首都博物馆新馆300kW太阳能光伏系统工程设计

摘要：本文分析了首都博物馆300kW太阳能光伏系统工程设计中的安装和并网的技术要点，最终达到了建筑与太阳能光伏系统的系统集成。

目前，全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右。因此，建筑应该是主要的节能领域。

节能，就是探讨如何最大限度地减少能量浪费。从使用能源的目的和方式进行划分，节能可以分成直接节能，广义节能和潜在节能三种类型。

直接节能，指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如，白天关路灯，风管少漏风，下雨不浇花。一句话，直接节能就是根本不应该消耗的能源坚决不消耗。

广义节能，则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少应该耗费的那部分能源的消耗。例如，空气热回收设备的利用，保温墙体材料的应用，光照度的合理调控，生活用水的“二次利用”等。

潜在节能，是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如，美国有些建筑利用公共走廊地毯下安装的踏板，将人体走路时的重力作用带动发电机的中心轴，解决走廊等的照明。在可以预期的将来，潜在节能将有极大的发展。

然而，在建筑节能中存在着一种表面化现象。即简单地以能耗费用作为节能标志。只看建筑运行的一次能耗形式，不考虑这种能耗形式在制造、以及转换过程的总能耗。譬如，冰蓄冷技术。不仅在它的设备制造中材料提炼、加工需要能耗，在其运行中由电到冰、由冰到冷的能量转换过程中都存在着能耗。因而，表面的舒缓高峰电力和电费开支的多少，并不意味着资源消耗的节省。

我们追求的是对全人类而言的总能源的节约。因此，新型能源形式的引进是引发绿色能源革命和绿色建筑革命的交汇点，是节能的主流。其中将太阳能光伏发电系统应用于建筑就是未来的发展方向，就像石油形成今天的人类机会一样。

太阳能光伏发电系统可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要。太阳能光伏发电系统可原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗。由于太阳能发电板阵列一般安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能，因此太阳能光伏发电系统同时降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑的空调负荷，降低了空调的能耗。

太阳能光伏发电系统的各种彩色光伏组件，可以取代和节约昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；太阳能光伏发电系统正是在白天用电高峰期供电，从而舒缓高峰电力需求，这对于高峰电力紧张地区及无电少电地区更为重要。配备蓄电池后，太阳能光伏发电系统除了确保自身用电外，还能够满足安全用电设施的不断电要求。

我国政府十分重视太阳能的综合开发与利用。先后将太阳能列入新能源和可再生能源技术发展的研究开发与利用战略重点。早在1999年国家有关部门就将开发高效率、低成本的太阳能集热、光伏技术列为优先发展的高技术产业化重点领颉８莨?996－2020年太阳能光电发展计划，我国2020年的太阳能光电总容量将达到300Mw。

我国从80年代开始实验被动太阳能的热利用。然而，被动太阳能利用只是简单地直接转换为生活用水的加温，停留在低水平应用层。它与智能化系统也没有发生什么关系。而太阳能发电技术这个典型的主动型潜在节能，将会对智能化系统提出更高、更深的技术要求，要求智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内电力的调配和平衡。

2 首都博物馆新馆的建筑条件

北京市位于北纬36度56分，东经116度20分地区。全年日照2,662小时，平均标准日照时间为4-5小时。理论上每平方米日照面积可达1,000W能量，属太阳能资源丰富地区。

首博新馆作为北京的标志性建筑物，是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合北京2008年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，首都博物馆新馆建设工程业主委员会在市领导和有关部门的支持下，决定在首博新馆建筑屋顶安装太阳能光伏发电装置，使首博新馆建设成集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体而形象地表现太阳能资源利用，起到“可持续发展”的教育示范作用。

首博新馆屋顶设计为平顶挑檐结构，有利于太阳能发电板的布置与安装。根据屋顶平面部分设计，安装太阳能发电板的面积5,000 平方米强、峰值发电量达300kW。在中国已经建造的太阳能光伏发电工程中，单体建筑发电量居第一，达到了国际先进水平。

3 太阳能光伏系统的工程风险

建筑是建筑技术与艺术的结晶，在建筑中应用高新技术必须服从建筑的整体设计理念。首博新馆不是为建设太阳能系统盖一个建筑，而原来首都博物馆新馆建设任务书中并没有提出安装太阳能系统的要求。目前的建筑设计和结构设计也没有考虑屋面上再架设太阳能电池板的结构与荷载、根本没有设计安装太阳能电池板的支架接点。从建筑外观、造型的角度，我们也不希望在屋面上再加出一层太阳能屋面。因此，太阳能光伏发电系统的结构形式必须服从首博新馆建筑的整体设计理念、符合首博新馆屋顶结构设计等各种条件要求。而且太阳能光伏发电系统的安装不能破坏首博新馆建筑造型，不能破坏装饰性屋面轻盈、通透的艺术风格。

太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。如何解决太阳能光伏发电板在屋面安装时对屋面负荷、造型的影响等问题，一直是建设首博太阳能光伏发电系统的核心问题。工程要保证能够成功地满足功能要求，不能够出事故。尤其不能够出重大事故。一旦刮下一片太阳能玻璃板就会酿成大祸，甚至出人命！

太阳能工程必须保证建筑物的安全，太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。必须考虑安装条件和安装方式、安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题，包括太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。

以往的太阳能组件安装需要采用平架或者斜撑架安装方式，这种安装方式不仅会破坏建筑物的完整性和建筑外观造型，而且对屋面防水存在不利影响。特别是需要承受屋面空气层流所产生的很大的风力。

根据气象资料，中国海平面的基本风速，按照30年一遇的10分钟平均风速统计值可以得到若干城市的风压系数，

不同高度的风压值与海平面风压之间又有一个风压高度系数 KH，

当然，建筑屋面不同的建筑形态和结构所产生的空气层流作用是各部相同的。为了检测首都博物馆新馆屋面的空气动力学特性，特地委托北京大学进行了专门的风洞试验，按照风洞试验的数据推算，首都博物馆新馆“屋面的空气层流会产生上下表面压力代数和-2.2以上。”

计算结果（屋面升力F）

F/m2 = 35kg/m2 × 1.54 × (-2.2) = -118.58kg/m2

ΣF = -118.58kg/m2 × 5000m2 = 592,900kg ≈ 593 T

综合上述因素，首都博物馆新馆采用了非晶体柔性太阳能发电板、以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式。这样既不会影响建筑造型，也不需要对屋面结构进行重新计算和加固。特别重要的是，以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式不再存在太阳能发电板和屋面之间的空气腔，从根本上解决了空气层流作用的发生。

另外，在建筑天棚上嵌装太阳能光伏发电板时，一般都需要考虑天棚屋顶会否产生漏水问题。直接粘贴方式从根本上杜绝了渗漏问题。

常见的以玻璃为基板的太阳能光伏发电板则还有一个玻璃破碎问题。即在极端的气候条件下，常常会有玻璃破碎情况发生。直接粘贴的非晶体柔性太阳能发电板以不锈钢为基板，不会因为冰雹等自然灾害发生破碎。

当然，采用粘结方式，对粘合剂的性能和粘贴工艺需要特别注意。如果粘贴当时的屋面自然气温过高或者过低，都会影响到粘贴的牢固度。而且，所用的粘结剂必须能够经受得住自然气候的变化。不因为四季变化、日晒和积雪积雨而影响粘结度。

4 太阳能光伏系统的运行风险

根据并网光伏系统是否允许通过供电区的变压器向主电网馈电，分为可逆流和不可逆流并网光伏发电系统。

通常太阳能光伏发电系统有二种不同的运行模式，即根据并网光伏系统是否与公共电网并网连接，分为目前常见的通过电池储能、与公共电网分路的“独立供电方式”和与公共电网并联的“并网供电方式”。

“独立供电方式”是先将太阳能光伏发电系统所发出的电能储存到电池组，转换成为化学能。然后从电池组把化学能转换成为直流电，通过逆变器变换成为交流电独立输出供给低压负载。“独立供电方式”突出的优点就是发电与用电可以不同步。太阳能光伏发电系统所发出的电能可以存储起来，不在发电当时使用。或者说，白天发电晚上用。“并网供电方式”时，太阳能光伏发电系统所发出的直流电无论是否经过化学电池组，最终通过逆变器变换产生的交流电，或者向电网发送电能，或者与电网端接同时输出到低压负载。也就是当时发电当时使用。目前，美国、德国等西方先进国家大多采取“并网供电方式”。而我国绝大多数还是采用电池储能的“独立供电方式”，太阳能光伏发电系统发出的电能独立供给负载，不与公共电网连接。前些年上海某幢大楼曾经打算采用太阳能光伏发电系统“并网供电方式”，但是由于供电部门担心影响电网的稳定性未予许可，最终未能投入运行。近年来，北京电力公司会同相关单位在如何保证并网光伏发电系统的安全和运行管理方面进行了积极的探索，取得了一些经验，在北京地区出现了多个并网光伏发电系统应用工程。

为什么供电部门对并网太阳能光伏发电系统如此谨慎呢？众所周知，“并网供电方式”中太阳能光伏发电系统的逆变器输出与电网并联。而当一组电源与另一组并联时，必须保持二组电源电压、相位、频率等电气特性的一致，否则就会产生二组电源相互之间的充放电，造成整个电源系统的内耗和不稳定。

首都博物馆的初衷是利用太阳能光伏发电系统解决博物馆内白天公共区域的人工照明用电，也就是白天发电白天用，因此，采用并网太阳能光伏发电系统是最直接、最有效的供能方式。而经过电池的“独立供电方式”则会增加二次电能-化学能-电能转换损耗。

采用“并网供电方式”需要解决得根本问题是，从技术角度保证并网的太阳能光伏发电系统从电能质量和并网保护等方面采取措施，保证太阳能光伏系统向本身交流负载提供电能和向公共电网发送电能时的质量处于始终受控状态，保证在电网低压接入时对外供电网的影响最小。

首先是并网光伏发电系统在与公共电网联接时通过变压器等进行电气隔离，形成与公共电网市政供电线路之间明显的分界点。并且保证并网太阳能光伏发电系统的发电容量在上级变压器容量的20%以内；同时实现直流隔离，使逆变器向电网馈送的直流电流分量不超过其交流额定值的1%。

其次，要使太阳能光伏发电系统的输出电压、相位、频率、谐波和功率因数等参数在满足实用要求的同时，能够随动公共电网的相关参数。

再就是设置相应的并网保护装置，一旦出现光伏系统和电网发电异常或故障时，能够自动将光伏系统与电网分离。

这里，关键在于太阳能光伏系统的逆变器输出端与公共电网在低压端并接时，自控装置对公共电网的电压、相位、频率等参数进行采样，并以采样值实时调整逆变器的输出，保证并网光伏发电系统与公共电网的同步运行。

首都博物馆通过研究太阳能光伏发电系统的电气特性，为了解决太阳能光伏系统在低压端并网的切换与自动补偿，在太阳能光伏系统中采取了二方面的措施。首先是在负荷设计上采用三台逆变器和保证多运行模式下光伏系统三相输出的平衡，取得三相电压的最大不平衡度不超过4%。。另外采用了交流电源跟踪技术。当公共电网供电端的电压和频率等参数在正常范围内变化时,并网光伏发电系统的输出可跟踪公共电网的电压和频率、相位等的变化，随时调整其交流输出功率、交流输出电流(高次谐波)、频率和相位，使之与电网相匹配。光伏系统的输出电压总谐波畸变率小于5%，输出电流总谐波畸变率小于5%，各次谐波电流含有率小于3%，输出频率偏差值小于50?0.5Hz。从而在运行时不造成电网电压波形过度的畸变，和导致注入电网过度的谐波电流。 图1、太阳能光伏发电低压并网原理图

再就是从运行安全和维护安全的角度，在太阳能光伏发电系统中设置了三级短路开关，实施过／欠电压保护，保证设备和人身安全，防止事故范围的扩大。特别是一旦发生并网光伏发电系统电网失压时，自控装置将在1秒内动作，把光伏系统与电网断开，主动防止孤岛效应。

同时，在建筑智能化系统的实施中，开发并完成了太阳能光伏系统与建筑设备自动化系统的接口和集成技术，实现了楼宇自动化系统对太阳能光伏发电系统的二次监控，进一步提高了太阳能光伏发电系统与公共电网之间的安全性。

5 结 语

太阳能光伏发电系统为子孙后代提供了可持续发展的空间，世界上许多国家（如欧洲国家、美国、日本等）都在积极倡导太阳能光伏发电。但是，正象所有的生产都需要考虑投入产出一样，任何新型能源形式的采用都会有一个消耗多少能量、产出多少能量的比率问题。太阳能光伏发电系统在生产制造过程中，无论是发电板相关的硅晶体、钢材或玻璃的冶炼，以及其他相关逆变器等各种零部件的生产加工，都需要消耗一定能量。全地球的能源是一个大系统。这些预先消耗的能量，宇建成以后产出的能量之比，是值得考虑的大问题。例如，目前有一些晶体太阳能光伏发电系统的技术水平很低级，生产中消耗的电能需要产出的太阳能板发电19年才能够补偿。而它的实际运行生存周期不到20年！而某个非晶体太阳能光伏发电系统只需要发电7年就能够补偿生产建设过程的能耗。可见，即使是采用新型可持续发展能源，仍然应该考虑产能技术问题。

前途是光明的。随着太阳能光伏发电系统技术的提高和应用的增多，太阳能光伏发电系统必将成为21世纪的发展趋势。