國家體育場太陽能光伏發(fā)電

技術(shù)應(yīng)用的研究

中國建筑設(shè)計研究院

李炳華、王玉卿、王振聲、李戰(zhàn)贈、馬名東、王烈（100044）

摘要:根據(jù)國家體育場現(xiàn)狀條件，對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用進行研究，由地理位置、日照條件、轉(zhuǎn)換效率等因素，得出國家體育場采用單晶硅、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并對其應(yīng)用提出要求。

關(guān)鍵詞:太陽能, 光伏發(fā)電, 并網(wǎng), 獨立, 日照, 國家體育場

Research for Application of Photovoltaic Systemin National Stadium of Beijing

China Architecture Design &Research Group

Chris .B.H. Lee, Wang Yuqing, LiZhanzeng, Mamingdong, Wanglie, Wangzhensheng

（100044）

Abstract: Application of PV system has been researched in National Stadium ofBeijing according to existing condition. Grid-connected Photovoltaic system hasalready been applied by analyzing position of NSB, sunlight, transferring efficiencyfrom solar energy to electrical one, etc. Requirement about application of PVsystem has been pointed out.

Keywords: Solar energy, PV system, Grid-connected Photovoltaic system,Stand-Alone Photovoltaic Systems, Sunlight, National Stadium of Beijing

1 概況

舉世矚目的國家體育場^[1]是2008年北京夏季奧林匹克運動會的主體育場，2008年奧運會期間，該體育場將舉行開幕式、閉幕式、田徑比賽、足球決賽等項目。國家體育場也是北京奧林匹克公園內(nèi)的標(biāo)志性建筑，建成后國家體育場將是中國規(guī)模最大、具有國際先進水平的多功能體育場。國家體育場特有的地位和獨特的造型^[2]，早已為世人所熟知。其“回歸自然”的設(shè)計理念成為各專業(yè)設(shè)計的主線，貫徹奧運建設(shè)全過程，充分體現(xiàn)“科技奧運、人文奧運、綠色奧運”三大理念，并得到國際奧委會的認可和高度贊賞。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)則是這條主線上的一個亮點，在節(jié)能、環(huán)保方面具有重大意義。它可以充分利用清潔能源，節(jié)省資源，減少廢氣排放，減少對地球資源的使用和破壞，保護地球，保護環(huán)境，造福人類，造福子孫，該技術(shù)的研究與應(yīng)用具有很重要的現(xiàn)實意義，社會效益十分巨大。

2 國家體育場的現(xiàn)狀條件

2.1 北京的太陽資源

國家體育場坐落在中國首都北京市，奧林匹克公園的南端。北京市處于華北平原與太行山脈、燕山山脈的交接部位。東距渤海約150公里。其東南部為平原，屬于華北平原的西北邊緣區(qū)；西部是山地，為太行山脈的余脈；北部、東北部也是山地，為燕山山脈的支脈。北京市區(qū)的地理坐標(biāo)約為北緯39.9°、東經(jīng)116. 3°，與羅馬、馬德里及費城位于同一緯度。北京處于溫帶大陸性氣候區(qū)，春季和秋季時間較短，氣候干燥，冬季和夏季較長。北京市全年平均氣溫13.1℃，年日照時數(shù)為2594小時，太陽能資源比較豐富，適合于太陽能光伏發(fā)電等技術(shù)的應(yīng)用，北京太陽能資源比歐洲、日本優(yōu)越得多。

表1 北京市觀象臺歷史氣象信息

注：本表來自于北京氣象局，年平均日照百分率為60.9%。

表2 北京地區(qū)太陽能輻射10年平均數(shù)據(jù)（單位：kWh/M²）

注：月平均輻射量為3.96kWh/M²。該數(shù)據(jù)來自于NASA數(shù)據(jù)庫。

2.2 國家體育場現(xiàn)狀條件

圖1為國家體育場及周邊鳥瞰圖。國家體育場主場四周為廣場，北面為訓(xùn)練場。體育場建筑外面用鋼結(jié)構(gòu)編織成的“鳥巢”，頂部上層為透明的乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜。建筑物四周設(shè)有12個用于安全檢查用的安檢用房，叫做“安檢亭”，在有活動時，安檢亭是第一道安全檢察關(guān)口，也是觀眾驗票入場的第一道門。如圖2所示，安檢亭CP1 位于體育場的西北側(cè)，以此為基準(zhǔn)順時針標(biāo)注安檢亭以次為CP2、……CP12。圖中內(nèi)圈橢圓形為主體建筑外輪廓線，主體建筑為馬鞍形，南北高69.084米，東西高40.138米。外圈連接安檢亭的橢圓形為奧運會時安檢線。安檢亭屋頂近似平頂，頂高4.37米。

圖1 國家體育場總圖

圖2 安檢亭的位置

根據(jù)國家體育場建筑、結(jié)構(gòu)特點，太陽能電池板安裝部位見表3。

表3 太陽能電池板安裝位置分析

因此，綜合各種因素，太陽能電池板安放在安檢亭屋面上。

3 國家體育場日照分析

3.1 基本概念

表4為有關(guān)日照的基本概念，它們對日照分析、經(jīng)濟技術(shù)比較起到很重要的作用。

表4 日照的基本概念

3.2 日光計算與日照分析

圖3 安檢亭日照分析

圖3為計算機仿真計算圖，圖3a冬至日光分析圖，清晨當(dāng)太陽躍出地平線時，太陽位于東偏南，體育場主體建筑在西北側(cè)留下長長的影子（圖中左側(cè)紅線）。隨著上午-中午-下午-黃昏，體育場建筑的影子也由西北側(cè)逐漸地移動?xùn)|北側(cè)。圖中畫出了每隔一小時體育場留下的影子?？梢钥闯?，西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)安檢亭或多或少有些遮擋，這對太陽能的利用帶來影響。圖3b為6月22日夏至日日照分析圖，圖3c為秋分日日照分析圖，圖3d為3月21日春分日照分析圖，他們都有類似的結(jié)論。經(jīng)過仿真，得出圖4各個安檢亭日照參數(shù)，相關(guān)參數(shù)標(biāo)注在每個安檢亭旁。

應(yīng)該說明，日照分析按歐洲委員會定義的101號標(biāo)準(zhǔn)條件下進行分析，其條件是：光譜輻照度為1000W/m²，光譜為AM1.5，電池溫度為25℃。太陽能電池的輸出功率在此條件下定義的。

綜合上述日照分析，12個安檢亭的日照時間見表5。南側(cè)三個安檢亭CP6、CP7、CP8具有很好的日照條件，平均日照時間大于9小時，完全可以利用。東西兩側(cè)的安檢亭CP5、CP4、CP9、CP10日照條件較好，平均日照時間在6小時以上，可以利用其裝設(shè)太陽能電池方陣。北部的安檢亭CP1、CP2、CP3、CP11、CP12平均日照時間在4小時以下，太陽能利用價值不高，經(jīng)濟上也不合適，不宜在其上裝設(shè)太陽能電池方陣。

注意！平均日照時間T為在歐洲委員會101號標(biāo)準(zhǔn)條件下，某處一年中獲得的總的可照時數(shù)除以365天，單位為小時。

因此，平均日照時間不同于可照時數(shù)，它考慮到建筑物遮擋等因素；它也不同于實照時數(shù)，它沒有計及天氣的影響。實際照射到安檢亭上的陽光時數(shù)應(yīng)為：

Tr =T×η (1)

其中, Tr--實際日照時間，單位：小時；

T--平均日照時間，單位：小時；

η--日照百分率，單位：%；

圖4 各個安檢亭日照參數(shù)

表5 各安檢亭的日照時間T

4 國家體育場太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)簡介

圖5 太陽能半導(dǎo)體晶片

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。如圖5所示，上部為N型半導(dǎo)體，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的4個電子，在半導(dǎo)體中摻入硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生1個空穴，這個空穴因為沒有電子而變得非常不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成N型半導(dǎo)體。同理，圖5中下半部，硅原子中摻入磷原子后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成P型半導(dǎo)體。

圖6 太陽能電池方陣的布置

當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)^[3]。光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生成一對正負電荷，PN結(jié)區(qū)域的正負電荷被分離，形成外電流場。如果將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間，負載上將有電流流過。太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個高于基能能量的光子僅產(chǎn)生一個自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，致使太陽能電池的效率下降。太陽能半導(dǎo)體晶片通過有序的組合形成太陽能電池組件，若干太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池方陣。

4.2 電池板設(shè)置位置的確定及安裝要求

從經(jīng)濟、技術(shù)兩個方面綜合分析，國家體育場在CP4、CP5、CP6、CP7、CP8、CP9、CP10七個安檢亭屋頂上布置太陽能電池板。太陽能電池板安裝有以下要求：

1）滿足建筑師總體美觀要求，太陽能電池板平放在屋頂上，并有2%坡度，以利排水；

2）具有良好的散熱要求，電池板距屋面有縫隙，便于通風(fēng)；

3）便于維護、保養(yǎng)；

4）CP1、CP2、CP3、CP11、CP12不宜安裝太陽能電池板的安檢亭，屋面采用與太陽能電池板相似或相同顏色的材料，便于從高處（例如，奧運會時航拍）觀看到良好的景觀；

5）太陽能電池方陣應(yīng)固定牢固，并多點固定，能夠抵擋12級風(fēng)。固定件應(yīng)防腐。

因此，太陽能電池板采用三排布置方式，參見圖6。

4.3 系統(tǒng)運行方式的確定

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。兩者特點比較見表6。

表6 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立運行與并網(wǎng)運行比較

安檢亭分散在體育場主體建筑物四周，用于安全檢查，平時沒有賽事時，安檢亭不需用電，如果采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，白天儲存的電能無法使用，因此，獨立光伏系統(tǒng)不適合在本工程使用，應(yīng)采用并網(wǎng)系統(tǒng)。太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能供體育場內(nèi)用電負荷使用，當(dāng)太陽能發(fā)電不足時由市電補充。

4.4 光伏發(fā)電組件的選擇

光伏發(fā)電組件可以采用非晶硅材料，也可以采用晶體硅型組件，兩者特點見表7。

表7 非晶硅組件與晶體硅組件的比較

綜合各種因素，本工程選用單晶硅太陽能組件。每個安檢亭屋面面積約193平方米，每個安檢亭均采用BIPV光伏發(fā)電組件，組成太陽電池方陣，太陽能電池方陣1800mm長、900mm寬、厚7mm。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，預(yù)計每個安檢亭組成14.4kW的太陽能電站，七個安檢亭太陽能發(fā)電共預(yù)計100.8kW。

目前，該方案正在深化設(shè)計中。

4.5 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的通信要求

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具有通信功能，將光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)收集，并實時顯示相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)可以通過Internet發(fā)布相關(guān)信息。

通信協(xié)議：OPC、TCP/IP、DDE。

在12個入口處LED信息顯示屏（賽事使用11塊）顯示太陽能相關(guān)信息，在貴賓入口處設(shè)置一塊固定屏。

4.6 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)環(huán)保分析

據(jù)計算，采用100.8kW 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，一年可發(fā)電約883MWh，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約336噸，減少二氧化碳排放約215噸，減少二氧化硫排放約5.2噸。

5 結(jié)束語

國家體育場太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用，是落實奧運“三大理念”的具體體現(xiàn)。目前該設(shè)計正在深化之中，力求將該技術(shù)進一步完善。

參考資料：

[1]“中國國家體育場”，李興鋼，《主辦城市，經(jīng)濟導(dǎo)報特刊》Spring2006；

[2] 《智能建筑電氣技術(shù)精選》，中國電力出版社，2005年5月第一版

[3]《新能源在建筑中的應(yīng)用》王長貴、鄭瑞澄主編，中國電力出版社，2003年7月第一版

[4]“國家體育場場地照明設(shè)計初探”李炳華，《建筑電氣技術(shù)文集》（2003年），全國建筑電氣設(shè)計技術(shù)協(xié)作及情報交流網(wǎng) 編，兵器工業(yè)出版社，2003年10月第1版