充气膜建筑的柔性薄膜太阳能供电系统研究

张新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德维环境技术股份有限公司，广东 深圳 518057)

充气膜建筑的柔性薄膜太阳能供电系统研究

张新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德维环境技术股份有限公司，广东 深圳 518057)

介绍了充气膜建筑和柔性薄膜太阳能发电技术的特点及应用，通过负荷计算、光伏阵列设计、发电量计算、设备选型，设计了一种可行的充气膜建筑能耗解决方案，做到了气膜系统建筑能耗上的自给自足，使得充气膜建筑成为零能耗的纯绿色建筑。

充气膜建筑，CIGS柔性薄膜，太阳能，发电技术，光伏控制器

1 概述

“柔性薄膜太阳能气膜系统供电系统”是指应用CIGS柔性薄膜太阳能作为充气膜建筑供电能源。其中柔性有机太阳能柔性薄膜与气膜系统建筑膜材有机结合，通过柔性薄膜太阳能完成太阳能与电能转换、储存等技术，完成充气膜建筑能耗上的自给自足，实现充气膜建筑零能耗纯绿色建筑的理念。

充气膜建筑是一种有鲜明特色的新型建筑方式，它采用特殊建筑纤维膜(柔性材料)作为建筑“外壳”，通过机械系统向室内空间充气，通过内外气压差(室内外压力差一般在250 Pa左右，普通人生理上并无感觉)，使外壳膜面逐渐膨胀成稳定形态，并承受外部荷载与作用。气膜建筑室内无需任何框架或梁柱支撑就能实现大跨度空间，是集建筑学、结构工程、化工学、材料学及计算机学为一体的高科技工程。

2 太阳能光伏发电技术现状

日本、美国和欧洲在太阳能电池的技术开发上处于领先水平。日本新能源产业技术开发机构(NEDO)从1970年成立之日起，就投入巨资开发太阳能电池，对于各种类型的太阳能电池都进行了大量的开发研究。世界上太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅，非晶硅等低成本太阳能电池，第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大规模工业化生产的铜锢稼硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳电池。对于Si系太阳电池来说，无论是单晶、多晶还是微晶Si太阳电池，现在的基片厚度在150 μm～200 μm，虽然转换效率较高，但是其厚度不能减到50 μm以下，制造成本偏大。薄膜Si太阳电池现在的转换效率没有达到10%，只有通过多结的方法才有望提高到10%以上。目前，CIGS薄膜太阳电池组件的效率已经达到13.4，成本也还可以接受。而Si系和CIGS系以外的新材料系太阳电池组件现在尚不能达到10%的转换效率。

3 柔性薄膜太阳能充气膜建筑供电系统方案设计

3.1 负荷计算

经计算，某充气膜建筑机械单元电负荷为风机2×5.5 kW，控制单元1 kW。

设备用电量统计：

额定功率12 kW，电压类型3P380VAC,用电时数24 h,功率因数0.97,用电量297 kWh。

3.2 光伏阵列设计

安装介质为充气膜，考虑到承重、易于安装、美观、可行性等因素，采用汉能公司生产的GSE-275柔性组件，柔性太阳能采用粘贴方式安装。组件峰值功率为275 Wp，峰值电压为51.5 V，开路电压为67.6 V，峰值功率电流为5.3 A，短路电流为6.3 A。

该项目电池组件共计360片，总容量为99 kWp。设计成30个光伏阵列模块，每个光伏阵列模块由12片光伏电池经过6串2并组成，峰值电压为309 V，峰值电流为10.6 A；每2个光伏阵列模块接1台具有2路MPPT的VS-120光伏控制器，共需该控制器15台。光伏阵列连接方式如图1所示；光伏阵列布局图如图2所示。

3.3 发电量计算

根据NASA数据显示，水平面日均峰值小时数为4.02 h；该系统容量为99 kWp，系统效率为0.75；则日均发电量=容量99 kW×峰值小时4.02 h×效率0.75=298.485 kWh，年发电量为10.9万kWh。

3.4 系统原理设计

系统工作原理为：在有光照的情况下，太阳能转换为电能，通过光伏控制器给蓄电池组充电，并通过双向逆变器给交流负载供电；在无光照时，蓄电池会通过双向逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。另外，逆变器还可与市电连或一台柴油发电机连接，在负载用电量大，光伏发电及电池组不足以提供足够电量时，启动市电供电或者柴油发电机供电。

3.5 主要设备选型

系统的主要设备为光伏组件、控制器、逆变器等。

3.5.1 光伏组件选型

光伏组件技术参数:标称功率275 W；最大功率点电压51.5 V；最大功率点电流5.3 A；开路电压67.6 V；短路电流6.3 A；最大保护电流10 A；最大系统电压1 000 V；规格尺寸5 745 mm×494 mm×3 mm。

3.5.2 光伏控制器选型

双路MPPT光伏控制器规格参数：光伏组件最大电流120 A(60 A/MPPT)；MPPT效率0.99；光伏组件最大功率7 000 W；峰值效率0.98；最大开路电压600 V；最低工作电压200 V；MPPT电压范围250 V～500 V；电池额定电压48 V；接入蓄电池电压范围38 VDC～68 VDC； 夜间模式下自耗电1.25 W；尺寸133 mm×332 mm×466 mm；重量7.5 kg。

3.5.3 光伏逆变器选型

双向逆变器规格参数：蓄电池额定电压48 V；输入电压范围39 V～68 V；25度下的额定输出功率5 000 VA；智能增强输出功率6 000 VA；25度下的30 min输出功率7 000 VA；25度下的5 s输出额定功率：3倍额定功率；最大负载：最大短路；最大不对称负载：最大额定功率；负载寻找(待机模式)：2 W～25 W可选； 容许的功率因数0.1～1；最大效率96%,功耗(没有负载)停机/待机/开机：1.8 W/3.8 W/26 W；输出电压正弦波230 Vac(+/-2%)/180 Vac～245 Vac；输出频率：50 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)，60 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)；正弦波失真率THD<2%；过载和短路保护:3次重启尝试后自动切断；过热保护：切断前报警并自动重启。

3.5.4 蓄电池

采用型号为GFM-3000的单体2V3000Ah太阳能专用蓄电池，每块尺寸为586 mm×212 mm×812 mm，共计72块。经过24串联3并联组成48V9000Ah电池组，采用铜排作为直流母线连接输入和输出。蓄电池组占地约11 m2，分三个电池架摆放，每个摆放24块蓄电池。该电池组容量为432 kWh，最大放电深度为80%，放电效率为95%，可提供328.32 kWh电量，考虑温度影响，可连续为负载提供24 h用电量。

3.5.5 直流汇流箱

直流防雷汇流箱安装于靠近光伏阵列的室外合适位置，具有以下特点：光伏阵列开路电压值可达DC900 V； 同时可接入多路太阳电池串联； 熔断器的耐压值不小于DC1 000 V；断路器可承受的直流电压值不小于DC1 000 V； 具有光伏专用防雷模块。

3.5.6 监控及环境监测装置选择

监控装置：监控逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间； 环境监测装置：实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成。可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，其通讯接口可接入监测系统，实时记录环境数据。

3.5.7 系统防雷接地装置选择

为了保证本光伏发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件的损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。 地线是避雷、防雷的关键，在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，选择电厂附近土层较厚、潮湿的地点，挖1 m～2 m深地线坑，采用40扁钢，添加降阻剂并引出地线，接地电阻应小于4 Ω。 直流侧防雷措施：电池支架应保证良好的接地，直流配电柜做防雷器保护装置。 交流侧防雷措施：每台逆变器的交流输出经交流配电柜(内含防雷保护装置)接入设备或者经过转换开关接入市电(发电机)，可有效地避免雷击和浪涌导致设备的损坏，所有的机柜要有良好的接地。

4 结语

应用CIGS柔性薄膜太阳能解决气膜系统供电能源问题，使得充气膜建筑成为真正的绿色建筑，也使得它可以更广泛的运用在资源相对贫乏的地区与领域。本系统通过太阳能与电能在膜材载体上的转换与储存，实现太阳光照充沛时的电能储备与阴暗天气所需电能供给的互补，使得充气膜建筑24 h正常作业。通过智能化管理技术，掌控气膜系统各设备参数的变化与控制，同时还可以实时对储备用电量的监控，以保证在太阳能储备不足时，及时启动应急预案。该柔性薄膜太阳能气膜系统供电系统已于2016年年底正式投入运行，目前工作正常。它的投入运行，必将为今后更多这样的系统积累宝贵的经验,为我国的充气膜建筑利用光伏发电实现建筑能耗上的自给自足提供选型、设计参考。

[1] 温祥杰.从某体育中心的设计浅析太阳能光伏联网发电系统原理及技术要点[J].建筑电气专刊，2006(4)：48-50.

[2] 孟勇强，沈 坚，艾冬梅，等.火力发电厂圆形封闭煤场光伏发电系统的研究[J].电力勘察设计，2015(sup):92-95.

Flexible solar electric panel system on air-supported structures

Zhang Xinwen Guo Yongliang Wang Qin

(Broadwell(Shenzhen)TechnologyCo.,Ltd,Shenzhen518057,China)

The characteristics of air-supported structures and flexible film solar panel technology and solar energy system were introduced through the load calculation, photovoltaic array design, power generation calculation, equipment selection, a real available system servicing for air-supported structure was designed and some specific details were shown, by which the dome can provided itself the power energy and was tested to be a real green building.

air-supported structure， CIGS film， solar, electric technology， photovoltaic controller

1009-6825(2017)03-0200-02

2016-11-12

张新文(1968- )，男，教授； 郭永亮(1970- )，男，高级工程师； 王 秦(1969- )，男，高级工程师

TU201.5

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