中国馆世博中心主题馆太阳能应用技术

1上海太阳能工程技术研究中心有限公司 2上海申能新能源投资有限公司

郝国强1赵国靖2刘 勉2 于霄童1 吴 洲1 李红波1

1 引言

光伏建筑一体化是未来太阳能在城市中应用的主要形式。2010年上海世博会太阳能的应用主要集中于永久场馆中国馆、世博中心及主题馆上，应用形式为光伏建筑一体化并网系统，其中涉及到光伏与建筑结合技术、光伏建筑一体化组件技术及大功率并网逆变技术等，这些技术与生态、建筑、采光、材料等技术在世博园区中得到了统一的展示，将成为我国高科技普及教育的活教材，对上海市民乃至全国人民的环保意识、节能意识起到促进作用。

2 中国馆、世博中心、主题馆太阳能应用

2.1 中国馆太阳能应用

上海世博会中国馆位于世博园区主入口的突出位置。中国馆由国家馆、中国地区馆、港澳台馆三部分组成。总建筑面积为16.05万平方米。太阳能应用主要集中于国家馆上。

中国馆光伏建筑一体化应用效果如图1所示，太阳能应用主要在屋顶面应用。在建筑的最高顶面68米平台四周采用高效单晶硅光伏组件，使建筑顶面形成一圈黑色的镶边，与红色框架互相映衬，增强了建筑的韵律感。此外，在建筑60米平台的挑檐部分采用了光伏玻璃幕墙组件，使整个挑檐部分效果更加美观。如图2所示。光伏组件安装面保持平行和平齐，保持屋顶的整体风格。中国馆光伏建筑一体化系统装机容量为0.3MW。

中国馆光伏建筑一体化系统应用特色如下：

○ 针对中国馆具有传统中国特色的建筑，采用太阳能发电系统具有一定的独创性，使中国馆建筑将传统与现代、科技与美学完美的结合在一起；

○ 光伏玻璃幕墙组件的应用，将发电与节能结合为一体，减少了热辐射，使建筑更加节能环保。

2.2 世博中心太阳能应用

世博中心位于世博园区B区滨江绿地内，世博中心广泛应用了新能源、新技术和新材料，太阳能光伏建筑一体化是其中新能源应用的主要形式。世博中心建筑外表面多为平面结构，方正、宽广，非常适合作为太阳能发电的载体。建筑屋顶结构为一个巨大的长方形，屋面上的建筑结构由西向东依次为屋顶花园、南北两座设备间、采光天顶、下沉式屋面、电梯机房以及中央直升机停机坪。根据建筑物的这些特点，世博中心太阳能的应用主要集中于屋顶。在屋顶中心及四周部分区域铺设高效单晶硅太阳电池组件，在屋顶设备房南立面应用光伏遮阳式组件，以增强世博中心太阳能系统的显示度。世博中心光伏建筑一体化系统总装机容量约1.04MW。效果如图3所示。图4为世博中心屋顶太阳能应用实景图。

世博中心光伏建筑一体化系统应用的特点是：

○ 在世博中心建筑设计阶段就根据建筑物的特点，并结合太阳能的特点，考虑光伏建筑一体化系统的应用，设计出符合世博中心建筑整体效果的太阳能应用方案，充分体现光伏与建筑的和谐统一。

○ 世博中心屋顶采用屋顶绿化与光伏组件间隔排布的方式，将太阳能绿色能源的意义体现的淋漓尽致，并将世博中心建筑科技性与美观性完美体现出来；

○ 采用了光伏遮阳组件，既能保证建筑的美观性，又能产生充足的电力，达到一物多用，多种功能统一。

2.3 主题馆太阳能应用

上海世博会主题馆位于上海世博会规划围栏区B片区世博轴西侧。主题馆屋面作为第五立面，其形态构思来自于对上海城市肌理中最具特色的——“里弄”的抽象，屋面形态采用菱形与三角形结合的立体构图，屋面面积达 6.4万平方米。太阳能光伏发电系统主要应用于主题馆屋顶上。屋顶平面虽不如立面对建筑效果的影响大，但仍然是一个不能忽视的平面，况且在世博园区内，从卢浦大桥、南浦大桥上可以清晰的看到主题馆的屋顶形态，因此屋顶太阳能电池组件的排布要考虑到整体的效果。主题馆屋顶采用富有韵律的波浪形，在屋顶采用与屋顶一体化光伏组件，替代部分屋顶材料构成有规律性的图案，使主题馆的屋顶具有特殊的艺术效果及鲜明的科技特色。采用与屋面一体化太阳电池组件，在屋顶平铺，菱形部分满铺（需去除相应的排烟窗、通风口等位置），中间采用双面玻璃透光式光伏组件。主题馆屋面为双层构造，下层屋面主要解决建筑的防水、保温和采光等功能性问题，上层菱形屋面则布置太阳能光伏组件，力图求得建筑形式与功能上的完美结合，同时达到太阳能光伏建筑一体化的目的。主题馆屋面构造层如图5所示。主题馆太阳能应用如图6所示。

主题馆光伏建筑一体化系统应用特色如下：

○ 大规模光伏建筑一体化并网发电运行方式，主题馆光伏建筑一体化并网系统是亚洲最大的单体建筑光伏建筑一体化并网发电系统，装机容量为2.83MW。

○ 在主题馆建筑物设计阶段就根据建筑物的特点，并考虑到各种类型光伏系统的应用，实现将太阳能的利用技术尽可能与人类生活、工作活动相结合，充分体现出太阳能产品与建筑物的完美结合，实现有效性、实用性、美观性和经济性的和谐统一。

○ 采用多种光伏建筑一体化组件。采用了与屋顶一体化组件、大面积透光式光伏组件等。与变化的建筑结构相互配套，既能保证建筑的美观性，又能产生充足的电力。

3 中国馆、世博中心、主题馆太阳能系统发电量及CO2减排

3.1 理论模型

光伏发电系统的寿命很长，太阳电池组件寿命在20-25年，并网逆变器寿命在10年以上，而且在20年到期之后，太阳电池组件仍然有设计功率80%的发电功率，可以继续并网发电。

根据太阳能发电系统所处平面的年太阳辐射量，可以计算出太阳能发电系统年发电量，其计算公式为：

其中P为年太阳电池发电量；

Ht为年太阳辐射量；

Spv为太阳电池组件面积；

ηx为考虑了温度修正因子的组件效率，

其中ηe为AM1.5，1000W/m2辐照量、25℃时的太阳电池组件效率；

βπ为温度修正因子；

Tp为标准条件下的温度25℃；

Tx为与环境温度Tα有关的值，可通过Evan公式计算，

其中Kτ为月晴空指数；NOCt为太阳电池组件的正常工作温度；

η1为并网逆变器效率，一般为95%；

η2为其它光伏损耗，如灰尘覆盖、组件匹配损失、不可利用的太阳辐射损失、最大功率点跟踪精度、直流电路损失等，一般为90%（温度影响因子在ηx中考虑）；

η3为交流并网效率，即从并网逆变器输出至高压电网的传输效率，其中最主要的是升压变压器的效率，一般为95%。

二氧化碳减排计算公式如下：

其中P为发电量；

γ1为煤的燃料转化效率，35%；

γ2为火力发电的输电和配电损失，8%；

γCO2为CO2排放因子，94.6kg/GJ；

γCH4排放因子0.002kg/GJ，与CO2的转换当量γCH4CO2为21；

γN20排放因子0.003kg/GJ，与CO2的转化当量γN2OCO2为310。

3.2 计算结果

根据上述理论模型计算了中国馆、世博中心、主题馆光伏建筑建筑一体化系统的发电量及CO2减排情况。如表1所示，世博园区中国馆、世博中心、主题馆光伏建筑一体化系统年平均发电量约为368万kWh，年平均减排CO2约3066吨。

表1 中国馆、世博中心、主题馆光伏建筑一体化应用

4 结论

太阳能发电是洁净的能源，未来的太阳能发电技术必将在我国获得大规模的应用，光伏建筑一体化并网系统更是未来光伏应用市场的热点。

世博中心、主题馆、中国馆光伏建筑一体化应用是我国太阳能应用的亮点，是目前世界城市中心区域总容量排名前列的光伏建筑一体化并网光伏电站，是我国并网光伏发电领域的成果典范，将推动我国光伏建筑一体化产业的发展。

[1]谢昌富.光伏建筑一体化组件，太阳能，2003年第4期

[2]李博.浅谈光伏发电系统的建筑一体化应用，2008年第2期

[3]G.C.Bakosa,M.Soursosb,N.F.Tsagas.Energy and Buildings,Technoeconomic assessment of a building-integrated PVsystem for electrical energy saving in residential sector,2003,35

[4]苑金生.太阳能光伏器件与建筑一体化，太阳能，2008年 第01期

[5]姜志勇.光伏建筑一体化(BIPV)的应用，建筑电气，2008年 第06期

[6]Hao Guoqiang,Li Hongbo,Chen Mingbo.Application and development of buildingintegrated photovoltaics(BIPV)system in China,Solar World Congress 2007