光伏发电的建筑一体化集成案例分析

文 // 郭其峰 郑州大学

1 项目应用基本情况

郑州大学光电建筑应用示范项目位于郑州市高新技术开发区的郑州大学新校区内，在食堂、工科组团、校医院建设光伏发电系统，项目总投资5600万元。

示范项目校园楼顶可用面积约2.4万m2，光伏组件效率16%，太阳能光伏电源系统光电转换效率13.1%，并网后光伏组件年发电量为2498400kWh，项目费效比0.94元/kWh。

1.1 示范项目的技术特点

图1

太阳能并网发电系统在原有的线路基础上增加，采取尽量不改造原有回路的原则。因此，将光伏系统的并网点选择在低压配电柜上。

考虑到并网系统在安装和使用过程中的安全及可靠性，在并网逆变器直流输入加装直流配电接线箱。

并网逆变器采用与电网相同的三相四线制的输出方式。

采用屋顶花园与太阳能光伏发电一体化相结合的方式，利用光伏板的雨水回收喷淋系统对植被进行喷淋回灌，在充分利用太阳能的情况下，改善建筑室内热环境，创造绿色的生态微循环。

1.2 光伏组件的安全措施

屋顶栏杆（或女儿墙）离太阳能光伏组件边缘距离不应小于1m（如图1）。

太阳能光伏电源系统的工作接地、保护接地、防雷接地等应单独设置联合接地系统，必要时，也可与其他设施或建筑物的防雷和接地系统的保护设施统一考虑。光伏组件至控制箱（柜）的电源输入馈线端应设置防雷电感应装置。

太阳能电池直流侧采用防雷电涌保护器，起到防雷击保护作用。

本工程低压配电系统接地型式采用TN-S 系统。其中性线和保护地线（PE）在接地点后要严格分开。凡正常不带电，而当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳均应可靠接地。

整个系统通过多种保护如过/欠压，过流，过载，防雷等保护实现稳定运行。

并网光伏系统必须配备必要的检测、并网、报警、自动控制及测量等一系列功能，特别是必须具备防止“孤岛效应”的功能，以确保光伏系统和电网的安全。

系统配备逆功率控制保护系统，可根据设定的电流方向与电流大小进行检测，并给出相输出信号控制执行机构动作,控制光伏发电系统回路投入与切断并网运行，当出现电流反向倒送电时，光伏发电系统回路切断并网运行，以达防止逆功率倒送的功能。

2 EMS智能节能监管平台的安装与数据上传

EMS智能节能监管平台利用在控制器、逆变器等设备嵌入安装仪表，通过CAN总线或RS485通讯的方式将数据上传到监管平台。可监测平行于光伏组件的太阳辐照度、室外温度、光伏组件背面表面温度及发电量等数据，并可通过节能监测平台查询辐照度、温度等环境参数和即时功率、发电量等系统运行数据及系统运行状态。

EMS智能节能监管平台人机交互界面及部分功能如图2、图3和图4。

3 屋顶花园与太阳能光伏发电一体化的结合

项目采用的光电建筑一体化是光电系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光电系统。项目的设计以不损害和影响建筑效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，通过合理的建筑设计、发电系统设计和结构安全性与构造设计，实现光电系统与建筑的和谐统一，充分与周围环境协调一致，既美观又实用。

图2

图3

图4

3.1 屋顶花园

项目所采用的屋顶花园不但为师生提供了一个休憩的舒适场所，还是保护生态环境、调节小气候、净化空气、提高绿化覆盖率、降低热岛效应的措施。此外弧顶花园还有保护建筑物，减少日光辐射，降低室内环境温度与湿度，减缓屋顶风速等作用，如图5。

3.2 中水回用喷淋系统

郑州大学利用本校现有的污水处理科研力量，启用雨水利用工程。本着雨污分流、分质处理的原则，主要利用人工湿地和膜生物处理技术，对水质较稳定的盥洗用水和洗浴废水进行处理。利用现有的蓄积雨水的方涵，收集的雨水经过简单处理，经由喷淋系统起到清洗光伏板、灌溉植被的作用，如图6。

利用光伏板的雨水回收喷淋系统对光伏板清洗、降温以增加发电效率，同时还对屋顶花园的植被进行喷淋回灌，在充分利用太阳能的情况下，改善建筑室内热环境，创造绿色的生态微循环。

图5

4 环境效益和社会效益

4.1 节能减排

太阳能光电的建筑应用，有利于减少CO2、SO2及粉尘的排放，有利于减少煤炭消耗等化石能源的消耗。

按照电厂供电每千瓦时消耗标准煤400g计算，该项目安装的太阳能光伏发电系统每年发电量2498400kWh，每年可替代标准煤999.36t。同时，相应减少CO2排放2468t，减少SO2排放20t，减少粉尘排放10t。对减少温室气体排放、减轻能源紧张和环境压力，起到积极的推动作用。用奠定基础。

图6

4.2 光伏电站对周围环境的影响

光伏电站建立在郑州大学新扩建的校区，运行的过程中没有噪音污染。鉴于电站与建筑的完美结合，电站不设在地表，不损坏校区绿化和植被，对生态环境没有影响。

4.4 提高公众对光伏发电技术的认识

社会公众对光伏发电技术的认识直接影响着光伏发电系统的规模化应用，该示范项目的建成，将向社会公众展示光伏发电的优越性，以直观数据扭转公众简单地以能源价格来评判其优劣的偏见。

4.3 确立中部地区太阳能光伏建筑应用模式

该示范项目适合在河南省及我国中部相似地理特征、气候状况和建筑风格的地区建设，为中部地区太阳能光伏建筑的规模化应

4.5 带动河南光伏产业，促进地方经济发展

河南光伏产业虽起步较晚，但近年来发展迅速，在一定程度上代表着我国中部地区光伏产业的发展水平。鉴于目前我国光伏系统的应用现状以及河南省的经济条件，该工程的建成，对于推动河南光伏产业的规模化应用，促进光伏相关产业链的形成和发展，起到了一定的促进作用。