小型離網(wǎng)式光伏發(fā)電技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用

鄭新陽

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院， 河南鄭州 450000)

小型離網(wǎng)式光伏發(fā)電技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用

鄭新陽

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院， 河南鄭州 450000)

簡要介紹了太陽能光伏發(fā)電的構(gòu)成、分類、適用范圍。結(jié)合工程實例，分析了小型離網(wǎng)式光伏發(fā)電技術(shù)在民用建筑中應(yīng)用的方式、方法，闡述了光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合LED燈應(yīng)用于公共照明系統(tǒng)的優(yōu)勢及光伏發(fā)電技術(shù)存在的問題。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 應(yīng)用 優(yōu)勢 問題

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能光伏系統(tǒng)(solar photovoltaic(PV) system)系指利用太陽能電池的光伏效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，簡稱光伏系統(tǒng)。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、 蓄電池(組)組成。如輸出電源為220 V或110 V，還需配置逆變器。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按照是否接入公共電網(wǎng)可分為并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)和離網(wǎng)式光伏系統(tǒng)。

按負(fù)荷形式可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)。

按系統(tǒng)裝機(jī)容量的大小分為微型系統(tǒng)(2 kW以下)、小型系統(tǒng)(2～20 kW)、中型系統(tǒng)(20～100 kW)、大型系統(tǒng)(100 kW以上)。

3 各類光伏發(fā)電系統(tǒng)的適用范圍

中型和大型離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般適用于偏遠(yuǎn)無電網(wǎng)地區(qū)。

小型或微型離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)往往適用于一個或若干個單元的樓梯間照明或道路燈。

對于并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于政策、管理和技術(shù)等原因，對于該系統(tǒng)的應(yīng)用尚處于理論探討和初步試驗階段。

4 小型離網(wǎng)式光伏公用照明系統(tǒng)設(shè)計實例

4.1 工程簡介

本工程為鐵道京沙家園2號樓，一類高層住宅建筑(地上28層、地下1層)，總建筑面積23 469.03 m2，共2個單元。

4.2 方案選擇

(1)方案選擇的依據(jù)

2008年鄭州市建設(shè)委員會下發(fā)了鄭建辦[2008]101號文《關(guān)于在全市民用建筑工程中推廣應(yīng)用太陽能的通知》，其中規(guī)定：總建筑面積在10 000 m2以上的新建住宅組團(tuán)、住宅小區(qū)和居住區(qū)的公共照明部分，如樓梯間、次級道路、草坪燈，必須采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED產(chǎn)品。對于擅自取消太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的項目，不予辦理竣工備案手續(xù)。

依據(jù)鄭建辦[2008]101號文要求，并結(jié)合工程實際狀況，設(shè)計擬在樓梯間及公共走道照明部分采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED產(chǎn)品。

(2)照明燈具的選擇

目前LED燈有AC220V和DC24V兩類。若采用AC220V燈具，則需配置逆變器，勢必增加工程投資。另外，直流燈具由于電壓波動小、無諧波干擾等優(yōu)勢，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流燈具。

因此，本次工程選用DC24V、LED燈具。

(3)負(fù)荷計算

本建筑樓梯間采用剪刀梯，每層樓梯間需設(shè)置2套照明燈具；每層公共走道長度為16 m，按照設(shè)置4套照明燈具考慮。

所以，一個單元需設(shè)照明燈具6套×29=174套。

由于電力、通信、水暖豎井亦屬于公共照明范圍，所以，還需考慮照明燈具3套×29=87套。

所以，一個單元共需設(shè)照明燈具174套+87套=261套。

具體負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 負(fù)荷統(tǒng)計

由表1可以看出：一個單元公共照明部分的負(fù)荷為1.305 kW。全樓公共照明部分的負(fù)荷小于1.305 kW×2=2.61 kW。

(4)光伏發(fā)電系統(tǒng)的選擇

基于上述負(fù)荷計算結(jié)果，本次工程擬采用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)(2～20 kW)。

鑒于本次公共照明部分負(fù)荷容量較小，并考慮投資原因，新設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)不考慮接入公共電網(wǎng)，即采用離網(wǎng)式。

樓內(nèi)公共照明部分負(fù)荷容量為2.61 kW，考慮室外公共照明因素，光伏發(fā)電系統(tǒng)容量按照4 kW進(jìn)行設(shè)置。

因此，本次工程采用小型離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)(4 kW)。

4.3 設(shè)計方案

(1)系統(tǒng)設(shè)置

本樓采用一套小型離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)(4 kW)對公共照明進(jìn)行供電，太陽能光伏板置于屋頂。

本方案采用一套光伏發(fā)電控制柜對本樓公共照明進(jìn)行控制，控制柜設(shè)于電梯機(jī)房層樓梯間內(nèi)(也可設(shè)于電管井)，明掛于墻上，尺寸為900 mm×600 mm×300 mm。

每個樓梯間的燈具容量約為1.3 kW，相對應(yīng)的太陽能光伏板的面積約為7 m2，燈具均采用直流LED燈。高層住宅步梯使用的概率不是很高，故樓梯間燈具的使用時間設(shè)為1 h/d，蓄電池的容量也按此設(shè)計。

(2)配電系統(tǒng)的設(shè)置

光伏發(fā)電控制柜共輸出四路直流電源，分別為兩個單元的公共照明供電。

每個單元設(shè)置雙電源切換配電箱1臺，對公共照明進(jìn)行分回路供電，線路沿墻垂直敷設(shè)。雙電源切換配電箱電源一路來自太陽能光伏板，一路來自公共照明雙切箱的一個專用回路。光伏發(fā)電為主，市電旁路為輔。平時利用光伏發(fā)電為蓄電池充電，供樓梯間照明；當(dāng)陰雨天檢測到蓄電池電壓過低時會自動轉(zhuǎn)換到市電旁路為蓄電池充電，供公共照明。

5 優(yōu)勢分析

太陽能光伏發(fā)電過程中沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動部件也不消耗燃料，并且不排放包括溫室氣體在內(nèi)的任何物質(zhì)，具有無噪聲、無污染的特點；再加上太陽能資源沒有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭。因此，與其他新型發(fā)電技術(shù)(風(fēng)力發(fā)電與生物質(zhì)能發(fā)電)相比，太陽能光伏發(fā)電具有更大的優(yōu)勢和潛力。

上述設(shè)計方案采用光伏發(fā)電技術(shù)，結(jié)合LED燈具實現(xiàn)公共樓梯及過道照明，形成一個獨立的供電系統(tǒng)。光伏發(fā)電輸出直流電源直接應(yīng)用，損耗低、投資小、實用性強(qiáng)。

發(fā)電與供電電壓均為安全電壓(直流DC24V)，避免發(fā)電與負(fù)載端因誤操作而帶來的安全隱患。

6 與傳統(tǒng)公共照明系統(tǒng)的性價比分析

6.1 負(fù)載能耗對比

以鐵道京沙家園2號樓為例，對各種燈具以日使用量為1 h計算案例，對各種燈具的年耗電量、年電費做對比(如表2)。

表2 負(fù)荷能耗對比

由表2可以看出，LED燈的年能耗分別占到其他類型燈具年能耗的15.6%、20%、8.3%。

6.2 使用壽命和維護(hù)成本對比

白熾燈使用壽命一般為1 000 h，節(jié)能燈、環(huán)形管吸頂燈使用壽命一般為3 000 h，而LED燈使用壽命一般為50 000 h。

由此可以看出，LED燈的長期維護(hù)成本幾乎為零。

6.3 初期投資對比

白熾燈：261×15元=3 915元

節(jié)能燈：261×26元=6 786元

環(huán)形管吸頂燈：261×75元=19 575元

LED燈：261×98元=25 578元

對比傳統(tǒng)燈具中的白熾燈和節(jié)能燈來講，初次投資會高些。

6.4 綜合評價

用電量省，燈具壽命長等優(yōu)勢，使LED燈具遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)燈具，屬于一次投資長期利益，從節(jié)能、低碳、環(huán)保等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)燈具(如果是多個單元，則優(yōu)勢更為明顯)。

7 存在的問題及相關(guān)思考

7.1 存在的問題

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)部件，包括控制器、逆變器、光伏專用蓄電池等的國家標(biāo)準(zhǔn)待批準(zhǔn)完善，缺少自動向日跟蹤系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換率低，不能滿足人們的用電需求，阻礙了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在民用建筑領(lǐng)域的推廣。

太陽能電池板生產(chǎn)成本高，阻礙了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在民用建筑領(lǐng)域的推廣。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)處于初期發(fā)展階段，價格偏高，只適合局部小范圍適用。

7.2 建議

加緊制定國家標(biāo)準(zhǔn)，使整個行業(yè)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可依，規(guī)范市場，保證質(zhì)量。如果沒有標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)出臺不及時都會直接影響產(chǎn)品或工程質(zhì)量，也不利于市場的有序發(fā)展。

靠近和采用IEC標(biāo)準(zhǔn)有利于產(chǎn)品和系統(tǒng)的國際化，有利于出口。

充分利用日照曲線特性，合理使用太陽能；合理布局供電系統(tǒng)，最大化利用太陽能。

采用新工藝、新材料降低太陽能電池板生產(chǎn)成本，增加其使用壽命，提高其工作效能。

[1] 李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001

[2] 紀(jì)雯.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版杜,1998

[3] 王長貴，王思成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)(第二版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[4] 方榮生，等.太陽能應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985

SmallOff-GridPhotovoltaicTechnologyApplicationinCivilArchitecture

ZHENG Xinyang

2013-11-20

鄭新陽(1966—)，男，1987年畢業(yè)于河南廣播電視大學(xué)鐵道電氣專業(yè)，工程師，E-mail：QTIZZXY@126.COM。

1672-7479(2014)01-0107-03

TU18

： B