光伏建筑一体化并网发电在上海世博会中的应用

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新闻热线（０１０）６８６３５２０３Ｅ－ｍａｉｌｃｊｂ３２９７＠２６３．ｎｅｔ太阳能建筑ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＢｕｉｌｄｉｎｇｓ０前言光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）是太阳能应用领域的一个重要方向，以光伏建筑一体化为核心的光伏并网发电应用占据了目前大部分的光伏市场份额。光伏建筑一体化是指将光伏发电和建筑外围护结构（墙体、屋顶等）相结合，构成一体化系统，这种系统有诸多优点如有效利用建筑外表面，无需额外用地或加建其他设施；能省去光伏系统的支撑结构、省去输电费用；光伏建筑一体化组件可代替常规建筑材料，节省材料费用；安装与建筑施工结合，节省安装成本，使建筑物的外观更有魅力等。把太阳能同建筑结合起来，将建筑发展成自我循环式的新型建筑，是人类进步和科学技术发展的必然［１，２］。２０１０年上海世博会主题是“ 城市，让生活更美好 ” ，并在此主题下体现“ 科技世博 ” 、“ 生态世博 ” 的理念，特别是在清洁能源利用方面，体现先进性和导向性。光伏建筑一体化系统无疑是可再生能源在城市中应用的主要形式之一。１国内光伏建筑一体化应用现状光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，正在向大批量生产和规模应用发展，各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等，大力降低光伏电池的制造成本和提高其发电效率。在美、日、德三国大规模太阳能屋顶计划的推动下，以光伏与建筑集成为核心的光伏并网发电市场得到了极大的发展［３，４］。我国光伏建筑一体化应用相对于国外发展来说，还处于一个比较落后的地位。但随着我国节能减排工作的开展与深入，我国的太阳能光伏技术也具有了一定的规模，其应用主要集中于边远地区居民的供电。随着光伏发电领域的转变，我国的光伏建筑一体化系统的研究与开发也取得了发展［５］。“ 九五 ” 期间我国在深圳、北京分别成功建成１７ｋＷ、７ｋＷ光伏发电屋顶并实现并网发电。 “ 十五 ”“ 十一五 ” 又在北京、上海建成多座光伏建筑一体化的并网发电系统。２００２年上海奉贤建成１０ｋＷ建筑一体化并网发电系统，该系统实现了自动化摘要光伏建筑一体化并网发电系统是城市中应用太阳能的重要方向之一，２０１０年上海世博会的主题是 “ 城市，让生活更美好 ” 。本文主要介绍了上海世博会中将要应用的光伏建筑一体化系统，并对国内光伏建筑一体化的应用进行了阐述。关键词世博会光伏建筑一体化并网电站光伏建筑一体化并网发电在上海世博会中的应用上海太阳能工程技术研究中心有限公司郝国强上海世博（集团）有限公司高文伟李庆来华东建筑设计研究院有限公司马进军同济大学建筑设计研究院丰雷华南理工大学建筑设计研究院蔡奕３６订阅本刊请拨（０１０）８８６８１８４３转８０２７ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＢｕｉｌｄｉｎｇｓ太阳能建筑的管理，同时２００３年上海又建成了生态示范工程，其中５ｋＷ的并网发电系统与建筑有机地结合在一起。上海莘庄工业园区建筑一体化办公示范楼采用了太阳能发电与建筑直接相结合的技术，并充分利用建筑一体化的诸多优点，总装机容量达４０ｋＷ。２００３年建成的北京市大兴区天普工业园的一幢建筑面积８０００ｍ２的综合利用新能源的生态建筑示范工程，示范楼办公用电部分由５０ｋＷｐ太阳能光伏并网屋顶发电系统提供。深圳多个小系统并联，总量为１ＭＷ规模的太阳能光伏建筑并网发电系统，目前已经进入运行。这套发电系统，太阳电池板安装在综合展馆、服务中心等建筑屋顶。电池板的安装均与屋顶结构密切配合，保持屋顶的风格和美观，布局采用对称方案。此外，２００８年北京奥运会期间，奥运场馆大量利用了太阳能技术。除太阳能灯外，奥运村、丰台体育中心、国家游泳中心等奥运场馆均采用太阳能热水，国家体育馆、五棵松篮球馆、奥运大厦和丰台垒球馆则都采用太阳能光伏并网发电。应用的产品主要为常规硅太阳电池，总规模不超过１ＭＷ。主要应用于场馆的顶部、场馆的售票处、部分场馆的玻璃幕墙、场馆通道顶部等。此外，另有５０ＫＷ非晶硅薄膜太阳电池安装于奥运中心体育场，主要安装在旋转坡道屋面上。２光伏建筑一体化在上海世博会中的应用中国上海世博会主题是 “ 城市，让生活更美好 ” ，并在此主题下体现 “ 科技世博 ” 、“ 生态世博 ” 的理念。光伏建筑一体化系统是可再生能源在城市中应用的主要形式之一，上海世博会光伏建筑一体化应用将主要集中在世博会永久建筑场馆及南市电厂改建建筑上。目前，世博会永久场馆的设计都已完成，并已开始施工；南市电厂属于改建项目，光伏建筑一体化应用已基本可以确定；没有在规划之内的，已很难进行加建。上海世博会光伏建筑一体化应用总容量约４．３６ＭＷ，分别集中在中国馆、世博中心、主题馆及南市电厂建筑上。下面分别介绍。２．１中国馆光伏建筑一体化应用上海世博会中国馆位于世博会规划的核心区，处于世博会园区主入口的突出位置。中国馆由国家馆、中国地区馆、港澳台馆三部分组成。中国国家馆是建筑的主体，建筑布局上处于主要地位。光伏建筑一体化应用系统主要集中于中国国家馆上。国家馆是世博园区中最高的单体建筑，也是最具有显示度的一个建筑。它全部由巨型钢构架构成，轮廓像斗拱，构成则像中国传统木建筑，连同下部的４个核心筒看，又像一个巨型四脚鼎，整体选用 “ 中国红 ” ，形象突出。这种形体的建筑对于太阳能的应用提出了很大的挑战。立面上很难采用太阳能电池组件，一是因为立面向里收缩，会有遮挡问题；二是因为立面颜色以红色为主，应用太阳电池组件会使建筑整体效果受到破坏。因此，国家馆的太阳能应用以屋顶为主。但屋顶又不可满铺，否则会影响整个顶面的效果，所以考虑间隔铺设的方法。即在建筑的最高顶面四个角的部分采用与屋顶一体化组件，在顶面四周采用透光式光伏组件（即将透光式光伏组件作为屋顶，形成完全的光伏建筑一体化组件），除了发电还需具有防水、保温等功能。效果图如图１所示。中国馆太阳能应用主要以展示为主。光伏建筑一体化总装机容量约０．３６ＭＷ，采用升压后并网方式发电。２．２世博中心光伏建筑一体化应用上海世博中心位于黄浦江南岸的世博会规划围栏区Ｂ片区的滨江绿地内。项目总建筑面积约１４．５万ｍ２。 “ 绿色、节能、环保 ” 是世博中心所要体现的一个重要主题，将广泛使用新能源、新技术和新材料，除了采用ＬＥＤ照明和冰蓄冷系统等高新技术外，太阳能应用也是一个重要方面，应用形式即为光伏建筑一体化并网系统。世博中心屋顶有大片的平坦面积约４万ｍ２，太阳能应用主要集中在屋顶，效果如图２所示。在屋顶采用常规光伏组件，采取平铺的方式，与屋顶绿化相结合，间隔布置，将太阳能绿色能源的意义体现的淋漓尽致，效果如图３所示。在建筑透明天窗部分采用中空式透光型光伏玻璃幕墙组件，采用波浪式的布置方式，组件朝南排列，倾角在２０ ° ￣２５ ° 之间，这既考虑了光伏系统发电的需要，又使建筑富有韵律感及动感，使两者达到了和谐的统一。此外，屋顶设备房南立面采用了光伏遮阳式组件。世博中图１中国馆太阳能应用效果图图２世博中心太阳能应用效果图３７新闻热线（０１０）６８６３５２０３Ｅ－ｍａｉｌｃｊｂ３２９７＠２６３．ｎｅｔ图３世博中心与屋顶一体化光伏组件效果图太阳能建筑ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＢｕｉｌｄｉｎｇｓ心太阳能光伏系统总装机功率约１ＭＷ，采用升压后并网方式发电。２．３主题馆光伏建筑一体化应用上海世博会主题馆位于上海世博会规划围栏区Ｂ片区世博轴西侧，用地面积约１７２亩。作为２０１０年上海世博会永久建筑之一的主题馆，世博会期间将主要反映当今世界快速城市化和城市人口加速增长背景下的地球、城市、人三者之间的关联和互动，揭示 “ 城市让生活更美好 ” 这一主题。考虑到主题馆的形态及构造，再结合太阳能应用的总体设计原则，太阳能光伏发电系统主要应用于主题馆屋顶上。屋面作为主题馆的第五立面，面积达６．４万ｍ２，其形态构思来自于对上海城市肌理中最具特色的 “ 里弄 ” 的抽象，暗合了世博会 “ 地球、城市、人 ” 的主题。屋面形态采用菱形与三角形结合的立体构图。在屋顶采用与屋顶一体化组件，替代部分屋顶材料构成有规律性的图案，使主题馆的屋顶具有特殊的艺术效果及鲜明的科技特色。采用与金属屋面一体化太阳电池组件，在屋顶平铺、菱形部分满铺，中间采用透光式组件，整体效果如图４所示，局部效果如图５所示。系统总装机容量约２．５ＭＷ，系统建成后将成为国内单体建筑上最大的光伏建筑一体化系统，系统采用升压后并网方式发电。２．４南市电厂光伏建筑一体化应用南市电厂位于上海世博会浦西园区，已具有百年历史，所在区域是上海近代工业文明的发源地之一。南市电厂主厂房和烟囱改建是上海世博会城市最佳实践区的一期工程，其中主厂房将改造为世博会主题馆之一的未来探索馆。太阳能发电系统主要应用在南市发电厂主厂房上，主厂房长１２８ｍ，宽７０ｍ，总高度约５０ｍ，占地面积约９１５０ｍ２，其将作为城市最佳实践区的一个实物案例城市未来探索馆。改建后的主厂房，采用太阳能光伏发电、江水源热泵等环保新技术，其中太阳能光伏发电主要应用在屋顶上及部分南立面上。太阳电池组件采用形式多样，主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅电池组件、ＨＩＴ电池组件及数倍聚光电池组件，其中主要以单晶硅、多晶硅太阳电池应用为主。屋顶太阳能电池组件主要采用平铺的形式，数倍聚光太阳电池组件也是布置在屋顶，主要利用屋顶的空间，立面上部分区域主要应用非晶硅太阳电池组件。系统总装机容量约０．５ＭＷ，采用升压后并网方式发电。３结论通过以上对光伏建筑一体化系统在上海世博会中应用的介绍，可总结以下几点１）光伏系统和建筑是两个独立的系统，将这两个系统相结合，所涉及的方面很多，并不是光伏制造者能独立胜任的。要发展光伏建筑一体化系统，必须与建筑材料、建筑设计、建筑施工等相关方面紧密配合、共同努力，才能成功。２）上海世博会光伏建筑一体化应用是从建筑设计之初就已考虑到太阳能的应用，因此光伏系统与建筑有较好的结合（设计阶段），符合一体化设计原则，为以后的工作打下了良好的基础。３）上海世博会光伏建筑一体化系统主要集中于屋顶，这主要说明一方面屋面仍是太阳能在建筑中利用的最佳平面光照条件好、便于设计、便于施工及系统成本回收期较短；另一方面说明建筑师对光伏在建筑立面的应用相对比较谨慎。４）光伏建筑一体化系统成本较高，虽在北京奥运会与上海世博会中已进行了一定规模的应用，但在我国还处于示范阶段。若从示范阶段向规模化应用，还需要国家政策的大力支持。（责编侯艳丽）参考文献１刘京华，庄向东，景丹阳，太阳能光伏与建筑集成化及发展前景，河北省科学院学报，１７（１），２０００，６２－６４．２李文婷，建筑一体化光伏并网发电的应用和前景，青海科技，３，２００４，２５－２６．３Ｍｏｒｇａｎｄ．Ｂａｚｉｌｉａｎ，ＦｒｅｄｅｒｉｋＬｅｅｎｄｅｒｓ，Ｂ．Ｇ．Ｃ．ＶａｎＤｅｒＲｅｅ，Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂｕｉｌｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ，７１（１），２００１，５７－６９．４Ｇ．Ｃ．Ｂａｋｏｓａ，Ｍ．Ｓｏｕｒｓｏｓｂ，Ｎ．Ｆ．Ｔｓａｇａｓ，Ｔｅｃｈｎｏｅｃｏｎｏｍｉｃａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆａｂｕｉｌｄｉｎｇ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＰＶｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｉｎｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｓｅｃｔｏｒ，ＥｎｅｒｇｙａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇｓ，３５，２００３，７５７－７６２．５赵玉文，吴达成，王斯成等，中国光伏产业发展研究报告（２００６－２００７），太阳能，６，２００８，１１－１８．图４主题馆太阳能应用效果图图５主题馆光伏系统屋面局部透视图阳光能源３８