保定光伏產(chǎn)業(yè)園
——從頂層設(shè)計(jì)到應(yīng)用的研究

陳敬欣 ，丁 陽(yáng) ，張翼飛 ，周海亮，許 穎，（.保定嘉盛光電科技股份有限公司， 河北 保定 0705；.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河北 保定 0700）

頂層設(shè)計(jì)是運(yùn)用系統(tǒng)論的方法，從全局的角度，對(duì)某項(xiàng)任務(wù)或者某個(gè)項(xiàng)目的各方面、各層次、各要素統(tǒng)籌規(guī)劃，以集中有效資源，高效快捷地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的一種思路。光伏發(fā)電用于社區(qū)的概念在國(guó)外已經(jīng)做了一些嘗試，比爾-鄧斯特 2001 年建成全球第一個(gè)零碳社區(qū)貝丁頓零碳社區(qū)，充分利用了太陽(yáng)能，為社區(qū)提供更清潔高效的能源。Renewable Cities（可再生城市）組織提出其理念的核心是 Renewable Buildings（可再生建筑）, 而在城市中，可再生能源利用的最佳方式是光伏發(fā)電，未來(lái)目標(biāo)為在城市生活中實(shí)現(xiàn) 100%的可再生能源利用。2019 年，我國(guó)的光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV ）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是從頂層設(shè)計(jì)的概念去設(shè)計(jì)一個(gè)以光伏應(yīng)用為主題的園區(qū)，還未見報(bào)道。采用頂層設(shè)計(jì)的理念設(shè)計(jì)和實(shí)施保定光伏產(chǎn)業(yè)園，可將光伏發(fā)電與生產(chǎn)、酒店、教育、娛樂休閑、道路交通等結(jié)合起來(lái)，由智能監(jiān)控管理系統(tǒng)貫穿起來(lái)，形成高效智慧、低碳健康、生態(tài)宜居的示范產(chǎn)業(yè)園。

1 頂層設(shè)計(jì)

光伏產(chǎn)業(yè)園頂層設(shè)計(jì)整體思路采用頂層設(shè)計(jì)理念，將光伏產(chǎn)業(yè)園分為生產(chǎn)、研發(fā)、生活、娛樂、教育 5 個(gè)功能區(qū)。在各功能區(qū)中盡可能采用光伏技術(shù)，相應(yīng)在生產(chǎn)功能區(qū)建設(shè)了光伏組件生產(chǎn)基地：研發(fā)區(qū)建立了光伏應(yīng)用研究院、保定光伏材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；娛樂教育區(qū)建立了低碳公園和光伏館；生活區(qū)建立了電谷酒店、光伏示范小區(qū)、微工坊、基礎(chǔ)設(shè)施示范等項(xiàng)目群。園區(qū)占地約 12 km2，光伏組件安裝量達(dá) 18 MW，相當(dāng)于 2.67 萬(wàn) m2地面電站的裝機(jī)容量。在園區(qū)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，廣泛應(yīng)用了光伏幕墻、透光光伏屋頂、防青磚組件等國(guó)內(nèi)最新的光伏建筑一體化產(chǎn)品，完美實(shí)踐了城市光伏利用的新模式。通過(guò)建筑物或設(shè)施集成，使得光伏組件的利用達(dá)到了最大化。

2 園區(qū)光伏發(fā)電的應(yīng)用

園區(qū)首先是一個(gè)光伏組件的制造基地。在制造基地，不斷產(chǎn)生新的技術(shù)和產(chǎn)品，利用高透光、全黑、曲瓦、弧面光伏幕墻、彩色組件等新型光伏建材，通過(guò)定制開發(fā)的支架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了型材與建筑的完美結(jié)合。其不但滿足光伏建材結(jié)合到建筑上的安全連接需求，如防火性、耐火性、耐久性等要求，還不會(huì)影響建筑外觀，實(shí)現(xiàn)高層建筑側(cè)立面、建筑頂面的綠色電力供給方案。

2.1 光伏組件生產(chǎn)基地項(xiàng)目

項(xiàng)目位于產(chǎn)業(yè)園廠房屋頂，根據(jù)不同廠區(qū)、廠房的規(guī)格、位置、日常耗電負(fù)荷結(jié)構(gòu)、日照條件等因素，采用相應(yīng)規(guī)格與等級(jí)的光伏組件與組串逆變單元，在發(fā)揮建筑隔熱功能的基礎(chǔ)上，為廠區(qū)日常耗電提供電能供給。合理利用屋頂空間，降低輸電線路的損耗與成本。本項(xiàng)目總裝機(jī)容量約6.8 MW，每年預(yù)計(jì)發(fā)電量 850 萬(wàn) kWh，項(xiàng)目既節(jié)約了用電成本，又降低了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

2.2 低碳公園

電谷城市低碳公園外立面及頂部均由光伏組件構(gòu)建而成。根據(jù)光照與發(fā)電性能的特點(diǎn)，不同位置采用不同類型的組件，確保最大程度將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。所有組件采用雙玻組件封裝，高透光率不僅提高公園內(nèi)人體活動(dòng)舒適感，而且不影響公園內(nèi)綠色植物的生長(zhǎng)，既能保證園內(nèi)的采光又能兼顧植物的生長(zhǎng)。項(xiàng)目總裝機(jī)容量約 3 MW，本項(xiàng)目提供的電能，能滿足公園內(nèi)空調(diào)、新風(fēng)、照明等必須電能的需求，同時(shí)還能為音樂噴泉、景觀流水等娛樂設(shè)施提供電能保障。結(jié)合智能控制器與雙向電表，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。每年為建筑提供約 300 萬(wàn) kWh 的電力，在兼顧了美觀、采光、保溫的同時(shí)，還為建筑提供了綠色電力，降低了建筑物的損耗。其作為現(xiàn)代化綠色低碳園區(qū)，經(jīng)常作為中小學(xué)生環(huán)保宣傳的實(shí)踐基地，為綠色出行、節(jié)能環(huán)保、科技創(chuàng)新的科普與意識(shí)培養(yǎng)提供現(xiàn)實(shí)素材。

2.3 某被動(dòng)式光伏建筑示范工程

某工坊是傾力打造的現(xiàn)代高品質(zhì)辦公空間，是集建筑光伏一體化、被動(dòng)式、地源熱泵、毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)、智慧能源管控系統(tǒng)等高新技術(shù)為一體的示范建筑。建筑采用現(xiàn)代中式簡(jiǎn)約風(fēng)格，合院式布置。優(yōu)美的庭院及露臺(tái)景觀，帶給人們舒適的辦公體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)“零碳、綠色、智慧、宜居”。項(xiàng)目遵循“陽(yáng)光、綠色、智慧”的設(shè)計(jì)理念，符合國(guó)家綠色建筑發(fā)展方向。項(xiàng)目中光伏發(fā)電板采用自主研發(fā)的“青磚”“黛瓦”等新型光伏建材，使建筑與光伏實(shí)現(xiàn)完美融合，既不失建筑美感，又持續(xù)提供了綠色電力?！扒啻u”“黛瓦”外形和顏色突破傳統(tǒng)光伏發(fā)電板的設(shè)計(jì)，使得光伏發(fā)電板不僅作為產(chǎn)能功能材料而且作為建筑飾面材料。安裝方式均采用了干掛方式，方便安裝與維修、拆卸及更換，使光伏發(fā)電板與建筑的結(jié)合相依相融，更加適應(yīng)于現(xiàn)階段建筑對(duì)于綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。項(xiàng)目總裝機(jī)容量97.785 kw，年發(fā)電約 10 萬(wàn) kWh，發(fā)電數(shù)據(jù)使用逆變器終端采集，發(fā)電量可實(shí)現(xiàn) 50% 用電能耗的自給率。

2.4 光伏聲屏障

此工程為我國(guó)首座光伏聲屏障，安裝容量 90 kW，全部全玻光伏組件選用單晶 P 型電池片，每塊全玻組件的峰值功率為 125 W。系統(tǒng)采用明框的幕墻安裝方式，全部線纜均采用隱藏的走線方式。利用光伏全玻組件獨(dú)有的結(jié)構(gòu)形式及組成，替代普通隔音墻的隔音材料，在保證隔音效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。此項(xiàng)目采用一體化設(shè)計(jì)、構(gòu)件式安裝，外形美觀大方，安裝省時(shí)省力。此隔音墻首年發(fā)電量約為 8.7萬(wàn) kWh，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 30.45 t，減排 CO285.00 t、減排 SO22.61 t、減排粉塵 23.66 t。此項(xiàng)光伏技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)和成功應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)光伏產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)取得突破，光伏建筑一體化領(lǐng)域得到進(jìn)一步開拓，開辟了節(jié)能減排新途徑。光伏組件兼做建筑材料，可進(jìn)一步降低光伏系統(tǒng)的建設(shè)成本，投資收益較好，有著巨大的市場(chǎng)潛力。

2.5 智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

鑒于園區(qū)的復(fù)雜性，為園區(qū)定制了智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包含了智能光伏系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)、智能照明、智能警報(bào)、智能視頻監(jiān)控等等。將園區(qū)的照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、道路站牌、車棚等全部互聯(lián)在一起，打造一個(gè)便利化、智慧化、綠色的新型現(xiàn)代城市。

作為園區(qū)的主要能源提供者，光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是保障智能監(jiān)控正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。在園區(qū)中，光伏系統(tǒng)多以光伏建筑一體化的形式展現(xiàn)，光伏建筑一體化的安裝形勢(shì)較為復(fù)雜，同時(shí)又貼近市民生活，為了保障市民生活的安全和光伏系統(tǒng)的額收益，智能監(jiān)控系統(tǒng)相較于常規(guī)監(jiān)控，增加了系統(tǒng)發(fā)電效率優(yōu)化，精準(zhǔn)監(jiān)控、高效排障，安全保障措施，移動(dòng)互聯(lián)、自由運(yùn)維，防逆流等功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本光伏產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)以可再生建筑為指導(dǎo)思想，以降低建筑能耗為目標(biāo)，在充分調(diào)研區(qū)域定位背景下，構(gòu)建了產(chǎn)業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)原則和具體設(shè)計(jì)目標(biāo)；利用自由知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高透光、全黑、曲瓦、弧面光伏幕墻和支架結(jié)構(gòu)等新型光伏建材，讓高層建筑側(cè)立面的綠色電力方案和透光光伏屋頂、 BIPV 幕、光伏改造等多方面技術(shù)方案得以實(shí)施；通過(guò)光伏發(fā)電結(jié)合地源熱泵技術(shù)，使得建筑能耗下降 70%；特有的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)納入阿里云的智能檢測(cè)和運(yùn)維系統(tǒng)，使得園區(qū)的可再生能源發(fā)電更加可靠，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)也為未來(lái)低碳示范區(qū)的建設(shè)提供了依據(jù)。園區(qū)占地約 12 km2，光伏組件裝機(jī)容量達(dá) 18 MW，相當(dāng)于 2.67 萬(wàn) m2地面電站的裝機(jī)容量，后期全國(guó)建設(shè)示范項(xiàng)目裝機(jī)容量 17 MW，共計(jì) 35 MW。每年可提供綠色電力 3 644.35 萬(wàn) kWh，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1.28 萬(wàn) t，減排 CO23.56 萬(wàn) t，減排 SO21 093 t，減排粉塵 9 912.6 t，在 25 a 內(nèi)可發(fā)電 8.2 億 kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 28.70 t，減少 CO2排放 80.11 萬(wàn) t，減少 SO2排放 2.46萬(wàn) t，減排粉塵 22.30萬(wàn) t。為國(guó)家節(jié)能減排起到引領(lǐng)示范作用，拉動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這些項(xiàng)目均完美實(shí)踐了城市光伏利用的新模式，通過(guò)建筑物或設(shè)施集成，使得光伏發(fā)電件的利用達(dá)到了最大化，很大程度上實(shí)現(xiàn)了低碳的建設(shè)目標(biāo)。

光伏產(chǎn)業(yè)園即為 Renewable Buildings 的一項(xiàng)實(shí)踐探索，為未來(lái)完全利用可再生能源的城市提供示范支持。此園區(qū)的建設(shè)理念和方法不僅可以應(yīng)用于光伏園區(qū)，也可以在其他高科技園區(qū)或生活區(qū)推廣。