充氣膜建筑的柔性薄膜太陽能供電系統(tǒng)研究

張新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德維環(huán)境技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

充氣膜建筑的柔性薄膜太陽能供電系統(tǒng)研究

張新文 郭永亮 王 秦

(深圳市博德維環(huán)境技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

介紹了充氣膜建筑和柔性薄膜太陽能發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用，通過負(fù)荷計(jì)算、光伏陣列設(shè)計(jì)、發(fā)電量計(jì)算、設(shè)備選型，設(shè)計(jì)了一種可行的充氣膜建筑能耗解決方案，做到了氣膜系統(tǒng)建筑能耗上的自給自足，使得充氣膜建筑成為零能耗的純綠色建筑。

充氣膜建筑，CIGS柔性薄膜，太陽能，發(fā)電技術(shù)，光伏控制器

1 概述

“柔性薄膜太陽能氣膜系統(tǒng)供電系統(tǒng)”是指應(yīng)用CIGS柔性薄膜太陽能作為充氣膜建筑供電能源。其中柔性有機(jī)太陽能柔性薄膜與氣膜系統(tǒng)建筑膜材有機(jī)結(jié)合，通過柔性薄膜太陽能完成太陽能與電能轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存等技術(shù)，完成充氣膜建筑能耗上的自給自足，實(shí)現(xiàn)充氣膜建筑零能耗純綠色建筑的理念。

充氣膜建筑是一種有鮮明特色的新型建筑方式，它采用特殊建筑纖維膜(柔性材料)作為建筑“外殼”，通過機(jī)械系統(tǒng)向室內(nèi)空間充氣，通過內(nèi)外氣壓差(室內(nèi)外壓力差一般在250 Pa左右，普通人生理上并無感覺)，使外殼膜面逐漸膨脹成穩(wěn)定形態(tài)，并承受外部荷載與作用。氣膜建筑室內(nèi)無需任何框架或梁柱支撐就能實(shí)現(xiàn)大跨度空間，是集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、化工學(xué)、材料學(xué)及計(jì)算機(jī)學(xué)為一體的高科技工程。

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

日本、美國和歐洲在太陽能電池的技術(shù)開發(fā)上處于領(lǐng)先水平。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)從1970年成立之日起，就投入巨資開發(fā)太陽能電池，對于各種類型的太陽能電池都進(jìn)行了大量的開發(fā)研究。世界上太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅，非晶硅等低成本太陽能電池，第三代太陽能電池就是高效、低成本、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的銅錮稼硒(CIGS)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽電池。對于Si系太陽電池來說，無論是單晶、多晶還是微晶Si太陽電池，現(xiàn)在的基片厚度在150 μm～200 μm，雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但是其厚度不能減到50 μm以下，制造成本偏大。薄膜Si太陽電池現(xiàn)在的轉(zhuǎn)換效率沒有達(dá)到10%，只有通過多結(jié)的方法才有望提高到10%以上。目前，CIGS薄膜太陽電池組件的效率已經(jīng)達(dá)到13.4，成本也還可以接受。而Si系和CIGS系以外的新材料系太陽電池組件現(xiàn)在尚不能達(dá)到10%的轉(zhuǎn)換效率。

3 柔性薄膜太陽能充氣膜建筑供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)荷計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，某充氣膜建筑機(jī)械單元電負(fù)荷為風(fēng)機(jī)2×5.5 kW，控制單元1 kW。

設(shè)備用電量統(tǒng)計(jì)：

額定功率12 kW，電壓類型3P380VAC,用電時(shí)數(shù)24 h,功率因數(shù)0.97,用電量297 kWh。

3.2 光伏陣列設(shè)計(jì)

安裝介質(zhì)為充氣膜，考慮到承重、易于安裝、美觀、可行性等因素，采用漢能公司生產(chǎn)的GSE-275柔性組件，柔性太陽能采用粘貼方式安裝。組件峰值功率為275 Wp，峰值電壓為51.5 V，開路電壓為67.6 V，峰值功率電流為5.3 A，短路電流為6.3 A。

該項(xiàng)目電池組件共計(jì)360片，總?cè)萘繛?9 kWp。設(shè)計(jì)成30個(gè)光伏陣列模塊，每個(gè)光伏陣列模塊由12片光伏電池經(jīng)過6串2并組成，峰值電壓為309 V，峰值電流為10.6 A；每2個(gè)光伏陣列模塊接1臺(tái)具有2路MPPT的VS-120光伏控制器，共需該控制器15臺(tái)。光伏陣列連接方式如圖1所示；光伏陣列布局圖如圖2所示。

3.3 發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)NASA數(shù)據(jù)顯示，水平面日均峰值小時(shí)數(shù)為4.02 h；該系統(tǒng)容量為99 kWp，系統(tǒng)效率為0.75；則日均發(fā)電量=容量99 kW×峰值小時(shí)4.02 h×效率0.75=298.485 kWh，年發(fā)電量為10.9萬kWh。

3.4 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理為：在有光照的情況下，太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過光伏控制器給蓄電池組充電，并通過雙向逆變器給交流負(fù)載供電；在無光照時(shí)，蓄電池會(huì)通過雙向逆變器逆變成交流電，給交流負(fù)載供電。另外，逆變器還可與市電連或一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)連接，在負(fù)載用電量大，光伏發(fā)電及電池組不足以提供足夠電量時(shí)，啟動(dòng)市電供電或者柴油發(fā)電機(jī)供電。

3.5 主要設(shè)備選型

系統(tǒng)的主要設(shè)備為光伏組件、控制器、逆變器等。

3.5.1 光伏組件選型

光伏組件技術(shù)參數(shù):標(biāo)稱功率275 W；最大功率點(diǎn)電壓51.5 V；最大功率點(diǎn)電流5.3 A；開路電壓67.6 V；短路電流6.3 A；最大保護(hù)電流10 A；最大系統(tǒng)電壓1 000 V；規(guī)格尺寸5 745 mm×494 mm×3 mm。

3.5.2 光伏控制器選型

雙路MPPT光伏控制器規(guī)格參數(shù)：光伏組件最大電流120 A(60 A/MPPT)；MPPT效率0.99；光伏組件最大功率7 000 W；峰值效率0.98；最大開路電壓600 V；最低工作電壓200 V；MPPT電壓范圍250 V～500 V；電池額定電壓48 V；接入蓄電池電壓范圍38 VDC～68 VDC； 夜間模式下自耗電1.25 W；尺寸133 mm×332 mm×466 mm；重量7.5 kg。

3.5.3 光伏逆變器選型

雙向逆變器規(guī)格參數(shù)：蓄電池額定電壓48 V；輸入電壓范圍39 V～68 V；25度下的額定輸出功率5 000 VA；智能增強(qiáng)輸出功率6 000 VA；25度下的30 min輸出功率7 000 VA；25度下的5 s輸出額定功率：3倍額定功率；最大負(fù)載：最大短路；最大不對稱負(fù)載：最大額定功率；負(fù)載尋找(待機(jī)模式)：2 W～25 W可選； 容許的功率因數(shù)0.1～1；最大效率96%,功耗(沒有負(fù)載)停機(jī)/待機(jī)/開機(jī)：1.8 W/3.8 W/26 W；輸出電壓正弦波230 Vac(+/-2%)/180 Vac～245 Vac；輸出頻率：50 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)，60 Hz adjustable 45 Hz～65 Hz+/-0.05%(石英控制)；正弦波失真率THD<2%；過載和短路保護(hù):3次重啟嘗試后自動(dòng)切斷；過熱保護(hù)：切斷前報(bào)警并自動(dòng)重啟。

3.5.4 蓄電池

采用型號(hào)為GFM-3000的單體2V3000Ah太陽能專用蓄電池，每塊尺寸為586 mm×212 mm×812 mm，共計(jì)72塊。經(jīng)過24串聯(lián)3并聯(lián)組成48V9000Ah電池組，采用銅排作為直流母線連接輸入和輸出。蓄電池組占地約11 m2，分三個(gè)電池架擺放，每個(gè)擺放24塊蓄電池。該電池組容量為432 kWh，最大放電深度為80%，放電效率為95%，可提供328.32 kWh電量，考慮溫度影響，可連續(xù)為負(fù)載提供24 h用電量。

3.5.5 直流匯流箱

直流防雷匯流箱安裝于靠近光伏陣列的室外合適位置，具有以下特點(diǎn)：光伏陣列開路電壓值可達(dá)DC900 V； 同時(shí)可接入多路太陽電池串聯(lián)； 熔斷器的耐壓值不小于DC1 000 V；斷路器可承受的直流電壓值不小于DC1 000 V； 具有光伏專用防雷模塊。

3.5.6 監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測裝置選擇

監(jiān)控裝置：監(jiān)控逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，采用聲光報(bào)警方式提示設(shè)備出現(xiàn)故障，可查看故障原因及故障時(shí)間； 環(huán)境監(jiān)測裝置：實(shí)時(shí)監(jiān)測日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等參數(shù)。該裝置由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成。可測量環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和輻射強(qiáng)度等參量，其通訊接口可接入監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.5.7 系統(tǒng)防雷接地裝置選擇

為了保證本光伏發(fā)電系統(tǒng)安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導(dǎo)致系統(tǒng)器件的損壞等情況發(fā)生，系統(tǒng)的防雷接地裝置必不可少。 地線是避雷、防雷的關(guān)鍵，在進(jìn)行配電室基礎(chǔ)建設(shè)和太陽電池方陣基礎(chǔ)建設(shè)的同時(shí)，選擇電廠附近土層較厚、潮濕的地點(diǎn)，挖1 m～2 m深地線坑，采用40扁鋼，添加降阻劑并引出地線，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。 直流側(cè)防雷措施：電池支架應(yīng)保證良好的接地，直流配電柜做防雷器保護(hù)裝置。 交流側(cè)防雷措施：每臺(tái)逆變器的交流輸出經(jīng)交流配電柜(內(nèi)含防雷保護(hù)裝置)接入設(shè)備或者經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)接入市電(發(fā)電機(jī))，可有效地避免雷擊和浪涌導(dǎo)致設(shè)備的損壞，所有的機(jī)柜要有良好的接地。

4 結(jié)語

應(yīng)用CIGS柔性薄膜太陽能解決氣膜系統(tǒng)供電能源問題，使得充氣膜建筑成為真正的綠色建筑，也使得它可以更廣泛的運(yùn)用在資源相對貧乏的地區(qū)與領(lǐng)域。本系統(tǒng)通過太陽能與電能在膜材載體上的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)太陽光照充沛時(shí)的電能儲(chǔ)備與陰暗天氣所需電能供給的互補(bǔ)，使得充氣膜建筑24 h正常作業(yè)。通過智能化管理技術(shù)，掌控氣膜系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)的變化與控制，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)對儲(chǔ)備用電量的監(jiān)控，以保證在太陽能儲(chǔ)備不足時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。該柔性薄膜太陽能氣膜系統(tǒng)供電系統(tǒng)已于2016年年底正式投入運(yùn)行，目前工作正常。它的投入運(yùn)行，必將為今后更多這樣的系統(tǒng)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn),為我國的充氣膜建筑利用光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)建筑能耗上的自給自足提供選型、設(shè)計(jì)參考。

[1] 溫祥杰.從某體育中心的設(shè)計(jì)淺析太陽能光伏聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理及技術(shù)要點(diǎn)[J].建筑電氣?？?006(4)：48-50.

[2] 孟勇強(qiáng)，沈 堅(jiān)，艾冬梅，等.火力發(fā)電廠圓形封閉煤場光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].電力勘察設(shè)計(jì)，2015(sup):92-95.

Flexible solar electric panel system on air-supported structures

Zhang Xinwen Guo Yongliang Wang Qin

(Broadwell(Shenzhen)TechnologyCo.,Ltd,Shenzhen518057,China)

The characteristics of air-supported structures and flexible film solar panel technology and solar energy system were introduced through the load calculation, photovoltaic array design, power generation calculation, equipment selection, a real available system servicing for air-supported structure was designed and some specific details were shown, by which the dome can provided itself the power energy and was tested to be a real green building.

air-supported structure， CIGS film， solar, electric technology， photovoltaic controller

1009-6825(2017)03-0200-02

2016-11-12

張新文(1968- )，男，教授； 郭永亮(1970- )，男，高級(jí)工程師； 王 秦(1969- )，男，高級(jí)工程師

TU201.5

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