国家体育场太阳能光伏发电技术应用的研究
国家体育场太阳能光伏发电
技术应用的研究
中国建筑设计研究院
李炳华、王玉卿、王振声、李战赠、马名东、王烈（100044）
摘要:根据国家体育场现状条件，对太阳能光伏发电技术的应用进行研究，由地理位置、日照条件、转换效率等因素，得出国家体育场采用单晶硅、并网发电系统，并对其应用提出要求。
关键词:太阳能, 光伏发电, 并网, 独立, 日照, 国家体育场
Research for Application of Photovoltaic Systemin National Stadium of Beijing
China Architecture Design &Research Group
Chris .B.H. Lee, Wang Yuqing, LiZhanzeng, Mamingdong, Wanglie, Wangzhensheng
（100044）
Abstract: Application of PV system has been researched in National Stadium ofBeijing according to existing condition. Grid-connected Photovoltaic system hasalready been applied by analyzing position of NSB, sunlight, transferring efficiencyfrom solar energy to electrical one, etc. Requirement about application of PVsystem has been pointed out.
Keywords: Solar energy, PV system, Grid-connected Photovoltaic system,Stand-Alone Photovoltaic Systems, Sunlight, National Stadium of Beijing
1 概况
举世瞩目的国家体育场[1]是2008年北京夏季奥林匹克运动会的主体育场，2008年奥运会期间，该体育场将举行开幕式、闭幕式、田径比赛、足球决赛等项目。国家体育场也是北京奥林匹克公园内的标志性建筑，建成后国家体育场将是中国规模最大、具有国际先进水平的多功能体育场。国家体育场特有的地位和独特的造型[2]，早已为世人所熟知。其“回归自然”的设计理念成为各专业设计的主线，贯彻奥运建设全过程，充分体现“科技奥运、人文奥运、绿色奥运”三大理念，并得到国际奥委会的认可和高度赞赏。太阳能光伏发电系统则是这条主线上的一个亮点，在节能、环保方面具有重大意义。它可以充分利用清洁能源，节省资源，减少废气排放，减少对地球资源的使用和破坏，保护地球，保护环境，造福人类，造福子孙，该技术的研究与应用具有很重要的现实意义，社会效益十分巨大。
2 国家体育场的现状条件
2.1 北京的太阳资源
国家体育场坐落在中国首都北京市，奥林匹克公园的南端。北京市处于华北平原与太行山脉、燕山山脉的交接部位。东距渤海约150公里。其东南部为平原，属于华北平原的西北边缘区；西部是山地，为太行山脉的余脉；北部、东北部也是山地，为燕山山脉的支脉。北京市区的地理坐标约为北纬39.9°、东经116. 3°，与罗马、马德里及费城位于同一纬度。北京处于温带大陆性气候区，春季和秋季时间较短，气候干燥，冬季和夏季较长。北京市全年平均气温13.1℃，年日照时数为2594小时，太阳能资源比较丰富，适合于太阳能光伏发电等技术的应用，北京太阳能资源比欧洲、日本优越得多。
表1 北京市观象台历史气象信息
注：本表来自于北京气象局，年平均日照百分率为60.9%。
表2 北京地区太阳能辐射10年平均数据（单位：kWh/M2）
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月份 |
Jan |
Feb |
Mar |
Apr |
May |
Jun |
Jul |
Aug |
Sep |
Oct |
Nov |
Dec |
|
太阳能辐射量 |
2.23 |
2.89 |
4.14 |
5.22 |
5.77 |
5.85 |
5.01 |
4.71 |
4.23 |
3.31 |
2.23 |
1.95 |
注：月平均辐射量为3.96kWh/M2。该数据来自于NASA数据库。
2.2 国家体育场现状条件
图1为国家体育场及周边鸟瞰图。国家体育场主场四周为广场，北面为训练场。体育场建筑外面用钢结构编织成的“鸟巢”，顶部上层为透明的乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜。建筑物四周设有12个用于安全检查用的安检用房，叫做“安检亭”，在有活动时，安检亭是第一道安全检察关口，也是观众验票入场的第一道门。如图2所示，安检亭CP1 位于体育场的西北侧，以此为基准顺时针标注安检亭以次为CP2、……CP12。图中内圈椭圆形为主体建筑外轮廓线，主体建筑为马鞍形，南北高69.084米，东西高40.138米。外圈连接安检亭的椭圆形为奥运会时安检线。安检亭屋顶近似平顶，顶高4.37米。
图1 国家体育场总图
图2 安检亭的位置
根据国家体育场建筑、结构特点，太阳能电池板安装部位见表3。
表3 太阳能电池板安装位置分析
|
安装部位 |
电池板类型 |
优点 |
缺点 |
备注 |
|
四周地面 |
单晶硅或多晶硅 |
效率较高，投资相对较低 |
易遮挡，易损坏，影响景观 |
建筑师不同意 |
|
安检亭屋顶 |
单晶硅、多晶硅或非晶硅 |
美观，投资适中，可实现高效转换，不影响景观 |
部分安检亭受体育场遮挡 |
得到各专业认可 |
|
主体钢构件表面 |
非晶硅 |
贴于钢结构表面，面积大，总发电功率大 |
效率低，投资高，不易维护 |
建筑师不同意 |
因此，综合各种因素，太阳能电池板安放在安检亭屋面上。
3 国家体育场日照分析
3.1 基本概念
表4为有关日照的基本概念，它们对日照分析、经济技术比较起到很重要的作用。
表4 日照的基本概念
|
名称 |
定义 |
单位 |
说明 |
|
可照时数t1 |
由日出到日落的时间 |
小时 |
与纬度和日期有关，可从气象常用表或天文历中查得，不考虑云层等影响。 |
|
实照时数t2 |
太阳实际照射到地面的时间 |
小时 |
由于云和天气现象的影响，阳光不可能全部到达地面。一天内，t2≤t1。 |
|
日照百分率η |
日照时数与可照时数的百分比。 |
% |
η＝100% ×t2/t1 |
|
光照时间t3 |
包括曙暮光在内的昼长时间 |
小时 |
T3＝t1＋曙暮光时间 |
3.2 日光计算与日照分析
图3 安检亭日照分析
图3为计算机仿真计算图，图3a冬至日光分析图，清晨当太阳跃出地平线时，太阳位于东偏南，体育场主体建筑在西北侧留下长长的影子（图中左侧红线）。随着上午-中午-下午-黄昏，体育场建筑的影子也由西北侧逐渐地移动东北侧。图中画出了每隔一小时体育场留下的影子。可以看出，西侧、北侧、东侧安检亭或多或少有些遮挡，这对太阳能的利用带来影响。图3b为6月22日夏至日日照分析图，图3c为秋分日日照分析图，图3d为3月21日春分日照分析图，他们都有类似的结论。经过仿真，得出图4各个安检亭日照参数，相关参数标注在每个安检亭旁。
应该说明，日照分析按欧洲委员会定义的101号标准条件下进行分析，其条件是：光谱辐照度为1000W/m2，光谱为AM1.5，电池温度为25℃。太阳能电池的输出功率在此条件下定义的。
综合上述日照分析，12个安检亭的日照时间见表5。南侧三个安检亭CP6、CP7、CP8具有很好的日照条件，平均日照时间大于9小时，完全可以利用。东西两侧的安检亭CP5、CP4、CP9、CP10日照条件较好，平均日照时间在6小时以上，可以利用其装设太阳能电池方阵。北部的安检亭CP1、CP2、CP3、CP11、CP12平均日照时间在4小时以下，太阳能利用价值不高，经济上也不合适，不宜在其上装设太阳能电池方阵。
注意！平均日照时间T为在欧洲委员会101号标准条件下，某处一年中获得的总的可照时数除以365天，单位为小时。
因此，平均日照时间不同于可照时数，它考虑到建筑物遮挡等因素；它也不同于实照时数，它没有计及天气的影响。实际照射到安检亭上的阳光时数应为：
Tr =T×η (1)
其中, Tr--实际日照时间，单位：小时；
T--平均日照时间，单位：小时；
η--日照百分率，单位：%；
图4 各个安检亭日照参数
表5 各安检亭的日照时间T
|
安检亭编号 |
起止时间（时） |
平均最小日照时间T（小时） |
太阳能利用评价 |
|
CP12 |
16：00~17：00 |
1 |
差 |
|
CP11 |
13：00~17：00 |
4 |
一般 |
|
CP10 |
11：00~17：00 |
6 |
较好 |
|
CP9 |
10：00~17：00 |
7 |
较好 |
|
CP8 |
8：00~17：00 |
9 |
好 |
|
CP7 |
8：00~17：00 |
9 |
好 |
|
CP6 |
8：00~17：00 |
9 |
好 |
|
CP5 |
8：00~15：00 |
7 |
较好 |
|
CP4 |
8：00~14：00 |
6 |
较好 |
|
CP3 |
8：00~12：00 |
4 |
一般 |
|
CP2 |
8：00~11：00 |
3 |
差 |
|
CP1 |
8：00~10：00 |
2 |
差 |
4 国家体育场太阳能光伏发电系统的设计
4.1 太阳能光伏发电技术简介
图5 太阳能半导体晶片
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种发电系统。如图5所示，上部为N型半导体，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子，在半导体中掺入硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生1个空穴，这个空穴因为没有电子而变得非常不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型半导体。同理，图5中下半部，硅原子中掺入磷原子后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成P型半导体。
图6 太阳能电池方阵的布置
当P型半导体和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结[3]。光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生成一对正负电荷，PN结区域的正负电荷被分离，形成外电流场。如果将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间，负载上将有电流流过。太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，致使太阳能电池的效率下降。太阳能半导体晶片通过有序的组合形成太阳能电池组件，若干太阳能电池组件构成太阳能电池方阵。
4.2 电池板设置位置的确定及安装要求
从经济、技术两个方面综合分析，国家体育场在CP4、CP5、CP6、CP7、CP8、CP9、CP10七个安检亭屋顶上布置太阳能电池板。太阳能电池板安装有以下要求：
1）满足建筑师总体美观要求，太阳能电池板平放在屋顶上，并有2%坡度，以利排水；
2）具有良好的散热要求，电池板距屋面有缝隙，便于通风；
3）便于维护、保养；
4）CP1、CP2、CP3、CP11、CP12不宜安装太阳能电池板的安检亭，屋面采用与太阳能电池板相似或相同颜色的材料，便于从高处（例如，奥运会时航拍）观看到良好的景观；
5）太阳能电池方阵应固定牢固，并多点固定，能够抵挡12级风。固定件应防腐。
因此，太阳能电池板采用三排布置方式，参见图6。
4.3 系统运行方式的确定
太阳能光伏发电系统有独立运行和并网运行两种方式。两者特点比较见表6。
表6 太阳能光伏发电系统独立运行与并网运行比较
|
类型 |
独立系统 |
并网系统 |
|
定义 |
将入射的太阳辐射能直接转换为电能，不与公用电网连接的独立发电系统 |
与交流电网联接的光伏发电系统 |
|
原理图 |
||
|
构成 |
主控和监视子系统、光伏子系统、功率调节器、储能子系统。 |
无需蓄电池，需并网控制器，其它同左。 |
|
特点 |
需要蓄电池作为储能装置，存在二次污染，整个系统造价很高。 |
将太阳能发出的多余电能卖给电力公司，太阳能发电不足时再从电网买电。造价低，效率高，无二次污染。 |
安检亭分散在体育场主体建筑物四周，用于安全检查，平时没有赛事时，安检亭不需用电，如果采用独立光伏发电系统，白天储存的电能无法使用，因此，独立光伏系统不适合在本工程使用，应采用并网系统。太阳能并网光伏发电系统所发出的电能供体育场内用电负荷使用，当太阳能发电不足时由市电补充。
4.4 光伏发电组件的选择
光伏发电组件可以采用非晶硅材料，也可以采用晶体硅型组件，两者特点见表7。
表7 非晶硅组件与晶体硅组件的比较
|
类型 |
非晶硅 |
单晶硅 |
|
型号 |
PVL-136B |
STPM160S-24/V |
|
峰值功率(Wp)（W） |
136 |
165 |
|
开路电压(Voc)（V） |
46.2 |
43.6 |
|
短路电流(Isc)（A） |
5.1 |
5.04 |
|
峰值电压(Vm)（W） |
33 |
34.8 |
|
峰值电流(Im)（A） |
4.13 |
4.74 |
|
额定工作温度(℃) |
43±2 |
|
|
抗风力或表面压力 |
2400Pa，130km/h |
|
|
绝缘强度 |
DC3500V,1min，漏电电流≤50 |
|
|
冲击强度 |
227g钢球1m自由落体，表面无损失 |
|
|
外形尺寸(mm) |
5490×393.7×3.048 |
1800×900×7 |
|
重量(kg) |
7.718 |
40 |
|
优点 |
重量轻、柔软性好、耐久性好、易于安装、阴影下也可发电 |
光电转换效率高，达15%以上；耐冲击；造价低 |
|
缺点 |
光电转换效率低，在10%以下；造价高 |
重量重，阴影下不能发电 |
综合各种因素，本工程选用单晶硅太阳能组件。每个安检亭屋面面积约193平方米，每个安检亭均采用BIPV光伏发电组件，组成太阳电池方阵，太阳能电池方阵1800mm长、900mm宽、厚7mm。在标准条件下，预计每个安检亭组成14.4kW的太阳能电站，七个安检亭太阳能发电共预计100.8kW。
目前，该方案正在深化设计中。
4.5 太阳能光伏发电系统的通信要求
太阳能光伏发电系统应具有通信功能，将光伏发电系统的相关数据收集，并实时显示相关参数。系统可以通过Internet发布相关信息。
通信协议：OPC、TCP/IP、DDE。
在12个入口处LED信息显示屏（赛事使用11块）显示太阳能相关信息，在贵宾入口处设置一块固定屏。
4.6 太阳能光伏发电系统环保分析
据计算，采用100.8kW 太阳能光伏发电系统，一年可发电约883MWh，节约标准煤约336吨，减少二氧化碳排放约215吨，减少二氧化硫排放约5.2吨。
5 结束语
国家体育场太阳能光伏发电技术的研究和应用，是落实奥运“三大理念”的具体体现。目前该设计正在深化之中，力求将该技术进一步完善。
参考资料：
[1]“中国国家体育场”，李兴钢，《主办城市，经济导报特刊》Spring2006；
[2] 《智能建筑电气技术精选》，中国电力出版社，2005年5月第一版
[3]《新能源在建筑中的应用》王长贵、郑瑞澄主编，中国电力出版社，2003年7月第一版
[4]“国家体育场场地照明设计初探”李炳华，《建筑电气技术文集》（2003年），全国建筑电气设计技术协作及情报交流网 编，兵器工业出版社，2003年10月第1版