多功能太陽能車棚的實驗研究

清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國家重點實驗室深圳研究室 ■ 徐政 趙天宇 王天宇 趙曉宇

0 引言

在政策鼓勵和行業(yè)發(fā)展的雙重作用下，我國光伏裝機(jī)容量迅速增長，其中，分布式光伏電源的比例逐漸上升，實現(xiàn)了就地“即發(fā)即用”的高效利用[1]。目前，城市中的分布式光伏電源主要是與大型公共建筑相結(jié)合，如機(jī)場、車站、展館、工廠、機(jī)關(guān)單位、學(xué)校和醫(yī)院等公共建筑的屋面，多采用安裝型光伏建筑(Building Attached Photovoltaic，BAPV)形式，注重的是光伏發(fā)電的功能和效益[2-3]。而另一類值得關(guān)注的場所是露天停車場，搭建太陽能車棚不占用額外的空間，還可實現(xiàn)遮陽擋雨和光伏發(fā)電雙重功能和效益，而且光伏組件作為頂棚的主材，真正實現(xiàn)了光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)[4-6]。

與建筑頂層屋面相比，停車場所處的環(huán)境較為復(fù)雜。太陽能車棚的朝向受停車場布局的限制，結(jié)構(gòu)造型既要滿足基本功能需求，又要兼具美化城市的作用，且其發(fā)電效率還受周圍建筑與樹木等的影響。盡管時有關(guān)于太陽能車棚建設(shè)的論文和報道，但是缺少實際運(yùn)行狀況和效益的后續(xù)介紹[7-8]，未形成能夠共享的技術(shù)與工程經(jīng)驗。為了研究太陽能車棚設(shè)計與控制的關(guān)鍵技術(shù)，驗證系統(tǒng)的運(yùn)行特性和效益，積累相應(yīng)的工程經(jīng)驗，本實驗室結(jié)合新能源學(xué)科研發(fā)平臺建設(shè)的需要，于2015年在深圳市大學(xué)城清華校區(qū)內(nèi)搭建了較大規(guī)模的多功能太陽能車棚，并開發(fā)了配套的控制系統(tǒng)，長期監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

本文主要介紹了多功能太陽能車棚的整體設(shè)計方案，包括結(jié)構(gòu)、功能和控制設(shè)計，并根據(jù)實驗結(jié)果評估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，分析發(fā)電效率的影響因素，探討對應(yīng)的改進(jìn)措施，為太陽能車棚的建設(shè)與推廣提供實驗依據(jù)和參考建議。

1 多功能太陽能車棚的設(shè)計與建設(shè)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為深圳市大學(xué)城清華校區(qū)的局部航拍圖，露天停車場位于校園北側(cè)(紅色標(biāo)注區(qū)域)，總面積約1000 m2，共有84個車位，分14個單元，每個單元可并排停放6輛普通乘用車；車棚整體西南朝向，1～5單元的方位角從7°漸變至28°，6～14單元的方位角都為32°。停車場的前方有多棟5層高的科研樓，后方有高大的樹木，會不同程度地遮擋停車位的陽光。為了減輕局部陰影對系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，提高弱光條件下的發(fā)電能力，本太陽能車棚選用了薄膜光伏組件。

圖1 停車場航拍圖

每個單元的車棚結(jié)構(gòu)設(shè)計相同，如圖2a所示。4組立架采用150 mm×100 mm工字鋼彎制焊接而成，間隔為5 m，上架4根140 mm×140 mm的方通鋼橫梁和22根80 mm×40 mm的C型鋼斜椽。每個單元由44塊非晶硅薄膜光伏組件(95WP/74V)按4行11列固定在C型鋼上；14個單元共使用616塊光伏組件，總峰值功率為58.52 kWP。為兼顧外觀造型、發(fā)電效率及雨水自潔等因素，棚頂傾角設(shè)計為8°，最低離地高度為2.7 m。車棚整體造型簡約、輕巧、美觀，強(qiáng)度足以抗強(qiáng)臺風(fēng)。為了滿足研究與實驗的需求，同時配套建設(shè)了一間45 m2的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的控制中心，如圖2b所示。

圖2 太陽能車棚與控制中心

1.2 功能設(shè)計

作為新能源學(xué)科的一個重要研究對象，筆者對太陽能車棚進(jìn)行了多功能規(guī)劃和設(shè)計。

1.2.1 并網(wǎng)發(fā)電功能

為了開展光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究，將432塊總峰值功率為41 kWp的光伏組件用于并網(wǎng)發(fā)電。其中，1～3單元中的112塊光伏組件以8串7并的方式分別接入2個匯流箱，然后通過1臺10 kW雙輸入組串式三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電；4、5、7～14單元中的320塊光伏組件以4串8并的方式分別接入10個匯流箱，然后通過10臺自主開發(fā)的3 kW單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電。由于系統(tǒng)采用的均為非隔離型并網(wǎng)逆變器，因此，需通過1臺50 kVA的三相隔離變壓器與電網(wǎng)相連，向科研樓供電。所有并網(wǎng)逆變器均安裝在控制中心內(nèi)，用智能電表和普通電表相結(jié)合的方式采集和記錄并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 控制中心內(nèi)部

1.2.2 景觀照明功能

為了開展光伏儲能應(yīng)用的研究，并點綴校園環(huán)境，在太陽能車棚的前檐設(shè)計安裝了多種色彩組合的LED長燈與方燈。

每條長燈的長度為2 m，若輸入24 V額定電壓，不僅功耗大(約55 W)，過亮的燈光也與校園氛圍不協(xié)調(diào)。因此，將電壓調(diào)至17 V，紅、綠、藍(lán)3種長燈的功耗分別降至10.2、5.1、3.4 W，亮度適宜。

車棚共安裝了9套功耗基本相同(約60 W)的太陽能景觀照明系統(tǒng)，每套系統(tǒng)采用4塊光伏組件并聯(lián)輸入，白天通過自主開發(fā)的控制器對48V/50Ah的鋰離子電池進(jìn)行具有最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制的智能充電；天黑后自動輸出17 V恒壓，點亮LED燈，提供5 h的景觀照明，后半夜關(guān)閉，如圖4所示。

圖4 景觀照明

1.2.3 電動車充電功能

太陽能車棚與充電樁相結(jié)合，不僅能夠同時解決電動車的停車與充電問題，而且實現(xiàn)了光伏電能的就地消納、高效利用。為此，車棚內(nèi)配套安裝了6個交流充電樁，如圖5所示。鑒于白天上班時段停車時間較長，選用慢充電方式，充電樁額定規(guī)格為220Vac/32A。

圖5 電動車充電樁

目前，充電樁主要是為了滿足多輛B公司生產(chǎn)的T型混合動力汽車的充電。該車的標(biāo)稱電池容量為18 kWh，最大充電功率為3.3 kW，純電動續(xù)航里程為80 km。按照通勤往返耗電50%計算，每輛車每天充電約9 kWh。充電樁從光伏并網(wǎng)點取電，既保證了高效發(fā)電，又保證了穩(wěn)定充電。假定6個充電樁每天可為12輛車充電，則瞬時最大充電功率為20 kW，全年充電量約40000 kWh。根據(jù)深圳地區(qū)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的普遍表現(xiàn)，41 kWP的光伏容量應(yīng)該能夠滿足上述充電功率和充電量的需求。但由于車棚所處的環(huán)境較為復(fù)雜，還需通過實驗進(jìn)行驗證。

1.2.4 實驗電源功能

為了滿足其他光伏應(yīng)用研究的需求，將6單元中的40塊光伏組件規(guī)劃為實驗電源，根據(jù)實驗要求調(diào)整接線方式。例如，在進(jìn)行小型光伏反滲透海水淡化(見圖6)和苦咸水淡化實驗時，采用5串8并的接線方式，保證對三相220 V水泵的變頻調(diào)速控制；在進(jìn)行光伏揚(yáng)水實驗時，改為8串5并的接線方式，保證對三相380 V水泵的變頻調(diào)速控制。

圖6 海水淡化實驗

另外，在不同的單元中共預(yù)留了12塊光伏組件，用于太陽能廣告燈箱的研發(fā)。

1.3 工程建設(shè)

本項目采用招投標(biāo)的方式確定施工單位和工程預(yù)算。2014年11～12月，建造控制中心；2015年3～5月，搭建太陽能車棚鋼架；2015年5月初～6月中旬，鋪設(shè)光伏組件；2015年8月下旬，完成并網(wǎng)系統(tǒng)接線和景觀照明安裝，車棚投入運(yùn)行。整體建設(shè)工期持續(xù)10個月。

系統(tǒng)總造價約200萬元。其中，車棚鋼架140萬元，控制中心建筑花費20萬元，光伏發(fā)電系統(tǒng)(包括組件、匯流箱、逆變器、電纜等)花費20萬元，景觀照明系統(tǒng)(包括LED燈、鋰離子電池、控制器等)花費20萬元。光伏系統(tǒng)中的光伏組件是通過建立合作關(guān)系購買的特價非晶硅薄膜光伏組件，58.52 kWP組件的總價為10萬元。

實際推廣應(yīng)用中的太陽能車棚并不需要專用的控制室，景觀照明也可從電網(wǎng)取電，可省去昂貴的鋰離子電池。因此，按照正常的市場價格和工程費用，太陽能車棚的主要成本花費在鋼架上，約占70%～80%，景觀照明系統(tǒng)約占5%。若采用高效晶體硅光伏組件，光伏發(fā)電系統(tǒng)約占總成本的25%；若采用非晶硅薄膜光伏組件，占比則降至約15%。

2 環(huán)境條件對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

2.1 周邊建筑與樹木對光照的影響

停車場就近建在科研樓旁邊，夏季太陽的赤緯角高，大樓不會遮擋太陽能車棚處的陽光；但冬季太陽的赤緯角低，陽光被大樓遮擋的現(xiàn)象嚴(yán)重。而且如圖7所示，陰影的位置與面積會隨時間變化，10月下旬，中午12∶20時僅有前2排光伏組件被遮擋，但約1 h后，4排光伏組件全被遮擋，且位置也向東偏移。

南方地區(qū)氣候濕熱，樹木生長快、樹冠大。在太陽能車棚的后方(北側(cè))有成排大樹，尤其在1～5單元處。樹木對太陽能車棚的影響有3種形式，如圖8所示。第1種影響形式是遮擋，主要發(fā)生在夏季；第2種影響形式是落花和落葉，加上積塵，若長期不清掃，會嚴(yán)重影響發(fā)電量；第3種影響形式是強(qiáng)風(fēng)會吹斷樹枝，可能損傷光伏組件。

圖7 建筑物造成的局部陰影

圖8 樹木對車棚的影響

2.2 局部陰影對光伏發(fā)電的影響

2015年8月，系統(tǒng)全部建成開始并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行狀態(tài)良好。但各單元受建筑和樹木的影響程度不同，實際的發(fā)電量也出現(xiàn)了很大差異。其中，4、5、7～14單元的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的配置完全相同，光伏陣列的峰值功率為3.04 kWP。作為對比的參照系統(tǒng)，R單元是太陽能車棚附近樓頂上的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，全年無遮擋，采用單晶硅光伏陣列(2.1kWP/傾角20°)和同型號的并網(wǎng)逆變器，2007年投入運(yùn)行。為了便于比較，將利用小時TU定義為：

式中，E為一段時間內(nèi)的發(fā)電量，kWh；PN為光伏陣列的標(biāo)稱峰值功率，kWP。

表1為2016～2017年太陽能車棚及R單元的并網(wǎng)發(fā)電量和年利用小時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，圖9為不同季節(jié)和天氣條件下日利用小時的比較。

表1 太陽能車棚及R單元的并網(wǎng)發(fā)電量

圖9 利用小時對比圖

根據(jù)表1及圖9的結(jié)果可以看出：

1)太陽能車棚因受周邊環(huán)境的影響，年利用小時明顯低于樓頂?shù)膮⒄障到y(tǒng)。其中，4、5單元被樹木和落葉遮擋嚴(yán)重，經(jīng)常無法正常啟動運(yùn)行；9～13單元受樹木和建筑不同程度遮擋的影響，發(fā)電量略低；7、8和14單元面對兩棟樓之間的空地，建筑遮擋少，但由于頂棚傾角小等原因，利用小時仍低于參照系統(tǒng)。

2)夏季日照時間長，太陽的赤緯角高，大部分時間基本沒有建筑遮擋，且對車棚的入射角度好，所以利用小時遠(yuǎn)高于冬季。夏季，各單元之間的差別較大，樹木遮擋是主因。而冬季，建筑對車棚的遮擋隨時間移動，因此各單元之間的差別相對較小。

3) 2017年參照系統(tǒng)的利用小時比2016年增加了8.2%，表明太陽輻射量有所增加；而太陽能車棚各單元的利用小時并未等比例增加，主要原因在于薄膜光伏組件初期性能衰減、表面積塵增厚和樹木生長擴(kuò)大了遮擋面積。1～5單元的利用小時大幅下降的另一個重要原因是清掃落葉的時間間隔由2016年的每月1次變?yōu)?017年的每2個月1次。

4) 2016年與2017年太陽能車棚的總并網(wǎng)發(fā)電量分別為23592 kWh和21830 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足上述電動汽車充電量的需求，還是需要采用市電互補(bǔ)的方式。

2.3 局部陰影對其他實驗的影響

6單元用作其他光伏應(yīng)用系統(tǒng)的實驗電源，局部陰影對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響更大。例如，1套小型光伏反滲透海水淡化系統(tǒng)，最大運(yùn)行功率為1.7 kW，最小有效運(yùn)行功率為0.8 kW，用3.8 kWP的光伏陣列供電，理想情況下每天能運(yùn)行6～7 h，淡水制水量為0.8 m3。但11月的實驗結(jié)果表明，由于局部陰影的影響，系統(tǒng)每天只能有效運(yùn)行3～4 h；且由于加壓泵的轉(zhuǎn)速較低，淡水產(chǎn)水量僅有0.4 m3。

3 系統(tǒng)控制的優(yōu)化設(shè)計

由于系統(tǒng)采用了4串8并和8串7并的接線方式，局部陰影對系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電量影響嚴(yán)重。為此，本實驗室開展了利用微型逆變器提高系統(tǒng)發(fā)電效率的研究。每4塊光伏組件組成一個獨立的小單元(380 WP)，采用2串2并的接線方式。首先，針對薄膜光伏組件輸出電壓高的特點，開發(fā)了采用“Boost+H橋電路拓?fù)洹钡奈⑿湍孀兤鳎總€小單元單獨逆變并網(wǎng)。但實驗結(jié)果表明，微型逆變器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)每個小單元的MPPT控制，但其自身成本高、轉(zhuǎn)換效率低。

另一個解決方案是采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即每個小單元由1臺DC/DC控制器實現(xiàn)MPPT控制，所有輸出并聯(lián)形成直流母線，然后用1臺大功率逆變器集中并網(wǎng)。為此，我們開發(fā)了采用Boost電路的DC/DC控制器，額定功率為380 W，將約140 Vdc的小單元光伏陣列輸出電壓提升至360 Vdc，并實現(xiàn)MPPT控制。使用光伏模擬電源對DC/DC控制器進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表2所示。

表2 DC/DC控制器的實驗結(jié)果

從不同單元中選定32塊光照條件差異較大的光伏組件進(jìn)行系統(tǒng)實驗，其中，7單元4塊、8單元12塊、9單元8塊、10單元8塊；用8臺DC/DC控制器分別進(jìn)行MPPT控制，再由1臺3 kW逆變器并網(wǎng)，并對直流母線實施穩(wěn)壓控制；用8只數(shù)碼顯示器監(jiān)控8組輸入的電壓與電流，1只電表記錄并網(wǎng)發(fā)電量。受局部陰影的影響，8組小單元(圖中為“混合單元”)的輸出有明顯差異。圖10為7～10單元這4個集中單元和1個混合單元的并網(wǎng)發(fā)電量的實測結(jié)果，其中，圖10a為09∶00～17∶00期間8個時間段的平均并網(wǎng)發(fā)電功率，7～10單元采用集中單路MPPT控制，混合單元采用8路MPPT控制。由圖10可知，局部陰影對各單元的影響隨時間而變，上午7單元和9單元均受影響，下午7單元受影響較大；而9單元在14∶30之后幾乎無遮擋。

圖10 并網(wǎng)發(fā)電量實測對比

為了定量評價混合型并網(wǎng)的效果，可根據(jù)各單元的全天發(fā)電量，按照分布在各單元中的光伏組件數(shù)比例計算EPA，即：

式中，E7、E8、E9、E10分別為7～10單元的全天并網(wǎng)發(fā)電量，kWh。

對應(yīng)于圖10，EMIX= 9.22 kWh，而EPA=8.84 kWh，發(fā)電量約提高4.3%。圖10b為2017年12月中22天的實測結(jié)果，可見，晴天條件下局部陰影的影響嚴(yán)重。因此，采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)改善效果更明顯，發(fā)電量最高增加10%，22天的平均增加量為6.8%。

4 結(jié)論

太陽能車棚既能遮陽擋雨，又能進(jìn)行光伏發(fā)電，將成為未來幾年分布式光伏電站建設(shè)中越來越受重視的空間應(yīng)用。本文通過進(jìn)行 實際系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)與運(yùn)行，得出以下結(jié)論：

1)太陽能車棚的主要成本來自鋼架結(jié)構(gòu)，整體造價高。若根據(jù)已有普通車棚建設(shè)的規(guī)劃和預(yù)算，頂棚改用光伏組件，成本增加不多，有經(jīng)濟(jì)可行性。

2)周圍環(huán)境會顯著影響太陽能車棚的發(fā)電效率，所以選擇場地時必須做好現(xiàn)場勘查和評估工作。

3)通過采用混合型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高局部陰影條件下光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電量。

4)設(shè)置電動汽車充電樁時，為了保證高效發(fā)電和穩(wěn)定充電，建議采用光伏并網(wǎng)發(fā)電、充電樁從并網(wǎng)點取電的方式。