中國館世博中心主題館太陽能應用技術

1上海太陽能工程技術研究中心有限公司 2上海申能新能源投資有限公司

郝國強1趙國靖2劉 勉2 于霄童1 吳 洲1 李紅波1

1 引言

光伏建筑一體化是未來太陽能在城市中應用的主要形式。2010年上海世博會太陽能的應用主要集中于永久場館中國館、世博中心及主題館上，應用形式為光伏建筑一體化并網系統，其中涉及到光伏與建筑結合技術、光伏建筑一體化組件技術及大功率并網逆變技術等，這些技術與生態、建筑、采光、材料等技術在世博園區中得到了統一的展示，將成為我國高科技普及教育的活教材，對上海市民乃至全國人民的環保意識、節能意識起到促進作用。

2 中國館、世博中心、主題館太陽能應用

2.1 中國館太陽能應用

上海世博會中國館位于世博園區主入口的突出位置。中國館由國家館、中國地區館、港澳臺館三部分組成。總建筑面積為16.05萬平方米。太陽能應用主要集中于國家館上。

中國館光伏建筑一體化應用效果如圖1所示，太陽能應用主要在屋頂面應用。在建筑的最高頂面68米平臺四周采用高效單晶硅光伏組件，使建筑頂面形成一圈黑色的鑲邊，與紅色框架互相映襯，增強了建筑的韻律感。此外，在建筑60米平臺的挑檐部分采用了光伏玻璃幕墻組件，使整個挑檐部分效果更加美觀。如圖2所示。光伏組件安裝面保持平行和平齊，保持屋頂的整體風格。中國館光伏建筑一體化系統裝機容量為0.3MW。

中國館光伏建筑一體化系統應用特色如下：

○ 針對中國館具有傳統中國特色的建筑，采用太陽能發電系統具有一定的獨創性，使中國館建筑將傳統與現代、科技與美學完美的結合在一起；

○ 光伏玻璃幕墻組件的應用，將發電與節能結合為一體，減少了熱輻射，使建筑更加節能環保。

2.2 世博中心太陽能應用

世博中心位于世博園區B區濱江綠地內，世博中心廣泛應用了新能源、新技術和新材料，太陽能光伏建筑一體化是其中新能源應用的主要形式。世博中心建筑外表面多為平面結構，方正、寬廣，非常適合作為太陽能發電的載體。建筑屋頂結構為一個巨大的長方形，屋面上的建筑結構由西向東依次為屋頂花園、南北兩座設備間、采光天頂、下沉式屋面、電梯機房以及中央直升機停機坪。根據建筑物的這些特點，世博中心太陽能的應用主要集中于屋頂。在屋頂中心及四周部分區域鋪設高效單晶硅太陽電池組件，在屋頂設備房南立面應用光伏遮陽式組件，以增強世博中心太陽能系統的顯示度。世博中心光伏建筑一體化系統總裝機容量約1.04MW。效果如圖3所示。圖4為世博中心屋頂太陽能應用實景圖。

世博中心光伏建筑一體化系統應用的特點是：

○ 在世博中心建筑設計階段就根據建筑物的特點，并結合太陽能的特點，考慮光伏建筑一體化系統的應用，設計出符合世博中心建筑整體效果的太陽能應用方案，充分體現光伏與建筑的和諧統一。

○ 世博中心屋頂采用屋頂綠化與光伏組件間隔排布的方式，將太陽能綠色能源的意義體現的淋漓盡致，并將世博中心建筑科技性與美觀性完美體現出來；

○ 采用了光伏遮陽組件，既能保證建筑的美觀性，又能產生充足的電力，達到一物多用，多種功能統一。

2.3 主題館太陽能應用

上海世博會主題館位于上海世博會規劃圍欄區B片區世博軸西側。主題館屋面作為第五立面，其形態構思來自于對上海城市肌理中最具特色的——“里弄”的抽象，屋面形態采用菱形與三角形結合的立體構圖，屋面面積達 6.4萬平方米。太陽能光伏發電系統主要應用于主題館屋頂上。屋頂平面雖不如立面對建筑效果的影響大，但仍然是一個不能忽視的平面，況且在世博園區內，從盧浦大橋、南浦大橋上可以清晰的看到主題館的屋頂形態，因此屋頂太陽能電池組件的排布要考慮到整體的效果。主題館屋頂采用富有韻律的波浪形，在屋頂采用與屋頂一體化光伏組件，替代部分屋頂材料構成有規律性的圖案，使主題館的屋頂具有特殊的藝術效果及鮮明的科技特色。采用與屋面一體化太陽電池組件，在屋頂平鋪，菱形部分滿鋪（需去除相應的排煙窗、通風口等位置），中間采用雙面玻璃透光式光伏組件。主題館屋面為雙層構造，下層屋面主要解決建筑的防水、保溫和采光等功能性問題，上層菱形屋面則布置太陽能光伏組件，力圖求得建筑形式與功能上的完美結合，同時達到太陽能光伏建筑一體化的目的。主題館屋面構造層如圖5所示。主題館太陽能應用如圖6所示。

主題館光伏建筑一體化系統應用特色如下：

○ 大規模光伏建筑一體化并網發電運行方式，主題館光伏建筑一體化并網系統是亞洲最大的單體建筑光伏建筑一體化并網發電系統，裝機容量為2.83MW。

○ 在主題館建筑物設計階段就根據建筑物的特點，并考慮到各種類型光伏系統的應用，實現將太陽能的利用技術盡可能與人類生活、工作活動相結合，充分體現出太陽能產品與建筑物的完美結合，實現有效性、實用性、美觀性和經濟性的和諧統一。

○ 采用多種光伏建筑一體化組件。采用了與屋頂一體化組件、大面積透光式光伏組件等。與變化的建筑結構相互配套，既能保證建筑的美觀性，又能產生充足的電力。

3 中國館、世博中心、主題館太陽能系統發電量及CO2減排

3.1 理論模型

光伏發電系統的壽命很長，太陽電池組件壽命在20-25年，并網逆變器壽命在10年以上，而且在20年到期之后，太陽電池組件仍然有設計功率80%的發電功率，可以繼續并網發電。

根據太陽能發電系統所處平面的年太陽輻射量，可以計算出太陽能發電系統年發電量，其計算公式為：

其中P為年太陽電池發電量；

Ht為年太陽輻射量；

Spv為太陽電池組件面積；

ηx為考慮了溫度修正因子的組件效率，

其中ηe為AM1.5，1000W/m2輻照量、25℃時的太陽電池組件效率；

βπ為溫度修正因子；

Tp為標準條件下的溫度25℃；

Tx為與環境溫度Tα有關的值，可通過Evan公式計算，

其中Kτ為月晴空指數；NOCt為太陽電池組件的正常工作溫度；

η1為并網逆變器效率，一般為95%；

η2為其它光伏損耗，如灰塵覆蓋、組件匹配損失、不可利用的太陽輻射損失、最大功率點跟蹤精度、直流電路損失等，一般為90%（溫度影響因子在ηx中考慮）；

η3為交流并網效率，即從并網逆變器輸出至高壓電網的傳輸效率，其中最主要的是升壓變壓器的效率，一般為95%。

二氧化碳減排計算公式如下：

其中P為發電量；

γ1為煤的燃料轉化效率，35%；

γ2為火力發電的輸電和配電損失，8%；

γCO2為CO2排放因子，94.6kg/GJ；

γCH4排放因子0.002kg/GJ，與CO2的轉換當量γCH4CO2為21；

γN20排放因子0.003kg/GJ，與CO2的轉化當量γN2OCO2為310。

3.2 計算結果

根據上述理論模型計算了中國館、世博中心、主題館光伏建筑建筑一體化系統的發電量及CO2減排情況。如表1所示，世博園區中國館、世博中心、主題館光伏建筑一體化系統年平均發電量約為368萬kWh，年平均減排CO2約3066噸。

表1 中國館、世博中心、主題館光伏建筑一體化應用

4 結論

太陽能發電是潔凈的能源，未來的太陽能發電技術必將在我國獲得大規模的應用，光伏建筑一體化并網系統更是未來光伏應用市場的熱點。

世博中心、主題館、中國館光伏建筑一體化應用是我國太陽能應用的亮點，是目前世界城市中心區域總容量排名前列的光伏建筑一體化并網光伏電站，是我國并網光伏發電領域的成果典范，將推動我國光伏建筑一體化產業的發展。

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