太阳能光伏技术及其在中建钢构大厦中的应用实践探讨

于力海 高长跃 段 誉 林盛正

（中建钢构有限公司，广东深圳518000）

0 引言

随着人类生活水平的提高，人们对能源的需求日益提高。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池组构成，其中，太阳能控制器是光伏发电系统的核心部分。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，能量大、分布广、无污染、零成本，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。

1 建筑屋顶光伏发电系统

1.1 光伏屋面简介

建筑屋顶光伏发电系统是指在建筑项目竣工建设完毕后，充分利用其建筑屋顶空置的区域，布置一定规模数量的光伏电池组件、支架及配套系统设备，根据地区经纬度等相关数据计算得出屋顶光伏电池组件的最优化倾斜角，安装系统设备进行太阳能资源采集，使整个系统发电效率最大化，进而转化发电、储能等。

1.2 光伏屋面分类

光伏屋面可以分为两类：

（1）并网光伏屋顶系统：并网光伏屋顶系统由光伏组件、并网逆变器、控制装置组成。光伏组件将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能供给负载使用并馈入电网。

（2）离网光伏屋顶系统：离网光伏屋顶系统由光伏组件、逆变器、控制装置、蓄电池组成。以光伏电池板为发电部件，控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。蓄电池可以贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。

1.3 光伏屋面的特点

（1）光伏系统发电是靠太阳能，这样就可以大大减少由于使用一般化石材料发电所造成的空气、废渣污染。由此可见，它能给生态环境保护和绿色节能带来巨大的效益，并起着十分重要的作用。

（2）建筑光伏系统多分布于建筑的外墙结构及建筑屋面，无需占用地面土地空间，节约了土地资源。

（3）光伏系统可原地发电、原地使用，它除了供自身建筑全部或大部分用电外，还可将多余电量传输给电网，因此具有较高的社会效益和经济效益。

（4）光伏组件一般安装在建筑的屋顶及墙的立面上直接吸收太阳能，可降低墙面及屋顶的温升。

2 国内光伏屋面发展现状

目前，屋面光伏系统在国内城市主要应用于大型公共建筑，以武汉火车站为例，武汉火车站地处青山杨春湖，其顶棚由一个主翼和八个副翼构成。太阳能光伏发电系统建在九个翼棚上面，采用单晶硅板材料，容量2.2 MW，总投资5 800多万元，是湖北省目前单体最大的光伏发电项目，日均发电超过5 000 kW·h。图1为武汉火车站屋顶光伏系统。

图1 武汉火车站

类似公共建筑应用还有场馆类，如上海世博中心、浙江义乌小商品交易市场；厂房类，如杭州钱江经济开发区节能与环保产业园光伏电站等；在中小型办公写字楼内，屋面光伏系统的应用未得到大范围推广。而国内大量的写字楼项目，照明等小功率设备可采取新能源供电，相比大型公共建筑可实施范围更广、数量更多。

3 中建钢构大厦光伏项目

中建钢构大厦地处深圳市南山区，北纬22.5°，东经114.1°，是一栋高达165 m的超高层商务写字楼。中建钢构大厦外立面如图2所示。

图2 中建钢构大厦

光伏屋面位于建筑物顶部，南面楼顶采用规格为1640mm×992 mm×40 mm的275 W单晶硅太阳能电池组件，中间玻璃盒子采用规格为1 640 mm×992 mm×8 mm的260 W双玻多晶硅太阳能电池组件，总面积678 m2。大厦屋顶光伏系统分布如图3所示。

图3 屋顶光伏组件平面布置图

装机容量为81.8 kW的光伏低压并网系统，年发电量约为8.78万kW·h，采用全部自发自用方式。实景图如图4所示。

图4 屋顶光伏实景图

4 项目经济性研究及论证

4.1 项目经济性论证

4.1.1 日照时间计算

根据项目当地气候条件，借助权威辅助设计软件PVSYST进行数据查询，得当地峰值日照时间数据如表1所示。

由表1可知，深圳平均峰值日照时数为3.91 h。

4.1.2 系统损耗系数计算

发电量是由装机容量与并网光伏发电系统的总效率决定的，并网光伏发电系统的总效率由光伏组件阵列效率、逆变器效率和交流并网效率三部分组成。

（1）光伏组件阵列效率η1：光伏组件阵列在1 000 W/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标准功率之比。

表1 深圳平均峰值日照时间表

1）光伏组件阵列在能量转换与传输过程中的尘土覆盖修正：气候原因导致光伏发电组件表面覆盖灰尘或积雪造成的发电量损失，取2%。

2）工作温度损耗修正：

电池板工作温度可以由以下公式计算：

式中，Tc为电池板温度；Ta为环境温度；Kt为晴朗指数，取0.7；NOCT=45℃。

根据当地温度平均值及电池组件的温度效率因素：

式中，α为多晶硅的温度功率衰减因子，本电池板为-0.45%/℃。

计算时考虑各月根据辐照量计算加权平均值，可以计算得到加权平均值为10%。

损失根据实际估算：组件失配损失99%、表面尘埃遮挡损失98%、温度的影响90%等。综合以上各项因素，取η1=87.32%。

（2）逆变器的转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。逆变器进行电能转换时的损失包括逆变器转换的损失、最大功率点跟踪（MPPT）精度的损失等。对于本项目拟采用的并网逆变器，η2=98.48%。

（3）交流并网效率η3：从逆变器输出至电网的传输效率，其中最主要的是变压器的效率和交流电气连接的线路损耗，一般情况下η3为94%～96%，取η3=94.7%。

系统的总效率等于上述各部分效率的乘积，即总体系统效率为：

根据以上各部分的效率和损耗计算，得到系统总体平均效率为81.44%。

4.1.3 系统发电量测算（按并网光伏测算）

光伏电站平均每天发电量约为：

光伏电站首年发电量约为：

光伏电站20年年均发电量约为8.78万kW·h。光伏组件的输出功率在光照及常规大气环境中使用会有衰减，根据本项目拟采用的多晶硅太阳电池组件性能，最大极限按系统25年输出功率衰减20.0%计算。

一个81.8 kW的分布式光伏并网发电站在当地的20年平均年发电量约8.78万kW·h，20年总发电量175.69万kW·h。根据大厦综合能耗分析报告可得大厦年用电量为436万kW·h，太阳能光伏发电量占项目全年用电量的比例为8.78/436=2.01%。中建钢构大厦发电量测算如表2所示。

表2 发电量测算表

4.2 项目环境影响分析

81.8 kW的并网光伏发电站20年平均发电量8.78万kW·h，跟火力发电对比，太阳能发电可减少污染物排放如表3、表4所示。

表3 年均减少污染物排放量

表4 总减少污染物排放量

传统的纯火力发电站系统，燃煤过程中会产生大量的CO2、SO2、NOx、烟尘及煤灰煤渣等废弃物。现行传统火力发电厂每上网发电1 kW·h，标准煤耗费水平大约为305 g，约产生814 g CO2、6.2 g SO2和2.1 g NOx。传统发电项目对生态环境会造成一定影响，而本项目利用可再生太阳能，通过系统转变为可供使用的电能，过程中不直接消耗化石能源，且不产生环境污染物。与传统火力发电站比较，每年CO2减排量可达71.47 t，减排SO2约0.54 t，减排NOx约0.18 t，是无污染的清洁可再生能源。

4.3 社会效应分析

光伏发电是一种清洁的能源，既不直接消耗资源，同时又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，也不会有废渣堆放、废水排放等问题，有利于保护周围环境，是一种绿色可再生能源。而且我国绝大多数地区，日照资源特性都比较好，空闲的屋顶较多，安装太阳能光伏系统在屋面，不但可以提高有限的土地资源利用率，同时还能对建筑物实现有效的隔热。

5 结语

屋顶光伏发电技术在中建钢构大厦项目的实施，是对光伏建筑一体化技术的一次实践，验证了光伏技术在写字楼应用过程中产生的巨大经济与环境效益。随着国内光伏市场的蓬勃发展，屋顶光伏与光伏幕墙结合应用必将实现光伏技术更大的发展跨越，光伏发电技术在写字楼的应用更加值得推广普及，从而为节能环保做出更大贡献。

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