万科大梅沙太阳能光伏系统
万科大梅沙太阳能光伏系统
李炳华、董青、朱永斌、邹正达等
1、LEED评估体系
随着人类日益增长的资源消耗需求，能源紧缺和环境污染成为摆在人类面前迫切需要解决的问题。早在上世纪七十年代，世界能源危机已经使发达国家开始认识到节能环保的重要性，逐步兴起绿色建筑运动。1993年，绿色建筑重要组织——美国绿色建筑协会正式宣布成立，其最重要的一项工作就是建立并推行了《绿色建筑评估体系》（Leadershipin Energy & Environmental Design Building Rating System），简称LEED。
本工程在2006年开始设计，当时的LEED标准有效版本为2.2版。该版本LEED评估体系根据评估对象的不同分为6个不同的认证体系——LEED-NC(针对新建建筑)、LEED-EB(针对既有建筑) 、LEED-CI(针对商业装修)、LEED-CS(针对建筑结构)、LEED-H(针对住宅)和LEED-ND(针对社区开发)。笔者参与的项目属于新建建筑，适用LEED-NC2.2标准。本案例介绍中除有特殊说明外，均指NC2.2标准。2009年，美国发布了LEED V3.0版本，评价方法、范围又有新的拓展和完善。
LEED评估体系主要用于评估建筑在其全生命周期中的环境性能表现，从可持续建筑场址、节约水资源、建筑节能与大气、资源与材料、室内空气质量、设计与创新六个方面、65项内容对建筑进行综合考察，评判其对环境的影响，并根据每个方面的指标进行评估和打分。65项评估内容中，有7项为必需项，其他58项为得分项，满分共计69分。其中除能效优化（EA C1）得分为1~10分、现场再生能源得分为1~3分以外，其他项每项得分均为1分。
LEED认证根据得分不同共分为4个认证级别，即认证级（26-32分）、银级（33-38分）、金级（39-51分）、铂金级（52-69分）。
到目前为止，此评估体系已成为世界范围内各类建筑环保评估、绿色建筑评估以及建筑可持续性评估标准中最完善、最有影响力的评估标准，是世界各国建立各自建筑绿色及可持续性评估标准的范本。随着我国经济发展和科技水平的逐步提高，此评估体系也被引入到国内的建设项目中，并且已有一些示范性项目成功通过了LEED认证评估。2003年，北京奥运工程采用了《绿色奥运建筑评价体系》，这是我国第一部系统、完整、易于操作的绿色建筑评价纲领性技术文件。2006年，我国颁布执行了国家标准GB/T50378-2006《绿色建筑评价标准》，标志着我国绿色建筑建设进入新的阶段。2008年8月1日国务院正式颁布了530号令，宣布《民用建筑节能条例》2008年10月1日施行。可见绿色建筑的建设将逐步成为未来建筑的发展趋势，将得到进一步的推广和应用。
下文介绍的节能环保型建筑——大梅沙万科中心，已于2010年获得美国绿色建筑协会的LEED绿色建筑评估系统中的最高认证——铂金级。
图 1 大梅沙万科中心荣获LEED白金奖
2、万科大梅沙工程简介
为达到美国绿色建筑协会LEED绿色建筑评估系统中EA C2(现场可再生能源)条文中的要求，即可再生能源的利用比例达到建筑年能耗的12.5％，在万科总部的设计中将利用太阳能这种可再生能源。大梅沙一万科中心位于广东省深圳市盐田区大梅沙海滨旅游度假区，用地面积6.17万m2，总建筑面积约12万m2，分为四个部分，其中万科总部部分为1.5万m2左右，设计中直接将太阳能发电与总部部分的专用用电变压器低压母线并网。
目前公共建筑利用太阳能资源的方式主要有两种，即太阳能热水和太阳能光伏发电。考虑到万科总部是一栋以办公功能为主的建筑，热水需求量不大，因此在万科总部的设计中将通过太阳能光伏发电方式利用太阳能资源。采用太阳能光伏并网发电系统将为万科中心总部部分提供年能耗的12.5％以上的绿色电力。
3、万科中心太阳能光伏发电系统设计
3.1 地理分析
深圳地理位置位于东经114.1°，北纬22.50。气象资料表明，深圳平均气温为春季19.0 ℃、夏季26.7℃、秋季17.7℃和冬季14.4℃。
风速情况：9月至次年2月多吹东北偏北风， 3~6月以东南偏东风为主，7月以西南风为主；年平均风速为2.7 m／s，6～9月为2.1~2.4 m／s。其他月份在3 m／s左右；年平均大风日数为7天， 7~9月大风天气稍多，5~10月台风登陆或影响本地的机会较多，其中以7~9月较频繁。
日照情况：年水平面太阳辐射总量约5225 MJ／m2；年平均日照小时数为1 933.8 h，日平均日照时数为5.30 h，每平米水平面太阳能辐射能量为1 451 kW·h／m2a。在我国，每平米水平面太阳辐射能量在1 200~1700 kW·h／m2a属于可利用区与较丰富区。根据以上年平均日小时数和日平均日照小时数等数据，不难发现深圳市太阳能等级较好，自然条件优越。
3.2 万科总部并网发电系统设计方案
3.2.1 万科总部并网发电系统的组成
万科总部并网发电系统原理框图参见图3。该光伏并网发电系统主要由以下几部分组成：①光伏阵列：包括太阳电池组件、支架混凝土结构、接线箱及电线电缆等。②直流一交流逆变设备：主要包括光伏并网逆变器、直流屏、配电柜及输入输出等。③控制检测系统：包括系统控制装置、数据采集系统、数据交换设备、参数显示和监控设备等。④附属设施：防雷及接地保护装置、预埋电缆管道及电能计量仪器等，其中最影响光伏系统发电量的就是光伏组件以及逆变器的效率。
3.2.2 太阳电池组件性能比较
当时市场上主要使用的太阳电池有单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池三大类。不同种类的太阳电池的转化效率各有差别，表1所示为中国能源研究会和国家节能投资公司共同发布的《我国新能源与可再生能源的产业化发展研究》中太阳能光伏发电报告中的有关各种太阳电池光电转换效率的对比。
表1 太阳电池光电效率对比(2008年时）
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类型 |
最高效率（%） |
面积/cm2 |
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单晶硅电池 |
14~15 |
10×10 （实用型） |
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多晶硅电池 |
12~13 |
10×10 （实用型） |
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非晶硅电池 |
8.6 |
10×10 |
由于万科中心总部部分屋顶空间有停机坪，可利用面积有限，同时兼顾建筑的美观性考虑，因此选择一种高转换效率的太阳电池以有效减小屋顶电池板的安装面积，成为电池选择时主要考虑的一个问题。
从表中不难发现，相同面积的不同种类太阳电池中单晶硅电池的光电转换效率最高，同时由于单晶硅太阳电池技术目前已经较为成熟，商用化历史最长，因此初步确定采用单晶硅太阳电池作为万科总部太阳能并网发电系统要选择的太阳电池。
由于传统的单晶硅太阳电池技术虽然在稳定的强光下效率较高，但弱光性能相对较差。针对这种缺点，近年来在传统N型单晶硅太阳电池的基础上研发出来一种称为异质结电池的新型太阳电池，所谓异质结结构就是在P型氢化非晶硅和N型氢化非晶硅与N型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜，采取该工艺措施后，改变了PN结的性能。它兼有单晶硅电池在强光下效率稳定性的优点，又有薄膜电池在弱光下性能好的特点，光电转换效率可提高到16％以上，其结构示意图如图2所示。
图2 异质结太阳电池结构示意图
电池组件主要参数为：①输出峰值功率为210 Wp。②峰值电压为41.3 V。③峰值电流为5.09 A。④开路电压50.9 V。⑤短路电流5.57 A。
太阳电池方阵的主要技术要求：①采用高效率异质结电池片，转换效率不小于16％。②使用寿命不小于25年，衰减小。③采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，抗机械强度高。④采用高透光率钢化玻璃封装，透光率和机械强度高。⑤采用密封防水的多功能接线盒。⑥太阳电池组支架采用混凝土标桩、槽钢底框及角钢支架。⑦深圳地区的纬度为22°，根据本工程太阳电池组件顺着建筑形式的布置，最佳的安装倾角范围应为15°~25°之间。
3.2.3 并网逆变器的主要形式和选择
逆变器是太阳能光伏发电系统的重要电力电子设备，其主要功能是把来自太阳电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还具有极大限度地发挥太阳电池方阵性能和异常或故障时的保护功能。
在本项目中，并网逆变器的主要性能要求遵循如下原则：
1)并网逆变器输出电压在电网公共连接点 (PCC)处的允许偏差应符合GB／T12325--2003《电能质量供电电压允许偏差》[1]的规定，三相电压的允许偏差为额定电压的±7％，单相电压的允许偏差为额定电压的+7％、一10％。
2)并网逆变器输出频率允许偏差应符合GB／T15945--1995《电能质量电力系统频率允许偏差》[2]的规定，即偏差值允许±0.5 Hz。
3)光伏并网逆变器额定输出时应符合GB／T14549--1993《电能质量公用电网谐波》的规定，即电流总谐波畸变率限值为5％，各次谐波电流含有率限值为4％。
4)光伏并网逆变器的输出大于其额定输出的20％时，平均功率因数应不小于0.85(超前或滞后)。
5)光伏系统(仅对三相输出)的运行不应引起由GB／T15543--1995《电能质量三相电压允许不平衡度》[3]规定的电网三相电压允许不平衡度，即电网公共连接点(PCC)处的三相电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。
6)在正常或非正常情况下，光伏系统逆变器输出的向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流额定值的1％。
7)保护设置为过／欠电压保护、过／欠频率保护及孤岛效应保护。孤岛效应保护即在光伏并网状态下电网停电时系统自动停止运行。光伏系统对电网还应设置短路保护；对不可逆流并网光伏发电系统还应设置逆向功率保护。逆功率电流综合检测保护控制器是用来检测太阳能光伏发电系统并网点所连接的变压器低压侧总出线的总输出电流及其方向，根据设定电流方向与大小进行闭环检测，并给出相应的输出信号控制执行机构动作。太阳能光伏发电系统开始投入运行的电流设定为A值，当检测到变压器二次侧总输出电流大于设定值A时，光伏发电开始逐个回路投入并网运行，通过闭环检测控制，直到变压器二次侧总输出电流小于A值停止投入；切断光伏发电系统并网运行的电流设定为B值，当检测到变压器二次侧总输出电流小于B值时，开始逐个回路切断光伏并网运行，直到满足条件为止。
8)具备电网故障自诊断功能，系统故障自诊断功能。
并网逆变器主要分为集中式并网逆变器和分散式并网逆变器，集中式并网逆变器一般设置在主体建筑内空间单独设置，而分散式并网逆变器一般是结合太阳电池板设置。
决定逆变器形式的一个主要因素是电缆长度，因为电缆长度直接关系到直流部分的线路损耗。通常在进行太阳能并网发电系统设计时，需要将直流部分的线路损耗控制在3％一4％以内。并且从太阳电池到接线箱再到逆变器以及从逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能保持在最短距离，以减小线路的压降损失，提高系统的输出能量，减小电缆尺寸以降低成本，同时应尽量减轻屋顶负荷并增加其灵活性。
由于在万科总部的太阳电池组件倾斜放置，其下面有可供逆变器摆放的空间，同时结合万科总部屋面形式与太阳电池板数量综合考虑，在本项目中采用分散式并网逆变器，逆变器设置在光伏阵列附近，最大化减小线路的直流损耗，以避免直流大电缆长距离的传输。最终根据组件在屋顶的排列选择了15台SMC8000TL光伏并网逆变器和18台SMC6000A光伏并网逆变器。两种逆变器的效率均达到98％。
3.2.4 万科总部并网发电系统的发电量估算
太阳能光伏发电系统一般需要根据专门的计算分析软件(如PVSYST等)进行模拟计算其年发电量，比较复杂，一般可以采用估算方法。考虑η=光伏组件效率×逆变器效率×（1-直流线损率）×其它效率=16.7%×98%×（1-1%）×80%=12.96%，计入电缆接头接触电阻等其他因素的影响，线路总损耗在本工程中不超过1％，其他效率包括交流配电损耗、灰尘对太阳电池转换效率的影响等，则Q= (1 200×1.58×0.798)×1451×12.96％kW·h=196.01×1451 kW·h=284520.5kW·h。
3.2.5 万科总部并网发电系统的屋顶布置及系统示意图
通过上述分析和比较，根据建筑物屋顶的形状，并综合考虑并网系统中各部分子系统的设计，构建万科总部并网发电系统的形式。
太阳能光伏发电由三个大单元组成，区域一采用10串36并的方式连接，区域二采用60串18并的方式连接，区域三采用11串60并的方式连接，共需太阳电池板1200块，总功率为1200 × 210 W=252000 W。
3.2.6 系统防雷及接地保护设置
光伏并网发电系统防雷设计根据SJ／T11127—1997《光伏(PV)发电系统过电压保护一导则》进行设计，且必须遵循如下原则：
1)防直击雷：屋顶防雷保护的面积应足够大，全部电池阵列均在防雷保护的范围内，防雷设施不得遮挡光伏方阵。
2)防感应雷：电缆埋地敷设，系统直流侧和交流侧都设浪涌保护。
3)接地：系统组件均须可靠接地。
4)电池方阵及支架所有金属构件均需与建筑物的防雷接地装置作可靠电气连接，并在电源线路引入处设浪涌保护器。
图3 太阳能光伏系统系统图
图4 太阳能电池板布置图
4、结束语
本项目从2006年开始设计，当时设计规范、标准与现在有所不同。但设计、研究思路可以借鉴，有些经验和教训可以总结。
注：
[1] 当年设计采用2003版本的标准。
[2] 当年设计采用1995版本的标准。
[3] 当年设计采用1995版本的标准。