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首都博物馆新馆太阳能光伏体系工程设计剖析

时间:2019-04-14编辑: admin 点击率:

  首都博物馆新馆太阳能光伏体系工程设计剖析

  作者:祝敬国

  本文剖析了首都博物馆300kW太阳能光伏体系工程规划中的设备和并网的技能关键,终究到达了修建与太阳能光伏体系的体系集成。

  1 太阳能运用是修建节能的必然趋势

  现在,全球修建物自身能耗约占国际总能耗的三分之一左右。因而,修建应该是首要的节能范畴。

  节能,就是讨论怎么最大极限地削减能量糟蹋。从运用动力的意图和方法进行区分,节能可以分红直接节能,广义节能和潜在节能三种类型。

  直接节能,指的是削减不合理的需求来节省能耗。例如,白日关路灯,风管少漏风,下雨不浇花。一句话,直接节能就是底子不应该耗费的动力坚决不耗费。

  广义节能,则是指在满意需求的前提下进步动力的运用率,然后削减应该耗费的那部分动力的耗费。例如,空气热收回设备的运用,保温墙体资料的运用,光照度的合理调控,日子用水的二次运用等。

  潜在节能,是把可以运用的动力尽可能地运用起来。例如,美国有些修建运用公共走廊地毯下设备的踏板,将人体走路时的重力效果带动发电机的中心轴,处理走廊等的照明。在可以预期的将来,潜在节能将有极大的开展。

  可是,在修建节能中存在着一种外表化现象。即简略地以能耗费用作为节能标志。只看修建运转的一次能耗方法,不考虑这种能耗方法在制作、以及改换进程的总能耗。比如,冰蓄冷技能。不只在它的设备制作中资料提炼、加工需求能耗,在其运转中由电到冰、由冰到冷的能量改换进程中都存在着能耗。因而,外表的舒缓顶峰电力和电费开支的多少,并不意味着资源耗费的节省。

  咱们寻求的是对全人类而言的总动力的节省。因而,新式动力方法的引入是引发绿色动力革新和绿色修建革新的交汇点,是节能的干流。其中将太阳能光伏发电体系运用于修建就是未来的开展方向,就像石油构成今日的人类时机相同。

  太阳能光伏发电体系可以有用地运用修建物房顶和幕墙,无需占用名贵的土地资源,这关于土地贵重的城市尤为重要。太阳能光伏发电体系可原地发电,原地运用,削减了电力运送的线路损耗。因为太阳能发电板阵列一般设备在房顶及墙面上直接吸收太阳能,因而太阳能光伏发电体系一起降低了墙面及房顶的温升,减轻了修建的空调负荷,降低了空调的能耗。

  太阳能光伏发电体系的各种彩色光伏组件,可以替代和节省贵重的外饰资料(如玻璃幕墙等),使修建物的外观共同和谐,美化修建环境;太阳能光伏发电体系正是在白日用电顶峰期供电,然后舒缓顶峰电力需求,这关于顶峰电力严重区域及无电少电区域更为重要。装备蓄电池后,太阳能光伏发电体系除了确保自身用电外,还可以满意安全用电设备的不断电要求。

  我国政府十分重视太阳能的归纳开发与运用。先后将太阳能列入新动力和可再生动力技能开展的研讨开发与运用战略要点。早在1999年国家有关部分就将开发高效率、低成本的太阳能集热、光伏技能列为优先开展的高技能产业化要点范畴。依据国家1996-2020年太阳能光电开展计划,我国2020年的太阳能光电总容量将到达300Mw。

  我国从80年代开端试验被迫太阳能的热运用。可是,被迫太阳能运用仅仅简略地直接改换为日子用水的加温,停留在低水平运用层。它与智能化体系也没有发作什么关系。而太阳能发电技能这个典型的自动型潜在节能,将会对智能化体系提出更高、更深的技能要求,要求智能化体系深化与供能设备、发电设备的体系集成,确保整个修建内电力的分配和平衡。

  2 首都博物馆新馆的修建条件

  北京市坐落北纬36度56分,东经116度20分区域。全年日照2,662小时,均匀规范日照时间为4-5小时。理论上每平方米日照面积可达1,000W能量,属太阳能资源丰富区域。

  首博新馆作为北京的标志性修建物,是市政府奥运工程配套项目中的要点工程。为了更好地将修建与艺术、修建与高新技能相结合,合作北京2008年奥运会,杰出绿色北京、绿色奥运理念,努力创造绿色、环保、节能城市全体形象,首都博物馆新馆建造工程业主委员会在市领导和有关部分的支持下,决定在首博新馆修建房顶设备太阳能光伏发电设备,使首博新馆建构成集节能、环保与高科技为一体的、充溢现代气味的博物馆,详细而形象地体现太阳能资源运用,起到可持续开展的教育示范效果。

  首博新馆房顶规划为平顶挑檐结构,有利于太阳能发电板的安置与设备。依据房顶平面部分规划,设备太阳能发电板的面积5,000平方米强、峰值发电量达300kW。

  3 太阳能光伏体系的工程危险

  修建是修建技能与艺术的结晶,在修建中运用高新技能有必要遵守修建的全体规划理念。首博新馆不是为建造太阳能体系盖一个修建,而本来首都博物馆新馆建造使命书中并没有提出设备太阳能体系的要求。现在的修建造计和结构规划也没有考虑屋面上再架起太阳能电池板的结构与荷载、底子没有规划设备太阳能电池板的支架接点。从修建外观、造型的视点,咱们也不期望在屋面上再加出一层太阳能屋面。因而,太阳能光伏发电体系的结构方法有必要遵守首博新馆修建的全体规划理念、契合首博新馆房顶结构规划等各种条件要求。而且太阳能光伏发电体系的设备不能损坏首博新馆修建造型,不能损坏装饰性屋面轻盈、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危险。怎么处理太阳能光伏发电板在屋面设备时对屋面负荷、造型的影响等问题,一直是建造首博太阳能光伏发电体系的核心问题。工程要确保可以成功地满意功用要求,不行以出事端。特别不行以出重大事端。一旦刮下一片太阳能玻璃板就会变成大祸,乃至出人命!

  太阳能工程有必要确保修建物的安全,太阳能体系不只仅要确保自身体系的安全可靠,一起要确保修建的安全可靠。有必要考虑设备条件和设备方法、设备强度。包含太阳能光伏电池板在屋面设备时对屋面负荷的影响问题,包含太阳能电池板自身载荷和抗风才能、抗冰雹冲击等工程运用问题。

  以往的太阳能组件设备需求选用平架或许斜撑架起备方法,这种设备方法不只会损坏修建物的完整性和修建外观造型,而且对屋面防水存在晦气影响。特别是需求接受屋面空气层流所发作的很大的风力。

  依据气候资料,我国海平面的底子风速,依照30年一遇的10分钟均匀风速核算值可以得到若干城市的风压系数。

  首要城市北京\上海\天津\济南\杭州\广州

  风压 kg/m 23\55\03\54\06\05

  表1、我国首要城市风压表

  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,

  离海平面高度m1020304050

  陆上风压系数KH11.251.411.541.63

  表2、陆上风压系数表

  当然,修建屋面不同的修建形状和结构所发作的空气层流效果是各部相同的。为了检测首都博物馆新馆屋面的空气动力学特性,特别托付北京大学进行了专门的风洞试验,依照风洞试验的数据核算,首都博物馆新馆屋面的空气层流会发作上下外表压力代数和-2.2以上。

  核算结果(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

  归纳上述要素,首都博物馆新馆选用了非晶体柔性太阳能发电板、以特种粘合剂直接张贴在屋面板的技能方法。这样既不会影响修建造型,也不需求对屋面结构进行从头核算和加固。特别重要的是,以特种粘合剂直接张贴在屋面板的技能方法不再存在太阳能发电板和屋面之间的空气腔,从底子上处理了空气层流效果的发作。

  别的,在修建天棚上嵌装太阳能光伏发电板时,一般都需求考虑天棚房顶会否发作漏水问题。直接张贴方法从底子上杜绝了渗漏问题。

  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。即在极点的气候条件下,常常会有玻璃破碎状况发作。直接张贴的非晶体柔性太阳能发电板以不锈钢为基板,不会因为冰雹等天然灾害发作破碎。

  当然,选用粘结方法,对粘合剂的功能和张贴工艺需求特别注意。假如张贴其时的屋面天然气温过高或许过低,都会影响到张贴的结实度。而且,所用的粘结剂有必要可以饱尝得住天然气候的改变。不因为四季改变、日晒和积雪积雨而影响粘结度。

  平架/斜撑方法张贴方法

  抗风才能弱抗风才能强

  影响屋面造型与屋面一体化

  易引起渗水等问题不存在渗水问题

  与屋面资料热膨胀的匹配问题与屋面资料热膨胀的匹配问题

  4 太阳能光伏体系的运转危险

  依据并网光伏体系是否答应经过供电区的变压器向主电网馈电,分为可逆流和不行逆流并网光伏发电体系。

  一般太阳能光伏发电体系有二种不同的运转方式,即依据并网光伏体系是否与公共电网并网衔接,分为现在常见的经过电池储能、与公共电网分路的独立供电方法和与公共电网并联的并网供电方法。

  独立供电方法是先将太阳能光伏发电体系所宣布的电能储存到电池组,改换成为化学能。然后从电池组把化学能改换成为直流电,经过逆变器改换成为沟通电独立输出供应低压负载。独立供电方法杰出的长处就是发电与用电可以不同步。太阳能光伏发电体系所宣布的电能可以存储起来,不在发电其时运用。或许说,白日发电晚上用。并网供电方法时,太阳能光伏发电体系所宣布的直流电不管是否经过化学电池组,终究经过逆变器改换发作的沟通电,或许向电网发送电能,或许与电网端接一起输出到低压负载。也就是其时发电其时运用。现在,美国、德国等西方先进国家大多采纳并网供电方法。而我国绝大多数仍是选用电池储能的独立供电方法,太阳能光伏发电体系宣布的电能独立供应负载,不与公共电网衔接。前些年上海某幢大楼从前计划选用太阳能光伏发电体系并网供电方法,可是因为供电部分忧虑影响电网的稳定性未予答应,终究未能投入运转。近年来,北京电力公司会同相关单位在怎么确保并网光伏发电体系的安全和运转办理方面进行了活跃的探究,获得了一些经历,在北京区域呈现了多个并网光伏发电体系运用工程。

  为什么供电部分对并网太阳能光伏发电体系如此慎重呢?众所周知,并网供电方法中太阳能光伏发电体系的逆变器输出与电网并联。而当一组电源与另一组并联时,有必要坚持二组电源电压、相位、频率等电气特性的共同,不然就会发作二组电源相互之间的充放电,构成整个电源体系的内讧和不稳定。

  首都博物馆的初衷是运用太阳能光伏发电体系处理博物馆内白日公共区域的人工照明用电,也就是白日发电白日用,因而,选用并网太阳能光伏发电体系是最直接、最有用的供能方法。而经过电池的独立供电方法则会添加二次电能-化学能-电能改换损耗。

  选用并网供电方法需求处理得底子问题是,从技能视点确保并网的太阳能光伏发电体系从电能质量和并网维护等方面采纳办法,确保太阳能光伏体系向自身沟通负载供给电能和向公共电网发送电能时的质量处于一直受控状况,确保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体系在与公共电网联接时经过变压器等进行电气阻隔,构成与公共电网市政供电线路之间显着的分界点。而且确保并网太阳能光伏发电体系的发电容量在上级变压器容量的20%以内;一起完成直流阻隔,使逆变器向电网馈送的直流电流重量不超越其沟通额定值的1%。

  其次,要使太阳能光伏发电体系的输出电压、相位、频率、谐波和功率因数等参数在满意有用要求的一起,可以随动公共电网的相关参数。

  再就是设置相应的并网维护设备,一旦呈现光伏体系和电网发电反常或毛病时,可以自动将光伏体系与电网别离。

  这儿,关键在于太阳能光伏体系的逆变器输出端与公共电网在低压端并接时,自控设备对公共电网的电压、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,确保并网光伏发电体系与公共电网的同步运转。

  0.5Hz。然后在运转时不构成电网电压波形过度的畸变,和?首都博物馆经过研讨太阳能光伏发电体系的电气特性,为了处理太阳能光伏体系在低压端并网的切换与自动补偿,在太阳能光伏体系中采纳了二方面的办法。首先是在负荷规划上选用三台逆变器和确保多运转方式下光伏体系三相输出的平衡,获得三相电压的最大不平衡度不超越4%。。别的选用了沟通电源盯梢技能。当公共电网供电端的电压和频率等参数在正常规模内改变时,并网光伏发电体系的输出可盯梢公共电网的电压和频率、相位等的改变,随时调整其沟通输出功率、沟通输出电流(高次谐波)、频率和相位,使之与电网相匹配。光伏体系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导致注入电网过度的谐波电流。

  再就是从运转安全和维护安全的视点,在太阳能光伏发电体系中设置了三级短路开关,施行过/欠电压维护,确保设备和人身安全,避免事端规模的扩展。特别是一旦发作并网光伏发电体系电网失压时,自控设备将在1秒内动作,把光伏体系与电网断开,自动避免孤岛效应。

  一起,在修建智能化体系的施行中,开发并完成了太阳能光伏体系与修建造备自动化体系的接口和集成技能,完成了楼宇自动化体系对太阳能光伏发电体系的二次监控,进一步进步了太阳能光伏发电体系与公共电网之间的安全性。

  5 结 语

  太阳能光伏发电体系为子孙后代供给了可持续开展的空间,国际上许多国家(如欧洲国家、美国、日本等)都在活跃倡议太阳能光伏发电。可是,正象一切的出产都需求考虑投入产出相同,任何新式动力方法的选用都会有一个耗费多少能量、产出多少能量的比率问题。太阳能光伏发电体系在出产制作进程中,不管是发电板相关的硅晶体、钢材或玻璃的锻炼,以及其他相关逆变器等各种零部件的出产加工,都需求耗费必定能量。全地球的动力是一个大体系。这些预先耗费的能量,宇建成今后产出的能量之比,是值得考虑的大问题。例如,现在有一些晶体太阳能光伏发电体系的技能水平很初级,出产中耗费的电能需求产出的太阳能板发电19年才可以补偿。而它的实践运转生计周期不到20年!而某个非晶体太阳能光伏发电体系只需求发电7年就可以补偿出产建造进程的能耗。可见,即使是选用新式可持续开展动力,依然应该考虑产能技能问题。

  出路是光亮的。跟着太阳能光伏发电体系技能的进步和运用的增多,太阳能光伏发电体系必将成为21世纪的开展趋势。

  (修改:xiaoyao)

  

   光伏体系太阳能博物馆

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