青岛火车站BIPV并网光伏发电系统———青岛火车站BIPV并网光伏发

摘要：根据青岛火车站现场实际情况及建设单位、设计院的的具体要求，对BIPV技术和并网发电技术的综合应用进行研究，提出青岛站总体设计方案，并对设计要素，关键技术，对环境的影响，综合社会效益等进行详细阐述。

一、项目概述
青岛客运站改造工程是青岛市迎接奥运会标志性工程之一，建筑呈“Ｕ”形布局，形成开阔的欧式风格站房，雨棚采用拱形单层网壳屋面承重体系，上敷实芯阳光板，在广场南部架设空中观光连廊，上敷设光伏组件板，利用太阳能发电为客运站提供部分电力，并提升青岛火车站的形象，体现绿色奥运的精神，为节能减排起到表率作用。  
二、光伏建筑一体化（BIPV）
光伏建筑一体化（building integrated photovoltaic）就是将光伏发电系统和建筑幕墙、屋顶等围护结构系统有机的结合成一个整体结构，不但具有围护结构的功能，同时又能产生电能，供建筑使用。
光伏建筑一体化有以下一些优势：
（1）        建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构；太阳电池是固态半导体器件，发电时无转动部件、无噪声，对环境不造成污染；
（2）        可就地发电、就地使用，减少电力输送过程的费用和能耗、省去输电费用；自发自用，有削峰的作用，带储能可以用作备用电源。分散发电，避免传输和分电损失（5-10%），降低输电和分电投资和维修成本；并使建筑物的外观更有魅力。
（3）        因日照强时恰好是用电高峰期，BIPV系统除可以保证自身建筑内用电外，在一定条件下还可能向电网供电，舒缓了高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；
（4）        杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。
三、青岛火车站BIPV设计
由于青岛站建筑设计中要求光伏组件安装后具备雨棚基本的采光遮阳挡雨功能，因此光伏组件板组件采用夹胶玻璃类型，符合国家规范对建筑采光顶的要求，确保安全功能。采用非晶硅薄膜电池，外层为高透低铁超白玻璃，比普通玻璃可以透过更多的太阳光，产生更多的电量，在弱光的早晨、傍晚、雨天也能发电。光伏组件表面呈深褐色，内表面为银色，并镀有Low-e膜，具有良好的建筑热工性能，保温隔热效果与双层Low-e玻璃相当。内侧银色与室内装饰效果能很好的结合，并能衬托室内简洁典雅的风格。组件尺寸与建筑分格一致，透光线条统一，骨架和线槽安装隐蔽，没有凌乱无序感，达到装饰与结构完美结合。
图3.1  BIPV内视全景效果图（实景拍摄）  
图3.2  BIPV内视局部效果图（实景拍摄）
四、太阳能光伏并网系统设计
4.1 光伏发电系统简介
人类对太阳能的利用很早就开始了，最早可追溯到上个世纪20、30年代。在60、70年代，太阳能光伏电池已经在实际使用中获得了不错的效果，但由于当时的光伏组件转换率不高，同时价格昂贵，所以没有得到大面积的推广。
人类真正大规模应用太阳能进行光伏发电，还是本世纪初，2000年前后，在以德国为首的欧美国家大力倡导和扶持下，太阳能热潮席卷了全球，促成了太阳能光伏产业的快速发展。
太阳能光伏发电系统由于其能源来自太阳，取之不尽，用之不竭，获得了人们的青睐。同时由于太阳能光伏发电系统没有转动部件，没有噪音污染，基本无故障，比其他常规发电方式都要好，对环境没有污染，非常环保。太阳能电池的使用寿命很长，一般可达到20年，其标准为太阳能电池发电能力衰减到额定值的80%以下即认为寿命终止。太阳能光伏发电系统的主要投资集中在太阳能电池上，所以一般定义系统的使用寿命以太阳能电池寿命为准。太阳能光伏发电一次投入，长期收益。
太阳能光伏发电系统主要有以下几种形式：
a）    小型独立电站（户用电源、通讯电源）
b）    中型独立电站（岛屿集中型电源系统）
c）    小型并网电站（屋顶并网发电系统）
d）    大型并网电站
其中，独立电站由于要使用储能装置（通常使用蓄电池），所以造价比并网电站要高，同时由于蓄电池等储能装置的使用寿命较短，一般为3到5年。因此增加了维护工作量和维护费用。所以，除非一些特殊应用场所，现在人们习惯使用并网电站，一是降低投资，二是减少维护费用及维护工作量，提高系统整体稳定性和可靠性。
与建筑结合的BIPV并网发电系统，由于代替了原有的部分建筑功能，在扣除原有建筑材料成本后，使得BIPV光伏发电系统相对其他光伏并网发电系统综合造价降低。其次，BIPV项目不占用新的土地，节省了大量的土地资源，其社会综合效益非常高。
4.2 BIPV系统设计原则
BIPV系统主要由建筑外围护系统和光伏系统两部分组成。设计中需要参照以下原则。
4.2.1 外围护结构：屋面、幕墙
   a、必须考虑美观、耐用；
   b、必须具备基本的建筑功能；
   c、必须满足建筑设计规范（载荷、受力）。
4.2.2 太阳能光伏发电系统：电力生产及分配
   a、尽可能多地为建筑提供清洁的绿色能源；
   b、作为电力系统，必须安全、稳定、可靠。
4.2.3 设计中着重考虑的因素
a、    气候条件：
当地的气象因素是太阳能系统今后发挥效能的最重要影响因素；我国幅原辽阔，各地的气象条件，尤其是辐照强度差别很大，在系统设计中，应充分考虑这种差异。
b、   建筑围护系统：
由于工程所在地的气象条件不同，包括不同的基本风压、雪压；安装的位置不同，如屋面、立面、雨蓬等，都会使围护系统的结构不一；
同时，光伏组件的规格并不像普通的玻璃一般，可随意进行切割，在进行分格时也必须充分考虑；
目前国内常用的非晶硅光伏组件尺寸为1245 mm x 635 mm。而在本项目中，板块的规格尺寸由于必须与风雨棚的钢结构对应，同时要考虑今后清洁、维护，满足建筑安全的要求。因此，在本工程中，共出现了19种不同的规格。 4.3 工程现场使用环境和条件
a）      工程地点：山东省青岛市；
b）      环境温度：极端最低温度－15.5℃，极端最高温度35.4℃；
c）      日照小时数：近五年内的年日照小时数平均值2156.6；
d）      青岛地区按照百年一遇基本风压为0.60KN/m2，并考虑阵风系数；
e）      安装条件：建筑屋面一体化；
f）      系统型式：并网运行。 4.4 光伏组件选择与阵列设计
4.4.1 光伏组件选择
在设计当中，我们选择了非晶硅光伏组件，主要原因是非晶硅光伏组件有如下特点：
a）    耗用生产资源少
制作非晶硅的工艺为PECVD，耗能低，其所耗能量回收期在1.5年左右。
b）    良好的高温发电性能
非晶硅的温度系数为-0.19%/℃，而晶硅则为-0.5%/℃。如果相同峰值功率的两种电池在60度下工作，由于温度的影响，则非晶硅比晶体硅的发电功率多13.5%.
c）     良好的弱光发电性能
比较适应青岛的气象条件，并具有较好的建筑效果，也是非晶硅在建筑上应用的一大优势。
d）    工程造价低
从单位面积而言，非晶硅成本较低。
从节能环保意义上来说，采用薄膜电池由于耗费更少的社会资源，更少的污染，更能达到绿色建筑的要求。
e）     抗应变能力强
从电池结构而言，晶体硅电池不能承受大的变形，非晶硅薄膜电池组件更适合用于受力的结构件上。
4.4.2 电池阵列设计
设计选用的BIPV组件主要参数如下：                                    标准功率 Pm