萬(wàn)科大梅沙太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

李炳華、董青、朱永斌、鄒正達(dá)等

1、LEED評(píng)估體系

隨著人類日益增長(zhǎng)的資源消耗需求，能源緊缺和環(huán)境污染成為擺在人類面前迫切需要解決的問(wèn)題。早在上世紀(jì)七十年代，世界能源危機(jī)已經(jīng)使發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始認(rèn)識(shí)到節(jié)能環(huán)保的重要性，逐步興起綠色建筑運(yùn)動(dòng)。1993年，綠色建筑重要組織——美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)正式宣布成立，其最重要的一項(xiàng)工作就是建立并推行了《綠色建筑評(píng)估體系》（Leadershipin Energy & Environmental Design Building Rating System），簡(jiǎn)稱LEED。

本工程在2006年開(kāi)始設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)的LEED標(biāo)準(zhǔn)有效版本為2.2版。該版本LEED評(píng)估體系根據(jù)評(píng)估對(duì)象的不同分為6個(gè)不同的認(rèn)證體系——LEED-NC(針對(duì)新建建筑)、LEED-EB(針對(duì)既有建筑) 、LEED-CI(針對(duì)商業(yè)裝修)、LEED-CS(針對(duì)建筑結(jié)構(gòu))、LEED-H(針對(duì)住宅)和LEED-ND(針對(duì)社區(qū)開(kāi)發(fā))。筆者參與的項(xiàng)目屬于新建建筑，適用LEED-NC2.2標(biāo)準(zhǔn)。本案例介紹中除有特殊說(shuō)明外，均指NC2.2標(biāo)準(zhǔn)。2009年，美國(guó)發(fā)布了LEED V3.0版本，評(píng)價(jià)方法、范圍又有新的拓展和完善。

LEED評(píng)估體系主要用于評(píng)估建筑在其全生命周期中的環(huán)境性能表現(xiàn)，從可持續(xù)建筑場(chǎng)址、節(jié)約水資源、建筑節(jié)能與大氣、資源與材料、室內(nèi)空氣質(zhì)量、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新六個(gè)方面、65項(xiàng)內(nèi)容對(duì)建筑進(jìn)行綜合考察，評(píng)判其對(duì)環(huán)境的影響，并根據(jù)每個(gè)方面的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和打分。65項(xiàng)評(píng)估內(nèi)容中，有7項(xiàng)為必需項(xiàng)，其他58項(xiàng)為得分項(xiàng)，滿分共計(jì)69分。其中除能效優(yōu)化（EA C1）得分為1~10分、現(xiàn)場(chǎng)再生能源得分為1~3分以外，其他項(xiàng)每項(xiàng)得分均為1分。

LEED認(rèn)證根據(jù)得分不同共分為4個(gè)認(rèn)證級(jí)別，即認(rèn)證級(jí)（26-32分）、銀級(jí)（33-38分）、金級(jí)（39-51分）、鉑金級(jí)（52-69分）。

到目前為止，此評(píng)估體系已成為世界范圍內(nèi)各類建筑環(huán)保評(píng)估、綠色建筑評(píng)估以及建筑可持續(xù)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中最完善、最有影響力的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，是世界各國(guó)建立各自建筑綠色及可持續(xù)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的范本。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技水平的逐步提高，此評(píng)估體系也被引入到國(guó)內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目中，并且已有一些示范性項(xiàng)目成功通過(guò)了LEED認(rèn)證評(píng)估。2003年，北京奧運(yùn)工程采用了《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)價(jià)體系》，這是我國(guó)第一部系統(tǒng)、完整、易于操作的綠色建筑評(píng)價(jià)綱領(lǐng)性技術(shù)文件。2006年，我國(guó)頒布執(zhí)行了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50378-2006《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)志著我國(guó)綠色建筑建設(shè)進(jìn)入新的階段。2008年8月1日國(guó)務(wù)院正式頒布了530號(hào)令，宣布《民用建筑節(jié)能條例》2008年10月1日施行。可見(jiàn)綠色建筑的建設(shè)將逐步成為未來(lái)建筑的發(fā)展趨勢(shì)，將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

下文介紹的節(jié)能環(huán)保型建筑——大梅沙萬(wàn)科中心，已于2010年獲得美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)的LEED綠色建筑評(píng)估系統(tǒng)中的最高認(rèn)證——鉑金級(jí)。

圖 1 大梅沙萬(wàn)科中心榮獲LEED白金獎(jiǎng)

2、萬(wàn)科大梅沙工程簡(jiǎn)介

為達(dá)到美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)LEED綠色建筑評(píng)估系統(tǒng)中EA C2(現(xiàn)場(chǎng)可再生能源)條文中的要求，即可再生能源的利用比例達(dá)到建筑年能耗的12.5％，在萬(wàn)科總部的設(shè)計(jì)中將利用太陽(yáng)能這種可再生能源。大梅沙一萬(wàn)科中心位于廣東省深圳市鹽田區(qū)大梅沙海濱旅游度假區(qū)，用地面積6.17萬(wàn)m²，總建筑面積約12萬(wàn)m²，分為四個(gè)部分，其中萬(wàn)科總部部分為1.5萬(wàn)m²左右，設(shè)計(jì)中直接將太陽(yáng)能發(fā)電與總部部分的專用用電變壓器低壓母線并網(wǎng)。

目前公共建筑利用太陽(yáng)能資源的方式主要有兩種，即太陽(yáng)能熱水和太陽(yáng)能光伏發(fā)電。考慮到萬(wàn)科總部是一棟以辦公功能為主的建筑，熱水需求量不大，因此在萬(wàn)科總部的設(shè)計(jì)中將通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電方式利用太陽(yáng)能資源。采用太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將為萬(wàn)科中心總部部分提供年能耗的12.5％以上的綠色電力。

3、萬(wàn)科中心太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 地理分析

深圳地理位置位于東經(jīng)114.1°，北緯22.50。氣象資料表明，深圳平均氣溫為春季19.0 ℃、夏季26.7℃、秋季17.7℃和冬季14.4℃。

風(fēng)速情況：9月至次年2月多吹東北偏北風(fēng)， 3~6月以東南偏東風(fēng)為主，7月以西南風(fēng)為主；年平均風(fēng)速為2.7 m／s，6～9月為2.1~2.4 m／s。其他月份在3 m／s左右；年平均大風(fēng)日數(shù)為7天， 7~9月大風(fēng)天氣稍多，5~10月臺(tái)風(fēng)登陸或影響本地的機(jī)會(huì)較多，其中以7~9月較頻繁。

日照情況：年水平面太陽(yáng)輻射總量約5225 MJ／m²；年平均日照小時(shí)數(shù)為1 933.8 h，日平均日照時(shí)數(shù)為5.30 h，每平米水平面太陽(yáng)能輻射能量為1 451 kW·h／m²a。在我國(guó)，每平米水平面太陽(yáng)輻射能量在1 200~1700 kW·h／m²a屬于可利用區(qū)與較豐富區(qū)。根據(jù)以上年平均日小時(shí)數(shù)和日平均日照小時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)深圳市太陽(yáng)能等級(jí)較好，自然條件優(yōu)越。

3.2 萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.2.1 萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成

萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理框圖參見(jiàn)圖3。該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：①光伏陣列：包括太陽(yáng)電池組件、支架混凝土結(jié)構(gòu)、接線箱及電線電纜等。②直流一交流逆變?cè)O(shè)備：主要包括光伏并網(wǎng)逆變器、直流屏、配電柜及輸入輸出等。③控制檢測(cè)系統(tǒng)：包括系統(tǒng)控制裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、參數(shù)顯示和監(jiān)控設(shè)備等。④附屬設(shè)施：防雷及接地保護(hù)裝置、預(yù)埋電纜管道及電能計(jì)量?jī)x器等，其中最影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量的就是光伏組件以及逆變器的效率。

3.2.2 太陽(yáng)電池組件性能比較

當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上主要使用的太陽(yáng)電池有單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池三大類。不同種類的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率各有差別，表1所示為中國(guó)能源研究會(huì)和國(guó)家節(jié)能投資公司共同發(fā)布的《我國(guó)新能源與可再生能源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展研究》中太陽(yáng)能光伏發(fā)電報(bào)告中的有關(guān)各種太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的對(duì)比。

表1 太陽(yáng)電池光電效率對(duì)比(2008年時(shí)）

由于萬(wàn)科中心總部部分屋頂空間有停機(jī)坪，可利用面積有限，同時(shí)兼顧建筑的美觀性考慮，因此選擇一種高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)電池以有效減小屋頂電池板的安裝面積，成為電池選擇時(shí)主要考慮的一個(gè)問(wèn)題。

從表中不難發(fā)現(xiàn)，相同面積的不同種類太陽(yáng)電池中單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，同時(shí)由于單晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，商用化歷史最長(zhǎng)，因此初步確定采用單晶硅太陽(yáng)電池作為萬(wàn)科總部太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要選擇的太陽(yáng)電池。

由于傳統(tǒng)的單晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)雖然在穩(wěn)定的強(qiáng)光下效率較高，但弱光性能相對(duì)較差。針對(duì)這種缺點(diǎn)，近年來(lái)在傳統(tǒng)N型單晶硅太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)一種稱為異質(zhì)結(jié)電池的新型太陽(yáng)電池，所謂異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)就是在P型氫化非晶硅和N型氫化非晶硅與N型硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜，采取該工藝措施后，改變了PN結(jié)的性能。它兼有單晶硅電池在強(qiáng)光下效率穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，又有薄膜電池在弱光下性能好的特點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率可提高到16％以上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

電池組件主要參數(shù)為：①輸出峰值功率為210 Wp。②峰值電壓為41.3 V。③峰值電流為5.09 A。④開(kāi)路電壓50.9 V。⑤短路電流5.57 A。

太陽(yáng)電池方陣的主要技術(shù)要求：①采用高效率異質(zhì)結(jié)電池片，轉(zhuǎn)換效率不小于16％。②使用壽命不小于25年，衰減小。③采用無(wú)螺釘緊固鋁合金邊框，便于安裝，抗機(jī)械強(qiáng)度高。④采用高透光率鋼化玻璃封裝，透光率和機(jī)械強(qiáng)度高。⑤采用密封防水的多功能接線盒。⑥太陽(yáng)電池組支架采用混凝土標(biāo)樁、槽鋼底框及角鋼支架。⑦深圳地區(qū)的緯度為22°，根據(jù)本工程太陽(yáng)電池組件順著建筑形式的布置，最佳的安裝傾角范圍應(yīng)為15°~25°之間。

3.2.3 并網(wǎng)逆變器的主要形式和選擇

逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要電力電子設(shè)備，其主要功能是把來(lái)自太陽(yáng)電池方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，同時(shí)還具有極大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池方陣性能和異?；蚬收蠒r(shí)的保護(hù)功能。

在本項(xiàng)目中，并網(wǎng)逆變器的主要性能要求遵循如下原則：

1)并網(wǎng)逆變器輸出電壓在電網(wǎng)公共連接點(diǎn) (PCC)處的允許偏差應(yīng)符合GB／T12325--2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》[1]的規(guī)定，三相電壓的允許偏差為額定電壓的±7％，單相電壓的允許偏差為額定電壓的+7％、一10％。

2)并網(wǎng)逆變器輸出頻率允許偏差應(yīng)符合GB／T15945--1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》[2]的規(guī)定，即偏差值允許±0.5 Hz。

3)光伏并網(wǎng)逆變器額定輸出時(shí)應(yīng)符合GB／T14549--1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，即電流總諧波畸變率限值為5％，各次諧波電流含有率限值為4％。

4)光伏并網(wǎng)逆變器的輸出大于其額定輸出的20％時(shí)，平均功率因數(shù)應(yīng)不小于0.85(超前或滯后)。

5)光伏系統(tǒng)(僅對(duì)三相輸出)的運(yùn)行不應(yīng)引起由GB／T15543--1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》[3]規(guī)定的電網(wǎng)三相電壓允許不平衡度，即電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(PCC)處的三相電壓不平衡度允許值為2％，短時(shí)不得超過(guò)4％。

6)在正?；蚍钦Ｇ闆r下，光伏系統(tǒng)逆變器輸出的向電網(wǎng)饋送的直流電流分量不應(yīng)超過(guò)其交流額定值的1％。

7)保護(hù)設(shè)置為過(guò)／欠電壓保護(hù)、過(guò)／欠頻率保護(hù)及孤島效應(yīng)保護(hù)。孤島效應(yīng)保護(hù)即在光伏并網(wǎng)狀態(tài)下電網(wǎng)停電時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)還應(yīng)設(shè)置短路保護(hù)；對(duì)不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置逆向功率保護(hù)。逆功率電流綜合檢測(cè)保護(hù)控制器是用來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)所連接的變壓器低壓側(cè)總出線的總輸出電流及其方向，根據(jù)設(shè)定電流方向與大小進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)，并給出相應(yīng)的輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始投入運(yùn)行的電流設(shè)定為A值，當(dāng)檢測(cè)到變壓器二次側(cè)總輸出電流大于設(shè)定值A時(shí)，光伏發(fā)電開(kāi)始逐個(gè)回路投入并網(wǎng)運(yùn)行，通過(guò)閉環(huán)檢測(cè)控制，直到變壓器二次側(cè)總輸出電流小于A值停止投入；切斷光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的電流設(shè)定為B值，當(dāng)檢測(cè)到變壓器二次側(cè)總輸出電流小于B值時(shí)，開(kāi)始逐個(gè)回路切斷光伏并網(wǎng)運(yùn)行，直到滿足條件為止。

8)具備電網(wǎng)故障自診斷功能，系統(tǒng)故障自診斷功能。

并網(wǎng)逆變器主要分為集中式并網(wǎng)逆變器和分散式并網(wǎng)逆變器，集中式并網(wǎng)逆變器一般設(shè)置在主體建筑內(nèi)空間單獨(dú)設(shè)置，而分散式并網(wǎng)逆變器一般是結(jié)合太陽(yáng)電池板設(shè)置。

決定逆變器形式的一個(gè)主要因素是電纜長(zhǎng)度，因?yàn)殡娎|長(zhǎng)度直接關(guān)系到直流部分的線路損耗。通常在進(jìn)行太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將直流部分的線路損耗控制在3％一4％以內(nèi)。并且從太陽(yáng)電池到接線箱再到逆變器以及從逆變器到并網(wǎng)交流配電柜的電力電纜應(yīng)盡可能保持在最短距離，以減小線路的壓降損失，提高系統(tǒng)的輸出能量，減小電纜尺寸以降低成本，同時(shí)應(yīng)盡量減輕屋頂負(fù)荷并增加其靈活性。

由于在萬(wàn)科總部的太陽(yáng)電池組件傾斜放置，其下面有可供逆變器擺放的空間，同時(shí)結(jié)合萬(wàn)科總部屋面形式與太陽(yáng)電池板數(shù)量綜合考慮，在本項(xiàng)目中采用分散式并網(wǎng)逆變器，逆變器設(shè)置在光伏陣列附近，最大化減小線路的直流損耗，以避免直流大電纜長(zhǎng)距離的傳輸。最終根據(jù)組件在屋頂?shù)呐帕羞x擇了15臺(tái)SMC8000TL光伏并網(wǎng)逆變器和18臺(tái)SMC6000A光伏并網(wǎng)逆變器。兩種逆變器的效率均達(dá)到98％。

3.2.4 萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量估算

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般需要根據(jù)專門(mén)的計(jì)算分析軟件(如PVSYST等)進(jìn)行模擬計(jì)算其年發(fā)電量，比較復(fù)雜，一般可以采用估算方法。考慮η=光伏組件效率×逆變器效率×（1-直流線損率）×其它效率=16.7%×98%×（1-1%）×80%=12.96%，計(jì)入電纜接頭接觸電阻等其他因素的影響，線路總損耗在本工程中不超過(guò)1％，其他效率包括交流配電損耗、灰塵對(duì)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響等，則Q= (1 200×1.58×0.798)×1451×12.96％kW·h=196.01×1451 kW·h=284520.5kW·h。

3.2.5 萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的屋頂布置及系統(tǒng)示意圖

通過(guò)上述分析和比較，根據(jù)建筑物屋頂?shù)男螤?，并綜合考慮并網(wǎng)系統(tǒng)中各部分子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建萬(wàn)科總部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的形式。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電由三個(gè)大單元組成，區(qū)域一采用10串36并的方式連接，區(qū)域二采用60串18并的方式連接，區(qū)域三采用11串60并的方式連接，共需太陽(yáng)電池板1200塊，總功率為1200 × 210 W=252000 W。

3.2.6 系統(tǒng)防雷及接地保護(hù)設(shè)置

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)根據(jù)SJ／T11127—1997《光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)一導(dǎo)則》進(jìn)行設(shè)計(jì)，且必須遵循如下原則：

1)防直擊雷：屋頂防雷保護(hù)的面積應(yīng)足夠大，全部電池陣列均在防雷保護(hù)的范圍內(nèi)，防雷設(shè)施不得遮擋光伏方陣。

2)防感應(yīng)雷：電纜埋地敷設(shè)，系統(tǒng)直流側(cè)和交流側(cè)都設(shè)浪涌保護(hù)。

3)接地：系統(tǒng)組件均須可靠接地。

4)電池方陣及支架所有金屬構(gòu)件均需與建筑物的防雷接地裝置作可靠電氣連接，并在電源線路引入處設(shè)浪涌保護(hù)器。

圖3 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)系統(tǒng)圖

圖4 太陽(yáng)能電池板布置圖

4、結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目從2006年開(kāi)始設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)在有所不同。但設(shè)計(jì)、研究思路可以借鑒，有些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)可以總結(jié)。

注：

[1] 當(dāng)年設(shè)計(jì)采用2003版本的標(biāo)準(zhǔn)。

[2] 當(dāng)年設(shè)計(jì)采用1995版本的標(biāo)準(zhǔn)。

[3] 當(dāng)年設(shè)計(jì)采用1995版本的標(biāo)準(zhǔn)。