综述航站楼光伏发电的应用与能效

综述航站楼光伏发电的应用与能效

摘要 : 实现光伏发电系统与新建建筑完美的结合，提供绿色电力，进一步达到了节能和减排的综合效果，同时具备科普教育和示范用。

关键词: 光伏发电 绿色能源 综合效率

工程概况

常州机场位于常州西北角，处于常州与镇江交界。常州机场航站楼属于公用建筑，共二层（地下车库在室外，有通道相连）。占地2.3万平方米，建筑面积为约为5万平方米，是常州机场最大建筑单体。

设计思路

该建筑共为二层，约3.8万平方米，屋顶面积达2.1万平方米，屋面平坦，周围空旷无遮挡，年日照时间约2019小时。航站楼地下汽车库照明用电负荷等级为三级，约为25KW。

利用建筑优势及车库照明要求实现光伏发电系统与新建建筑完美的结合，不占用建筑额外可利用空间和额外的土地资源，达到增加建筑美感；增强建筑本身节能效果；提供绿色电力，进一步达到了节能和减排的综合效果。本项目采用离网型太阳能光伏供电系统，发电直接供负载使用，总安装功率为150kWp。

建筑与光伏系统整合设计

与建筑被动节能设计相结合，光伏组件被安装在航站楼顶部30个天窗，光伏天窗为建筑不可分割的一部分，光伏组件为一种建筑材料。光伏中空透光隔热玻璃直接安装在航站楼顶部天窗，同时具备发电、透光、隔热三种功能，在提供绿色电力的同时，有效降低天窗内外热辐射，减小空调制冷负荷，减少白天内部照明用电量，起到三效节能的作用。

系统构成

本系统为离网光伏发电系统，不做电网接入方案设计。

本项目太阳能光伏发电系统由光伏组件方阵、防雷汇流箱、充电控制器、离网逆变器、低压配电柜、监控显示系统构成。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，直流电力输入控制器，对蓄电池组充电；离网型逆变器从蓄电池取电，将直流电能转换为三相400V50Hz交流电，输入到交流控制柜，向负载供电。系统具有自动市电切换功能，当蓄电池欠压，系统自动切换到市电为负载供电，光伏方阵继续为蓄电池组补充充电，待恢复到一定电压值，自动切换到光伏发电系统为负载供电。系统优先使用太阳能发电为负载供电，系统自身耗能全部来自太阳能光发电。

方案分析

太阳能光伏发电系统由光伏组件、充电控制器、离网逆变器、及配电系统组成，由于太阳能光伏发电系统的一些特点，离网系统的影响主要考虑以下几个方面：

ɪ 由于太阳能光伏方阵发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，直流电输出功率不稳定，系统如果没有稳定措施，势必造成输出电压和功率波动。

ɪ 太阳能光伏发电装置输出的直流电能需经逆变转换为交流电能，将产生一定量谐波，离网供电系统应满足电力系统对谐波方面的要求；

ɪ 离网系统输出功率全部由离网逆变器提供，功率容量有限。难以带动大功率负载或大启动电流负载；三相之间严重的不平衡负载会致系统难以正常运行；

ɪ 系统不另设功率补偿设备，低功率因素负载会致系统效率下降。

ɪ 全部能量来自太阳能光能，出现连续阴雨天或冬季光照较弱的情况下，会出现供电难以持续。

以上问题主要体现在以下几方面：

ɪ 电压波动

太阳能光伏发电场的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照以后，输出功率基本为零。因此，除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功率极不稳定。我们应考虑最严重情况下，系统输出电压的稳定性。

离网系统设置有双重稳压设备，过滤来自光伏电场的发电：蓄电池组、充电控制器和离网逆变器。设计系统时已对光伏发电场最大输出电流和蓄电池组可承受最大充电电流做了匹配，保证蓄电池组能接受光伏发电场的最大输出电流。正常情况下，蓄电池组会将光伏发电场的输出电压变化范围降低到一个较小范围；在蓄电池组充满情况下，控制器会断开光伏发电场的电流输入，以保护蓄电池，防止光伏发电场的高压冲击。在上述正常的直

流输入范围内，逆变器输出的交流电将稳定在规定的范围内。

ɪ 高次谐波

太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过逆变器转换为三相正弦波交流电，输出给负载使用。在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中，会产生高次谐波。

本工程中光伏发电系统采用离网型逆变器将直流逆变为400V交流电，就近供电。逆变后谐波总畸变率为≤5%，完全符合要求。

ɪ 功率平衡

离网系统设计过程中的功率平衡包括三相平衡、负载最大启动功率平衡。本工程使用负载为公共停车场照明和景观灯，设计时已经充分考虑了负载额定功率，负载类型，最大启动功率，启动时间，保证系统的正常运行。

ɪ 能量平衡

离网系统的发电量适当的大于负载用电量，才能保证在任何要求的时间内都能对负载正常供电。事实上这种要求极高，因为难以预测天气的变化，尤其是可能出现多少天连续的阴雨天，如果要求与充分的保证，会致系统造价急剧上升。本系统设计在考虑有一定的连续供电能力外，还设置了市电自动切换供电功能，既保证了供电可靠性，也降低了系统造价。

ɪ 系统自动化运行

本系统为智能化系统，全自动运行，并且设计有较为全面的自身和负载保护功能，因此，系统的运行管理较为简单，无需专业人员值班，只需有人值守，定时巡视。

逆变器： 32位DSP微处理器控制，全智能化，LCD液晶点阵模块显示，可在海拔2000米以下使用。

系统保护功能：输入接反保护、输入欠压保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护。

同时系统设计具有高可靠性、高效率。系统核心设备的智能化设计、高可靠性、全面的保护功能，实现系统的全自动运行，系统的运行、管理、维护工作非常简单。

组件的串并联和汇流箱设计

光伏组件串并联匹配设计会影响系统的正常运行，光伏组件的安装点在航站楼顶部天窗，在中空隔热玻璃的最外层，工作环境复杂，环境温度变化范围大。

设计额定系统直流电压为240VDC，即蓄电池组的额定电压值为240VDC,系统选用的电池类型为免维护密封型阀控式铅酸电池，型号为GFM-1600,数量240只，两组并联使用，每组120只串联。因此蓄电池组浮充电压值为280VDC~284VDC之间。组件串的输出直流电压要高于该电压值系统才能正常工作。

幕墙公司在设计天窗时，每个天窗安装的光伏组件数量为23块，为单数。考虑安装施工方便、节约材料、降低损耗，我们将每个天窗的光伏组件分为两个组件串，即分别为12块和11块一串。考虑组件极端情况下工作温度，结温可达70℃，在此温度下两个组件

串的有功电压范围：

12块串70℃:288 VDC ~372 VDC;

11块串70℃:2VDC ~341 VDC;

在要求的范围内。690块组件分为60串（12块组件30串，11块组件30串），分别接入四台充放电控制器。每台控制器接入15路。

蓄电池的选用与安装

蓄电池是系统的储能设备，离网光伏发电系统完全依赖于蓄电池组来储能并持续提供能量。该部分的设计将包含电池选型、安装、储能与发电的平衡。

本次项目的蓄电池将选用免维护密封阀控式铅酸蓄电池，单体容量1600Ah，电压2V。系统共使用240只，每120只串联，两组并联使用。总储能达768kWh。

“该型蓄电池有如下特点：

 环境温度适用范围宽-15℃~45℃；

 设计浮充寿命达10年(25℃)；

 自放电率小，≤0.1%/天(25℃)；

 运行时的电压一致性好；

 安全性和运行可靠性高；

蓄电池放电时间估算

因为离网系统与公用电网没有连接，给负载提供的能量全部来自于太阳光能，在有太阳光照的情况下，逆变器从蓄电池侧直流母线取电，当方阵发电大于用电时，多余部分将被储存；反之则从蓄电池组取电。在没有光照的时候，逆变器所有取电都来自蓄电池组储能。只有足够的容量来储存能量，才能保证放电时候有足够的放电能力。经计算在使用240只2V1600Ah电池的情况下，可以保证11kW的负载连续使用36小时。此要求只为初始设计，随着蓄电池放电次数的增加，会让使用时间逐渐缩短。依次类推25KW的负载可连续使用17小时。

太阳能充放电控制器

太阳能充放电控制器，通常被称做能源管理器。太阳能充放电控制器是太阳能光伏电源的核心控制设备。在离网光伏发电系统中，控制器承担着蓄电池组的充放电管理，其充电效率将会影响系统效率，对蓄电池组的充电和放电管理将会影响电池寿命。大功率充放电控制器一般采用多路光伏阵列输入、根据蓄电池组端电压逐路切换的控制方式，这种控制方式起到了类似的PWM控制方式（充电电流根据充电状态和电压逐渐增大或逐渐减少），有效的保护蓄电池。

太阳能充放电控制器选择合肥阳光电源生产的SD240150，型号中“240”指蓄电池组额定电压，“150”指能够承受的最大光伏组件输入电流。合肥阳光电源的充电控制器已在包括“国家光明工程”在内的大量光伏工程使用，其可靠性能有保证。

该型控制器共有6路直流输入端。这种大功率的充电控制器，在对蓄电池的充电过程中，根据蓄电池组的实时组压，与内部程序预设比较，来控制电子开关的逐级打开和闭合，以此来控制蓄电池组的充电电流大小和充电电压。这种充电控制方式具有类似PWM的充电控制方式功能。使充电效率得到提升，并保护蓄电池在浮充状态不会被过充。

690块光伏组件共分为60串组件串，接入4台控制器，4台控制器共接两组蓄电池组，两组蓄电池并联使用。组件串的串联方式分为12块和11块，我们在接入每台控制器的时候，每台控制器接入15路，将保持每台15路的一致性，以保持每台控制器内部电压一致。提高可靠性。

3.6逆变器

离网系统逆变器的输出有三相也有单相的，一般情况下离网逆变器难以并接运行。因此一般情况下，对于同一路负载，如果不能分开供电，一般采用单台逆变器的供电方式。逆变器的选型中必须考虑直流输入电压范围与系统设计的直流电压匹配，以免导致控制混乱，缩短设备寿命，尤其是蓄电池寿命。对于离网型电站，因为逆变器不能并接运行，负载类型对逆变器影响非常大，一般情况下，生产厂家对逆变器的负载定义是在使用阻性负载的情况下给出的数据。实际使用过程中，负载类型很多，既有阻性负载，还有感性负载和容性负载。现在常用照明灯具为金卤灯、日光灯、钠灯、碘钨灯、LED灯等，各种灯具的启动功率和功率因素各不相同。额定负载功率是25kW，选择逆变器功率容量达到了75kVA，额定功率60kW，该型逆变器的过载能力达到了120%过载1分钟，150%过载10秒。逆变器的负载能力是有保证的。

市电自动切换

所选逆变器具备有市电切换功能，在蓄电池电压低于216V的情况下，逆变器会停止逆变工作，并自动切换到市电接入和输出模式，是负载的供电方式自动切换到市电供电。以保护蓄电池因过放电缩短使用寿命，并保证负载的正常供电。在蓄电池电压恢复到一定值后，会重新开始逆变，切回太阳能供电。这种自动切换模式可保证优先使用太阳能发电。这种切换完全在没有人工干预的情况下实现。同时可保证系统最大使用绿色能源。

监控显示系统

本次工程为公用建筑BIPV项目，为常州市首例公用建筑BIPV，彰显低碳、环保理念。因此，采用较小成本对光伏系统的运行状态、发电能力向公众显示，将具有非常好的科普和示范意义。

本工程离网监控显示系统采用计算机安装的多机版监控软件来实现，下图是监控系统的方案示意图：

监控软件以WINDOWS2000/XP操作系统为平台。监控计算机通过485总线和电站控制器和逆变器通讯，采集并显示电站各设备运行状况和参数。远程查询电脑通过Internet，使用TCP/IP方式和本地监控电脑连接获取数据，进行电站运行情况的监视和数据显示。

防雷保护设计

与建筑结合的光伏离网系统的组件方阵，一般会被安装在多层建筑或高层建筑的顶部。这在多雷雨的江南地区，遭受雷击而至系统损毁的可能性极高。因此可靠有效的防雷技术的采用对保证光伏发电系统的正常运行极其重要。根据现有防雷技术和我们在以往工程实

施中的经验，在本项目中我们采用多点防雷技术，确保系统的安全可靠运行，主要采用以下技术手段。

直接雷防护

直接雷对安装在户外的光伏组件方阵造成的损害最大。一般建筑顶部都有完善的防雷网。我们在设计安装组件方阵的时候做到：

1) 组件方阵支架可靠接地；

2) 组件方阵尽可能低于建筑顶部防雷网；

3) 如果不能低于防雷网，则另外架设防雷网，并且让组件方阵与防雷网支架有足够的安全距离，以免组件方阵被挡光。

感应雷防护

系统遭受感应雷而致损坏的可能性同样非常高。我们将在系统多处设计安装防雷保护措施：

1) 直流侧将采用双重防雷保护，一重保护在方阵一级防雷汇流箱，将安装专用直流浪涌模块；二重保护在逆变器输入端安装的专用直流浪涌保护模块。

2) 交流侧则在交流配电离网柜安装专用交流浪涌防雷模块。

系统能效计算分析

包括太阳能光电系统效率、发电量、费效比。

太阳能光电系统效率

系统的综合效率系数分为三个部分：直流侧总效率K1，蓄电池充放电效率K2，控制效率K3，逆变器效率K4，电缆损耗（1-K5）。

直流侧的损耗包括电缆损耗、组合损耗、不可利用光、温度、板面污染遮挡、逆变器的MPP损耗。直流总的损耗K1=82.5%。

蓄电池充放电效率取K2=95%

控制器效率取K3=90%

逆变器效率K4=90%。

电缆损耗（1-K5）=4%。

因此，系统总的效率：

K=K1*K2*K3*K4*K5=61%

发电量

常州地区的辐照度每年为1268kWh/m2，太阳能光伏组件的安装角度为0°，常州机场候机楼150kWp光伏项目的年理论初始发电量：

1268kWh/m2×150kWp×61%＝116000kWh，

项目运行期的年平均发电量为10.8103万kWh（注：以年平均衰减率0.65%计）。

费效比

结论

本项目位于常州机场候机楼，太阳能光伏发电场总装机容量为150kWp，平均年发发电量10.81万kWh。

1）常州机场候机楼150千瓦太阳能光电建筑应用示范项目，在考虑财政补贴17元/瓦的前提下，测算20年平均度电不含税价为4.975元/kWh。

2）太阳能产业是清洁能源，能够保护环境，减少温室气体排放，是国家大力提倡和扶持的电力产业。本项目的实施不仅优化了当地能源结构，而且对当地能源结构的转变和经济发展有重大意义。

综上所述，常州机场候机楼150 千瓦太阳能光电建筑应用示范项目建设条件比较优越，财务指标基本满足要求，经济效益和社会效益显著。

节能量计算

该项目装机容量为150kWp，年平均发电量约10.81万kWh，与相同发电量的火电厂相比，每年可为电网节约标煤约36吨(火电煤耗按2007年全国平均值334g/kWh计)，减少CO2排放128吨。光伏发电项目有明显的节能效益。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。