光伏發電的建筑一體化集成案例分析

文 // 郭其峰 鄭州大學

1 項目應用基本情況

鄭州大學光電建筑應用示范項目位于鄭州市高新技術開發區的鄭州大學新校區內，在食堂、工科組團、校醫院建設光伏發電系統，項目總投資5600萬元。

示范項目校園樓頂可用面積約2.4萬m2，光伏組件效率16%，太陽能光伏電源系統光電轉換效率13.1%，并網后光伏組件年發電量為2498400kWh，項目費效比0.94元/kWh。

1.1 示范項目的技術特點

圖1

太陽能并網發電系統在原有的線路基礎上增加，采取盡量不改造原有回路的原則。因此，將光伏系統的并網點選擇在低壓配電柜上。

考慮到并網系統在安裝和使用過程中的安全及可靠性，在并網逆變器直流輸入加裝直流配電接線箱。

并網逆變器采用與電網相同的三相四線制的輸出方式。

采用屋頂花園與太陽能光伏發電一體化相結合的方式，利用光伏板的雨水回收噴淋系統對植被進行噴淋回灌，在充分利用太陽能的情況下，改善建筑室內熱環境，創造綠色的生態微循環。

1.2 光伏組件的安全措施

屋頂欄桿（或女兒墻）離太陽能光伏組件邊緣距離不應小于1m（如圖1）。

太陽能光伏電源系統的工作接地、保護接地、防雷接地等應單獨設置聯合接地系統，必要時，也可與其他設施或建筑物的防雷和接地系統的保護設施統一考慮。光伏組件至控制箱（柜）的電源輸入饋線端應設置防雷電感應裝置。

太陽能電池直流側采用防雷電涌保護器，起到防雷擊保護作用。

本工程低壓配電系統接地型式采用TN-S 系統。其中性線和保護地線（PE）在接地點后要嚴格分開。凡正常不帶電，而當絕緣破壞有可能呈現電壓的一切電氣設備金屬外殼均應可靠接地。

整個系統通過多種保護如過/欠壓，過流，過載，防雷等保護實現穩定運行。

并網光伏系統必須配備必要的檢測、并網、報警、自動控制及測量等一系列功能，特別是必須具備防止“孤島效應”的功能，以確保光伏系統和電網的安全。

系統配備逆功率控制保護系統，可根據設定的電流方向與電流大小進行檢測，并給出相輸出信號控制執行機構動作,控制光伏發電系統回路投入與切斷并網運行，當出現電流反向倒送電時，光伏發電系統回路切斷并網運行，以達防止逆功率倒送的功能。

2 EMS智能節能監管平臺的安裝與數據上傳

EMS智能節能監管平臺利用在控制器、逆變器等設備嵌入安裝儀表，通過CAN總線或RS485通訊的方式將數據上傳到監管平臺。可監測平行于光伏組件的太陽輻照度、室外溫度、光伏組件背面表面溫度及發電量等數據，并可通過節能監測平臺查詢輻照度、溫度等環境參數和即時功率、發電量等系統運行數據及系統運行狀態。

EMS智能節能監管平臺人機交互界面及部分功能如圖2、圖3和圖4。

3 屋頂花園與太陽能光伏發電一體化的結合

項目采用的光電建筑一體化是光電系統依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式，其主體是建筑，客體是光電系統。項目的設計以不損害和影響建筑效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則，通過合理的建筑設計、發電系統設計和結構安全性與構造設計，實現光電系統與建筑的和諧統一，充分與周圍環境協調一致，既美觀又實用。

圖2

圖3

圖4

3.1 屋頂花園

項目所采用的屋頂花園不但為師生提供了一個休憩的舒適場所，還是保護生態環境、調節小氣候、凈化空氣、提高綠化覆蓋率、降低熱島效應的措施。此外弧頂花園還有保護建筑物，減少日光輻射，降低室內環境溫度與濕度，減緩屋頂風速等作用，如圖5。

3.2 中水回用噴淋系統

鄭州大學利用本校現有的污水處理科研力量，啟用雨水利用工程。本著雨污分流、分質處理的原則，主要利用人工濕地和膜生物處理技術，對水質較穩定的盥洗用水和洗浴廢水進行處理。利用現有的蓄積雨水的方涵，收集的雨水經過簡單處理，經由噴淋系統起到清洗光伏板、灌溉植被的作用，如圖6。

利用光伏板的雨水回收噴淋系統對光伏板清洗、降溫以增加發電效率，同時還對屋頂花園的植被進行噴淋回灌，在充分利用太陽能的情況下，改善建筑室內熱環境，創造綠色的生態微循環。

圖5

4 環境效益和社會效益

4.1 節能減排

太陽能光電的建筑應用，有利于減少CO2、SO2及粉塵的排放，有利于減少煤炭消耗等化石能源的消耗。

按照電廠供電每千瓦時消耗標準煤400g計算，該項目安裝的太陽能光伏發電系統每年發電量2498400kWh，每年可替代標準煤999.36t。同時，相應減少CO2排放2468t，減少SO2排放20t，減少粉塵排放10t。對減少溫室氣體排放、減輕能源緊張和環境壓力，起到積極的推動作用。用奠定基礎。

圖6

4.2 光伏電站對周圍環境的影響

光伏電站建立在鄭州大學新擴建的校區，運行的過程中沒有噪音污染。鑒于電站與建筑的完美結合，電站不設在地表，不損壞校區綠化和植被，對生態環境沒有影響。

4.4 提高公眾對光伏發電技術的認識

社會公眾對光伏發電技術的認識直接影響著光伏發電系統的規模化應用，該示范項目的建成，將向社會公眾展示光伏發電的優越性，以直觀數據扭轉公眾簡單地以能源價格來評判其優劣的偏見。

4.3 確立中部地區太陽能光伏建筑應用模式

該示范項目適合在河南省及我國中部相似地理特征、氣候狀況和建筑風格的地區建設，為中部地區太陽能光伏建筑的規模化應

4.5 帶動河南光伏產業，促進地方經濟發展

河南光伏產業雖起步較晚，但近年來發展迅速，在一定程度上代表著我國中部地區光伏產業的發展水平。鑒于目前我國光伏系統的應用現狀以及河南省的經濟條件，該工程的建成，對于推動河南光伏產業的規模化應用，促進光伏相關產業鏈的形成和發展，起到了一定的促進作用。