陰影

圖8 樹(shù)木對(duì)車(chē)棚的影響

2.2 局部陰影對(duì)光伏發(fā)電的影響

2015年8月，系統(tǒng)全部建成開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行狀態(tài)良好。但各單元受建筑和樹(shù)木的影響程度不同，實(shí)際的發(fā)電量也出現(xiàn)了很大差異。其中，4、5、7～14單元的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的配置完全相同，光伏陣列的峰值功率為3.04 kWP。作為對(duì)比的參照系統(tǒng)，R單元是太陽(yáng)能車(chē)棚附近樓頂上的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，全年無(wú)遮擋，采用單晶硅光伏陣列(2.1kWP/傾角20°)和同型號(hào)的并網(wǎng)逆變器，2007年投入運(yùn)行。為了便于比較，將利用小時(shí)TU定義為：

式中，E為一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)電量，kWh；PN為光伏陣列的標(biāo)稱(chēng)峰值功率，kWP。

表1為2016～2017年太陽(yáng)能車(chē)棚及R單元的并網(wǎng)發(fā)電量和年利用小時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，圖9為不同季節(jié)和天氣條件下日利用小時(shí)的比較。

表1 太陽(yáng)能車(chē)棚及R單元的并網(wǎng)發(fā)電量

圖9 利用小時(shí)對(duì)比圖

根據(jù)表1及圖9的結(jié)果可以看出：

1)太陽(yáng)能車(chē)棚因受周邊環(huán)境的影響，年利用小時(shí)明顯低于樓頂?shù)膮⒄障到y(tǒng)。其中，4、5單元被樹(shù)木和落葉遮擋嚴(yán)重，經(jīng)常無(wú)法正常啟動(dòng)運(yùn)行；9～13單元受樹(shù)木和建筑不同程度遮擋的影響，發(fā)電量略低；7、8和14單元面對(duì)兩棟樓之間的空地，建筑遮擋少，但由于頂棚傾角小等原因，利用小時(shí)仍低于參照系統(tǒng)。

2)夏季日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)的赤緯角高，大部分時(shí)間基本沒(méi)有建筑遮擋，且對(duì)車(chē)棚的入射角度好，所以利用小時(shí)遠(yuǎn)高于冬季。夏季，各單元之間的差別較大，樹(shù)木遮擋是主因。而冬季，建筑對(duì)車(chē)棚的遮擋隨時(shí)間移動(dòng)，因此各單元之間的差別相對(duì)較小。

3) 2017年參照系統(tǒng)的利用小時(shí)比2016年增加了8.2%，表明太陽(yáng)輻射量有所增加；而太陽(yáng)能車(chē)棚各單元的利用小時(shí)并未等比例增加，主要原因在于薄膜光伏組件初期性能衰減、表面積塵增厚和樹(shù)木生長(zhǎng)擴(kuò)大了遮擋面積。1～5單元的利用小時(shí)大幅下降的另一個(gè)重要原因是清掃落葉的時(shí)間間隔由2016年的每月1次變?yōu)?017年的每2個(gè)月1次。

4) 2016年與2017年太陽(yáng)能車(chē)棚的總并網(wǎng)發(fā)電量分別為23592 kWh和21830 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足上述電動(dòng)汽車(chē)充電量的需求，還是需要采用市電互補(bǔ)的方式。

2.3 局部陰影對(duì)其他實(shí)驗(yàn)的影響

6單元用作其他光伏應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電源，局部陰影對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響更大。例如，1套小型光伏反滲透海水淡化系統(tǒng)，最大運(yùn)行功率為1.7 kW，最小有效運(yùn)行功率為0.8 kW，用3.8 kWP的光伏陣列供電，理想情況下每天能運(yùn)行6～7 h，淡水制水量為0.8 m3。但11月的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于局部陰影的影響，系統(tǒng)每天只能有效運(yùn)行3～4 h；且由于加壓泵的轉(zhuǎn)速較低，淡水產(chǎn)水量?jī)H有0.4 m3。

3 系統(tǒng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用了4串8并和8串7并的接線方式，局部陰影對(duì)系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電量影響嚴(yán)重。為此，本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了利用微型逆變器提高系統(tǒng)發(fā)電效率的研究。每4塊光伏組件組成一個(gè)獨(dú)立的小單元(380 WP)，采用2串2并的接線方式。首先，針對(duì)薄膜光伏組件輸出電壓高的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了采用“Boost+H橋電路拓?fù)洹钡奈⑿湍孀兤?，每個(gè)小單元單獨(dú)逆變并網(wǎng)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微型逆變器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)小單元的MPPT控制，但其自身成本高、轉(zhuǎn)換效率低。

另一個(gè)解決方案是采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即每個(gè)小單元由1臺(tái)DC/DC控制器實(shí)現(xiàn)MPPT控制，所有輸出并聯(lián)形成直流母線，然后用1臺(tái)大功率逆變器集中并網(wǎng)。為此，我們開(kāi)發(fā)了采用Boost電路的DC/DC控制器，額定功率為380 W，將約140 Vdc的小單元光伏陣列輸出電壓提升至360 Vdc，并實(shí)現(xiàn)MPPT控制。使用光伏模擬電源對(duì)DC/DC控制器進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 DC/DC控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從不同單元中選定32塊光照條件差異較大的光伏組件進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其中，7單元4塊、8單元12塊、9單元8塊、10單元8塊；用8臺(tái)DC/DC控制器分別進(jìn)行MPPT控制，再由1臺(tái)3 kW逆變器并網(wǎng)，并對(duì)直流母線實(shí)施穩(wěn)壓控制；用8只數(shù)碼顯示器監(jiān)控8組輸入的電壓與電流，1只電表記錄并網(wǎng)發(fā)電量。受局部陰影的影響，8組小單元(圖中為“混合單元”)的輸出有明顯差異。圖10為7～10單元這4個(gè)集中單元和1個(gè)混合單元的并網(wǎng)發(fā)電量的實(shí)測(cè)結(jié)果，其中，圖10a為09∶00～17∶00期間8個(gè)時(shí)間段的平均并網(wǎng)發(fā)電功率，7～10單元采用集中單路MPPT控制，混合單元采用8路MPPT控制。由圖10可知，局部陰影對(duì)各單元的影響隨時(shí)間而變，上午7單元和9單元均受影響，下午7單元受影響較大；而9單元在14∶30之后幾乎無(wú)遮擋。

圖10 并網(wǎng)發(fā)電量實(shí)測(cè)對(duì)比

為了定量評(píng)價(jià)混合型并網(wǎng)的效果，可根據(jù)各單元的全天發(fā)電量，按照分布在各單元中的光伏組件數(shù)比例計(jì)算EPA，即：

式中，E7、E8、E9、E10分別為7～10單元的全天并網(wǎng)發(fā)電量，kWh。

對(duì)應(yīng)于圖10，EMIX= 9.22 kWh，而EPA=8.84 kWh，發(fā)電量約提高4.3%。圖10b為2017年12月中22天的實(shí)測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)，晴天條件下局部陰影的影響嚴(yán)重。因此，采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)改善效果更明顯，發(fā)電量最高增加10%，22天的平均增加量為6.8%。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能車(chē)棚既能遮陽(yáng)擋雨，又能進(jìn)行光伏發(fā)電，將成為未來(lái)幾年分布式光伏電站建設(shè)中越來(lái)越受重視的空間應(yīng)用。本文通過(guò)進(jìn)行 實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行，得出以下結(jié)論：

1)太陽(yáng)能車(chē)棚的主要成本來(lái)自鋼架結(jié)構(gòu)，整體造價(jià)高。若根據(jù)已有普通車(chē)棚建設(shè)的規(guī)劃和預(yù)算，頂棚改用光伏組件，成本增加不多，有經(jīng)濟(jì)可行性。

2)周?chē)h(huán)境會(huì)顯著影響太陽(yáng)能車(chē)棚的發(fā)電效率，所以選擇場(chǎng)地時(shí)必須做好現(xiàn)場(chǎng)勘查和評(píng)估工作。

3)通過(guò)采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高局部陰影條件下光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電量。

4)設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)充電樁時(shí)，為了保證高效發(fā)電和穩(wěn)定充電，建議采用光伏并網(wǎng)發(fā)電、充電樁從并網(wǎng)點(diǎn)取電的方式。