李衛(wèi)平，王維俊

（解放軍后勤工程學(xué)院重慶401311）

重慶地區(qū)建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性淺析

李衛(wèi)平，王維俊

（解放軍后勤工程學(xué)院重慶401311）

太陽能作為迄今人類所認(rèn)識(shí)的最清潔的可再生能源，與建筑一體化將在建筑節(jié)能中起到十分重要的作用。重慶位于四川盆地，由于日照較少，全年太陽總輻射也少，因此，在重慶地區(qū)利用太陽能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性有待研究。本文介紹了太陽能光伏屋頂系統(tǒng)，分析了重慶地區(qū)太陽輻射情況，并利用Hybrid2仿真軟件對(duì)重慶地區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。

太陽能；獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)；Hybrid2；經(jīng)濟(jì)性

1 太陽能發(fā)電及光伏屋頂系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)可分為兩大類，一是獨(dú)立系統(tǒng)，二是系統(tǒng)聯(lián)系系統(tǒng)（或稱與交流電網(wǎng)聯(lián)系系統(tǒng)）。獨(dú)立系統(tǒng)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最基本形式，又稱為太陽能發(fā)電的原型系統(tǒng)。這種系統(tǒng)多用于遠(yuǎn)離市區(qū)（無人操控）的海上燈塔、浮標(biāo)、山頂?shù)臒o線中繼電臺(tái)等，作為供電電源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由太陽能電池陣列輸出的直流功率直接供給負(fù)荷。如果負(fù)荷是交流的，則還須將直流電通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姟４送?，輸出的直流能量還同時(shí)供蓄電池充電，該蓄電池在夜間和陰雨天可通過放電向負(fù)荷提供電力。由于負(fù)荷的電壓經(jīng)常會(huì)波動(dòng)，故還應(yīng)設(shè)置控制器以調(diào)節(jié)電壓，控制器一般與逆變器一起，成為專用的太陽能發(fā)電型逆變器。與電網(wǎng)聯(lián)系系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)太陽能電池陣列發(fā)出的電功率超過負(fù)荷需要時(shí)，可以通過自動(dòng)控制向電網(wǎng)送電，即“逆潮流”運(yùn)行。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)陰雨天或夜間太陽能發(fā)電量不足時(shí)，可以直接通過電網(wǎng)供電；另一優(yōu)點(diǎn)是可以取消蓄電池，使成本降低。

1.2 建材一體型太陽能電池及光伏屋頂系統(tǒng)

建材一體型太陽能電池簡(jiǎn)稱為BIPV（building integrated photo voltaic），其優(yōu)點(diǎn)是在建筑設(shè)計(jì)之初已將太陽能電池的本體、臺(tái)架等考慮到建筑設(shè)計(jì)和費(fèi)用中。光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合，構(gòu)成光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，近年來在國外發(fā)展甚快，前景誘人，市場(chǎng)廣闊。其特點(diǎn)是：與電網(wǎng)并聯(lián)，可以完全省掉或大部分省掉蓄電池；通過巧妙的設(shè)計(jì)，可以降低建筑造價(jià)，從而也就降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)；適合于因地、因戶制宜的分散用電；并可對(duì)電網(wǎng)起一定的調(diào)節(jié)作用等。

2 重慶市氣象條件分析

重慶位于四川盆地，冬半年，當(dāng)?shù)氐呐璧氐匦问蛊湟资苣鏈氐挠绊?，多大霧天氣，強(qiáng)烈削弱太陽輻射；夏季，又因其屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，處于多雨期，同時(shí)因其緯度較低，雨季較長，對(duì)太陽輻射削弱也較多。由于日照較少，全年太陽總輻射也少，且分布總體上東多西少，但8月份市區(qū)的總輻射量卻略多于東部的萬州。重慶市太陽輻射中，直接輻射約占總輻射的38%，散射輻射約占62%。

由于重慶地區(qū)的太陽能資源相對(duì)比較匱乏，且夏季溫度較高，因此對(duì)太陽能電池工作不利。利用hybrid軟件繪制的重慶地區(qū)太陽輻射分布如圖2所示。

圖1 獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 重慶地區(qū)年度太陽輻射量

在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件外，還需要綜合考慮負(fù)載情況、太陽能電池性能、蓄電池容量等。如圖2所示，計(jì)算出重慶地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)為2.6 h/d，若最長陰雨天按照4天計(jì)，負(fù)載按照2.64 kWh/d，則蓄電池的充電功率應(yīng)達(dá)到3.2 kW/h，考慮到逆變器效率以及蓄電池充電效率，最終選擇蓄電池的容量取為1400Ah。相關(guān)計(jì)算如下：

其中：Tav為平均每日峰值日照時(shí)數(shù)（小時(shí)/日）；S為太陽電池方陣面上的總輻射（千卡/cm2）；Ic為太陽電池的總充電電流(A)；Jd為每日負(fù)載耗電量(Ah)；ηb為蓄電池的充電效率；ηi為逆變器效率；Qb為所需蓄電池容量（Ah）；Dr為連續(xù)陰雨天數(shù)；k為蓄電池放電深度。

3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響因素

3.1 太陽能電池陣列

太陽能電池陣列是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。該系統(tǒng)采用4串聯(lián)×32并聯(lián)的連接方式，該光伏陣列的工作參數(shù)為：峰值功率6.7 kW，最大工作電壓68.0V，最大工作電流98.5A，組件開路電壓為20.7V，短路電流3.2A。電池陣列總價(jià)格約為25萬元。

3.2 控制器、逆變器

控制器：控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，擔(dān)負(fù)著MPPT（maximum power point tracking，最大功率點(diǎn)跟蹤控制）、蓄電池充放電控制等任務(wù)。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220V、110V的交流電源。由于本系統(tǒng)太陽能陣列直接輸出為48VDC，為能向220VAC的用電設(shè)備提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，因此需要使用DC-AC逆變器。

3.3 蓄電池組

一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。該系統(tǒng)采用8串聯(lián)×4并聯(lián)鉛酸電池組，額定電壓48V，額定容量1400Ah，電池單體價(jià)格約1500元。電池壽命約5～10年（平均一天充放電一次）。

3.4 其他因素

包括施工安裝費(fèi)用，調(diào)試費(fèi)，系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用等。

4 仿真試驗(yàn)分析

4.1 Hybrid2軟件簡(jiǎn)介

Hybrid2是由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室與馬薩諸塞斯大學(xué)合作開發(fā)的一款用于預(yù)測(cè)、評(píng)估混合發(fā)電系統(tǒng)長期性能的工具軟件，界面友好，操作簡(jiǎn)單。該軟件主要包括4個(gè)組成部分：圖形用戶接口（GUI）、仿真模塊、經(jīng)濟(jì)性模塊以及圖形輸出接口（GRI）。仿真模塊部分允許用戶在交流/直流母線上建立包括各種負(fù)載、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、汽（柴）油發(fā)電機(jī)、電池組、變流器等的仿真模型。同時(shí)包含了上百種系統(tǒng)控制策略。Hybrid2采用VisualBASIC編程，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access Database。

4.2 仿真步驟及結(jié)果

在設(shè)置好各組件的參數(shù)及導(dǎo)入時(shí)間序列數(shù)據(jù)（包括逐時(shí)太陽能輻射量和逐時(shí)環(huán)境溫度）后，即可利用Hybrid2軟件對(duì)該太陽能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)算，其中仿真步長設(shè)置為60 min，總時(shí)間長度為8760h（一年）。圖3和圖4分別為該系統(tǒng)在1月和7月的每日發(fā)電量。圖5為7月某兩天中蓄電池組的充電能量與放電能量的對(duì)比。圖6為普通家庭交流負(fù)荷日變化曲線圖。

圖3 1月份PV系統(tǒng)每日發(fā)電量

圖4 7月份PV系統(tǒng)每日發(fā)電量

圖5 蓄電池組充放電能量對(duì)比

圖6 普通家庭日負(fù)荷變化曲線

可以看出，7月每日最大發(fā)電功率絕大部分可超過3kW，明顯高于1月每日最大發(fā)電功率，這與重慶地區(qū)的氣候條件是相吻合的。從圖5中可以看出，選取的兩天中，蓄電池放電曲線100%滿足了負(fù)荷需求，未出現(xiàn)供電不足現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證出系統(tǒng)配置較為合理。

當(dāng)太陽能電池陣列和蓄電池組采用前述配置時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷滿足率可以達(dá)到90.1%。提高該指標(biāo)主要有兩種途徑：一種是增加太陽能電池模塊的并聯(lián)數(shù)量，另一種是增加蓄電池的并聯(lián)數(shù)量。表1、表2分別列出了這兩種方法在經(jīng)濟(jì)性能上的比較。

表1

表2

5 結(jié)語

建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能在很大程度上受太陽能電池陣列和蓄電池組的制約，而控制器、逆變器等對(duì)其影響并不大。由于重慶地區(qū)太陽輻射能量的匱乏，連續(xù)陰雨天較長，即使是為日耗電量為2.6kWh左右的普通家庭供電，也需配置較大容量的蓄電池組及峰值功率較高的太陽能電池陣列，經(jīng)濟(jì)代價(jià)很大。其中兩種提高負(fù)荷滿足率的途徑，增加蓄電池組的并聯(lián)數(shù)量更加經(jīng)濟(jì)。光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，可省掉相當(dāng)一部分蓄電池的費(fèi)用，降低建筑造價(jià)。

由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)不受地域限制，針對(duì)難于提供市電的地區(qū)，建筑一體化太陽能發(fā)電系統(tǒng)仍不失為一種較好的選擇。

若考慮到環(huán)保及化石資源日漸枯竭等方面因素，太陽能發(fā)電系統(tǒng)更加顯示出其優(yōu)良性能和廣闊前景。

[1]張晴原.中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]E.Ian Baring-Gould.The Hybrid System Simulation Model Users Manual.National Renewable Energy Laboratory(M)，1998.

[4]王世珍.重慶太陽輻射淺析[J].重慶環(huán)境科學(xué)，1992，14（3）：45-48.

責(zé)任編輯：余詠梅

建筑知識(shí)

砂漿基本性能檢測(cè)執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)

從2009年6月1日起，《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》開始實(shí)施，同時(shí)原標(biāo)準(zhǔn)JGJ70-1990廢止。

新標(biāo)準(zhǔn)同原標(biāo)準(zhǔn)相比，增加了術(shù)語、符號(hào)，試驗(yàn)記錄，保水性試驗(yàn)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，含氣量試驗(yàn)，吸水率試驗(yàn)，抗?jié)B性能試驗(yàn)等要求和內(nèi)容。具體修改的主要內(nèi)容如下。

1．新標(biāo)準(zhǔn)增大了適用范圍，由原標(biāo)準(zhǔn)的適用于現(xiàn)場(chǎng)拌制砂漿改為適用于建筑砂漿，包括現(xiàn)場(chǎng)拌制砂漿和預(yù)拌砂漿。

2．目前新型砂漿中的添加物和膠凝材料種類很多，新標(biāo)準(zhǔn)適用于以水泥基膠凝材料、細(xì)骨料、摻合料為主要材料的，用于工業(yè)與民用建筑物和構(gòu)筑物的砌筑、抹灰、地面工程及其他用途的建筑砂漿的基本性能試驗(yàn)。

3．為了保證試驗(yàn)用料的代表性及足夠的樣品數(shù)量，取樣數(shù)量由原來試驗(yàn)用料的1．2倍增加為不少于試驗(yàn)所需量的4倍。

4．對(duì)主要材料砂取消了以0．9 mm篩過篩，為保證砂漿的使用性能，其粒徑上限由5 mm減小為4．75 mm。

5．對(duì)攪拌材料用量的規(guī)定由原標(biāo)準(zhǔn)不宜少于攪拌機(jī)容量的20%，改為宜控制在攪拌機(jī)容量的30%～70%，攪拌時(shí)間不少于120 s，摻外加劑和摻合料的砂漿，其攪拌時(shí)間不應(yīng)少于180s。

6.規(guī)定當(dāng)兩次稠度試驗(yàn)值偏差大于10mm時(shí)，應(yīng)重新取樣測(cè)定。

7．原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)兩次分層度測(cè)定值相差大于20mm的要求太低，現(xiàn)提高為差值大于10 mm，應(yīng)重新取樣測(cè)定。

8．立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：將原來的磚底模由鋼底模及塑料底模代替，試件個(gè)數(shù)由原來的6個(gè)變?yōu)?個(gè)，壓力機(jī)試驗(yàn)精度由2%提高到1%，強(qiáng)度計(jì)算公式由fm，cu=Nu/A，改為fm，cu=K·Nu/k，K為換算系數(shù)，取1.35。

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)按下列要求確定。

（1）應(yīng)以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的砂漿立方體抗壓強(qiáng)度平均值，精確至0．1 MPa。

(2)當(dāng)3個(gè)測(cè)值的最大值或最小值中有一個(gè)與中間值的差值超過中間值的15%時(shí)，應(yīng)把最大值及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

(3)當(dāng)兩個(gè)測(cè)值與中間值的差值均超過中間值的15%時(shí)，該組試驗(yàn)結(jié)果為無效。

（摘自：《建筑工人》）

Economic Analysis of Building-integrated Photovoltaic Generating System in Chongqing

As the cleanest renewable energy source,solar energy will be integrated with the building and act as a very important role in the energy saving.Locates in the Sichuan basin,sunlight is poor in Chongqing,and has small quantity of the total radiation.The economy of photovoltaic generation in Chongqing deserves to be investigated.This paper introduces the BIPV system,analyzes the solar radiation of Chongqing,and uses the Hybrid2 to investigate the economy of photovoltaic generating system in Chongqing.

solar energy;isolated generating system,Hybrid2;economy

TU111.1

A

1671-9107（2010）03-0005-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.3.005

2009-12-27

作者介簡(jiǎn)介：李衛(wèi)平（1981-），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)電源及多能源發(fā)電。