某工業(yè)園區(qū)建筑一體化光伏系統(tǒng)電氣設計

楊路，黃偉東，劉悅

(中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052)

1 引言

建筑一體化光伏系統(tǒng) （Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是指在建筑上安裝光伏系統(tǒng)，并通過專門設計，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結合[1]。為完成我國2030年達到碳排放高峰、2060年達到碳中和的目標，必須強化太陽能等清潔可再生能源在建筑中的推廣應用力度。為此，GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》第5.2.1條規(guī)定新建建筑應安裝太陽能系統(tǒng)[2]。該規(guī)范為強制性工程建設標準，全部條文必須嚴格執(zhí)行。規(guī)范中所講的“太陽能系統(tǒng)”，包括太陽能熱利用系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)3類。對于電氣專業(yè)而言，涉及的即太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文也僅討論光伏發(fā)電系統(tǒng)。

筆者從事工業(yè)建筑電氣設計多年，結合某工業(yè)園區(qū)建筑一體化光伏系統(tǒng)（BIPV）電氣設計實例，對電池選型、系統(tǒng)組成、監(jiān)測系統(tǒng)等全流程進行了詳細介紹，給出了具體的參數(shù)計算和發(fā)電量估算結論，可供相關工程技術人員參考。

2 項目概況及系統(tǒng)概況

圖1為某工業(yè)園區(qū)二期的鳥瞰圖。項目二期包含5幢單體建筑，分別為試驗檢測中心（辦公樓）、綜合服務樓（食堂+宿舍）以及1#、2#、3#生產(chǎn)樓。其中，試驗檢測中心地下室和3#樓一層分別設置變電所。本文僅以3#樓屋面光伏一體化系統(tǒng)為例進行電氣設計。

圖1 某工業(yè)園二期鳥瞰效果圖

常見的建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)分類方式如表1所示。

表1 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

本工程3#樓占地面積為1 983 m2，建筑面積9 531 m2，建筑高度21.6 m。大樓自一期高壓室引入一路10 kV電源供電，變電所位于一層，設1臺1 250 kV·A的10/0.4 kV變壓器。本工程為中型系統(tǒng)，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)。3#樓單體屋面約1 660 m2，但除去必要的設備用房等，結合場地條件及組件布置要求，設計安裝標準光伏組件240塊。為方便設計施工及減少投資，本工程不采用微逆變器，只采用一種并網(wǎng)逆變器。將240塊光伏組件分為3組，通過匯流箱接入3臺并網(wǎng)逆變器。

3 系統(tǒng)各部分組成

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)最基礎也是投資最大的器件，大致可分為晶體硅和薄膜電池兩大類，這兩大類的特性比較見表2[3]。

表2 晶體硅電池和薄膜電池特性比較

經(jīng)過成本比較及各方面利弊權衡，本工程采用多晶硅光伏組件，其主要的技術參數(shù)如表3所示。

表3 本工程多晶硅組件主要參數(shù)

3#樓及園區(qū)其他單體屋面均為混凝土屋面，組件采用支架固定安裝在屋面，正面朝南，傾斜角經(jīng)計算取22°。同樣的，逆變器和匯流箱也采用支架設置在屋面，交流配電箱則設置在屋面預留的專用配電間（電井）內。

如前文所述，240塊組件分成3組，每組80塊，20塊串聯(lián)，4組并聯(lián)。系統(tǒng)組成從直流發(fā)電端到交流輸出端依次包括光伏組件、組串電纜、過流保護器、匯流檢測裝置、逆變器、交流配電柜、并網(wǎng)柜等。系統(tǒng)中的部分典型器件選擇如表4所示。

表4 B I P V系統(tǒng)主要器件選型參數(shù)

因本項目的光伏組件最佳工作電流為8.2 A，最佳工作電壓為29.88 V，光伏方陣為20串04并，故輸出電流峰值為8.2×4=32.8 A，輸出電壓峰值為29.88×20=597.6 V，輸出峰值功率為19 600 Wp，故逆變器選擇額定輸出功率20 kW。將3路逆變器輸出通過ZC-YJV-0.6/1 kV-（5×10）電纜依次接到交流配電柜、并網(wǎng)柜、配電室即可。由于本單體為工業(yè)廠房，且對溫度、濕度有一定要求，故3路60 kWp的發(fā)電能力基本為自發(fā)自用，只有當節(jié)假日或檢修時才會出現(xiàn)余量上網(wǎng)的情形。但為確保安全，本工程仍然按“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的運營模式設計，在并網(wǎng)點設置并網(wǎng)電能表。

4 節(jié)能效果估算和監(jiān)測系統(tǒng)

經(jīng)過估算，理論上本單體3#樓的光伏系統(tǒng)年均發(fā)電量約6.34萬kW·h，本工程的工業(yè)園區(qū)合計有5幢單體建筑，屋面面積基本相同，理論上合計年發(fā)電量約30萬kW·h。即使按照工業(yè)用電1元/（kW·h）的均價估算（不同地區(qū)電價不同，峰谷電價也不同，此處僅為估算方便），每年也可為公司節(jié)約電費約30萬元。

GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》第8.7.7條規(guī)定，大、中型光伏發(fā)電站應采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)[4]。JGJ/T 365—2015《太陽能光伏玻璃幕墻電氣設計規(guī)范》第6.1.1條也規(guī)定，大型光伏幕墻系統(tǒng)宜設置監(jiān)測系統(tǒng)[5]。據(jù)此，本工程設置光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括3部分：數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境監(jiān)測設備和光伏系統(tǒng)電參數(shù)監(jiān)測設備等。每個部分的組成及光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)示意圖分別如表5和圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

表5 光伏發(fā)電檢測系統(tǒng)組成

5 結語

本文結合某工業(yè)園區(qū)工程實例，以其中一幢廠房為例，詳細介紹了該廠房的建筑一體化光伏系統(tǒng)（BIPV）設計，并估算了該單體以及園區(qū)的年發(fā)電量，可為相關工程技術人員提供借鑒與參考。筆者相信，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑領域越來越廣泛的應用，一定會創(chuàng)造更多的綠色清潔能源，有效助力我國“2030碳達峰，2060碳中和”目標的如期實現(xiàn)！