1 工程概况
天津属于暖温带地区，年平均气温为 11. 5℃，通过国家气象局最近 10 年的日照统计数据可知，天津的年均日射量为4. 073k W·h /m2、年日照时间为2 778h、年平均日照率为 63% 。因此，采用太阳能光伏发电系统是可行的。
中新天津生态城公屋展示中心工程位于天津市中新天津生态城 15 号地公屋项目内。总建筑面积 3 467m2，其中地上两层，3 013m2; 地下一层，454m2，建筑总高度 15m。建筑功能一部分为公屋展示、销售; 另一部分为房管局办公和档案储存。本工程的设计目标为零能耗的绿色公共建筑。通过被动式设计使建筑物耗能达到合理的极限，通过主动式设计提高设备能源使用效率，预估年建筑能耗约为252. 8k W·h /a，单位面积建筑能耗约为 72. 9k W·h / ( m2·a) 。建筑效果如图 1 所示。
2 光伏发电系统总体框架
装设光伏组件的区域主要包含: 屋顶弧形架构区、屋顶东西两侧三角区、建筑东南侧停车棚和西南侧停车棚顶部。采用高转换效率HIT 型光伏组件，尺寸为 798～1 580mm，峰值功率为 210Wp，组件转换效率为16.7% ，电池转换效率为 18.9% ，重量约15kg，总装机容量292.95kWp，总发电量约295MW·h/a，高于年建筑能耗12.3% ，预计可达到建筑零能耗的目标。光伏发电系统与市电并网运行，多余的光伏电能反馈到市电电网。设置有648k W 的锂电池储能装置，用于平滑光伏馈电功率，并为较重要负荷提供备用电源。
本项目作为零能耗建筑，光伏发电全年的发电量应大于负荷能耗的 10% 以上。但天津属华北地区，季节差异较大，夏季及春秋季，光伏发电量大于负荷用电量; 冬季，光伏发电量小于负荷用电量。通过光伏发电系统的并网技术措施，即可实现从电网取电，也可向电网馈电的并网形式。即: 夏季及春秋季多余的电量馈向电网，冬季从电网取电。一年的光伏发电总量大于建筑能耗的总量，从而真正实现零能耗建筑。
在此并网系统中，主要依据两方面来确定蓄电池的容量，一方面为智能控制系统工作站、计算机网络设备、服务器及对外窗口办公计算机提供 2h 的应急电源，另一方面为了稳定光伏发电上网的相对恒功率输出的需要，取两者中的较大容量，最终确 定 为648k Wh。光伏发电系统框图见图 2。
3 光伏发电系统设计方案
新建建筑光伏发电系统设计与 建筑设计同步进行，统一规划，同时设计、施工。其规划设计应根据建设地点的地理位置、气候特征及太阳能资源条件，确定建筑的布局、朝向、间距、群体组合和空间环境，并应满足光伏发电系统设计和安装的技术要求。同时结合建筑功能、建筑外观以及周围环境条件，进行光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽的选择，使之成为建筑的有机组成部分。 光伏发电系统设计流程如图3所示。
3.1 遮挡分析
遮挡分析包括周边建筑物对本建筑屋顶电池板的遮挡分析、建筑自身对电池板的遮挡分析，如建筑物屋顶女儿墙、建筑物屋顶设备机房、突出屋面的设备等。
本项目位于天津市中新天津生态城15 号地公屋项目内，在本建筑南侧 50m内有2 栋16～18 层的高层住宅，见图4，女儿墙高出屋面1.5m，对本项目光伏发电系统的遮挡影响较大，因此需要着重对周边建筑及女儿墙进行建模并模拟分析，见图5。
图4 建筑总平面图
根据分析结果可见，本项目周边遮挡因数约为 10. 9% 。
3.2 组件选择
光伏组件分类较多，主要包括单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶/单晶异质结( HIT) 光伏组件、非晶硅薄膜光伏组件、碲化镉( Cd Te) 薄膜及铜铟硒( CIS) 薄膜光伏组件等，其中以非晶/单晶异质结( HIT) 光伏组件转换效率最高。其太阳能电池片基本结构如图 6 所示，是以光照射侧的 p-i 型a-Si: H膜( 膜厚 5 ～ 10nm) 和背面侧的 i-n 型 a-Si: H膜( 膜厚 5 ～ 10nm) 夹住晶体硅片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称结构的 HIT太阳能电池组件。HIT 太阳能电池组件具有低温工艺、高效率、高稳定性、低硅耗等特点。光伏组件的选用依据以下原则:
( 1) 应根据建筑功能、外观以及周边环境条件遮挡情况，从光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽等方面总体考虑来选择光伏组件，使之成为建筑的有机组成部分。
(2) 应根据光伏组件在一年中的运行时间、运行期内的风环境、日照条件、经济条件、维护管理等多方面因素综合考虑选用光伏组件。
(3) 光伏组件及其连接件的规格、性能参数及安全要求由厂家提供，其中连接件的尺寸、规格、荷载、位置需经过设计，预埋件、支撑龙骨及连接件均按国家相关规范要求设计，预埋件施工时应确保定位无误。
综合考虑，本设计选用组件峰值功率为210Wp、组件转换效率为 16. 7% 的光伏组件，其技术指标如表1 所示。
3.3 安装方式设计
屋顶、停车棚的光伏组件与建筑的安装构造方式为安装型，属于 BAPV 方式; 弧形遮阳架构的光伏组件与建筑的安装构造方式为构件型，属于BIPV方式。在有限的可利用空间实现最大的光伏发电量是安装方式设计的出发点。为了使光伏方阵得到的太阳辐射和光伏系统的功率输出最大，光伏方阵的取向和倾角应按照光伏方阵所在的地理位置考虑。
通过软件模拟分析，在天津地区，光伏组件全年获得电能最多的倾角为32°。而考虑到中央弧形遮阳架存在一定的弧度，组件安装间距可大大缩小，增加了组件安装数量，因此在中央弧形遮阳架的南北两侧采用 32° 倾角安装，根据弧形遮阳架弧度不同，安装间距也不尽相同，详见图 7。
借助于专业软件，分别对屋顶两侧三角区 0°倾角安装、32°倾角安装两种方式进行了模拟分析，详见表2。
经过分析计算可见，0°倾角安装能够在有限的屋顶面积条件下获得最大的光伏发电量。因此在屋顶中央弧形架构中心区、东西两侧三角区光伏组件安装倾角为0°。在车棚区域，采用与车棚倾角一致的安装角度，约为13°。光伏组件共计铺设 1 409 块，总装机容量为295. 89k Wp。各区域安装方式参数详见表3。
3.4 并网系统设计
由于本工程光伏组件主要集中在屋顶和车棚，所以采用集中监控、集中并网方式，用户侧低压380V 并入公共电网。结合选用的光伏组件类型、数量及安装分区，配置并网逆变器的类型与数量。
本工程选择 10k W 逆变器，具体参数如表4 所示。其配置方案详见表 5。
光伏电站向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量，在谐波、电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡度等方面应满足《电能质量电力系统谐波》( GB /T 4549-93) ，《电能质量 公用电网间谐波》( GB /T 24337-2009) ，《电能质量 供电电压偏差》 ( GB /T12325-2008) ，《电能质量 电压波动和闪变》( GB /T 12326-2008) ，《电能质量 三相电压允许不平衡度》( GB /T 15543-2008) ，《电能质量 电力系统频率偏差》( GB /T15945-2008 ) 的要求。出现偏离标准的越限状况，系统检测到这些偏差并将光伏系统与电网安全断开。
3.4.1 谐波
光伏电站所接入的公共连接点的谐波注入电流应满足《电能质量电力系统谐波》( GB /T14549-93) 的要求，其中光伏电站向电网注入的谐波电流允许值按照光伏电站装机容量与其公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。
光伏电站所接入的公共连接点的各次间谐波电压含有率及单个光伏电站引起的各次间谐波电压含有率应满足《电能质量 公用电网间谐波》( GB /T24337-2009) 的要求。总谐波电流应小于逆变器额定输出的 5% 。
3.4.2 电压偏差
光伏电站接入电网后，光伏电站并网点的电压偏差应满足《电能质量供电电压偏 差》( GB /T12325-2008) 的要求。三相电压的允许偏差为额定电压的± 7%，单相电压的允许偏差为额定电压的－10%～+7% 。
3.4.3 电压波动和闪变
光伏电站所接入的公共连接点的电压波动和 闪变应满足《电能质量 电压波动和闪变》( GB /T12326-2008) 的要求，其中光伏电站引起的闪变值按照光伏电站装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。
3.4.4 电压不平衡度
光伏电站所接入的公共连接点的电压不平衡度及光伏电站引起的电压不平衡度应满足《电能质量 三相电压允许不平衡度》( GB /T 15543-2008) 的要求，其中光伏电站引起的电压不平衡度允许值按照 GB /T 15543 的原则进行换算，允许值为2% ，短时不得超过4% 。
3.4.5 直流分量
光伏电站并网运行时，向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流电流额定值的 0. 5% 。
3.4.6 功率因数
当电站输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数应不小于 0.98(超前或滞后) ，输出有功功率在20%～50% 时，功率因数应不小于 0.95(超前或滞后) 。
3.4.7 频率
光伏系统并网时与电网同步运行。电网额定频率为 50Hz，光伏系统并网后的频率允许偏差应符合《电能质量 电力系统频率偏差》( GB /T 15945-2008) 的规定，偏差值允许 ± 0. 5Hz。
3.5 光伏发电系统发电量模拟
采用专业软件建模，并对各区域发电量进行模拟分析，可得全年各区域光伏发电量数据，详见表6、图 8、图 9。
图 8 系统各区域逐月发电量
图 9 系统逐月发电量
3.6 光伏发电监控系统设计
监控系统基本结构见图 10，采用双机单网结构，采用服务器作为操作员工作站，兼报表及维护工作站的功能，用于实现微网综合监控。保护测控装置、电池管理系统、光伏管理系统、双向变流装置PCS 均由前置服务器直接接入监控系统，电表及小型气象站通过规约转换器接入监控系统。模式控制器用于实现微网运行模式切换管理。光伏系统和电网在异常或故障时，为保证设备和人身安全，设置相应的并网保护功能，包括过/欠电压、过/欠频率、防孤岛效应、恢复并网、短路保护、逆向功率保护等。
4 结束语
零能耗建筑的光伏发电系统设计，需要着重考虑以下几点:
1) 建筑自身及周边场地情况;
2) 建筑外形、功能和负荷要求;
3) 光伏组件选型;
4) 光伏组件安装方式及与建筑一体化设计;
5) 光伏发电系统发电量估算。
本工程结合实际情况采用 BIPV 和BAPV 两种太阳能光伏技术应用方式，实现了光伏组件与建筑结合一体化设计施工，同时应用储能技术和微网技术，实现建筑零能耗的目标。
天津属于暖温带地区，年平均气温为 11. 5℃，通过国家气象局最近 10 年的日照统计数据可知，天津的年均日射量为4. 073k W·h /m2、年日照时间为2 778h、年平均日照率为 63% 。因此，采用太阳能光伏发电系统是可行的。
中新天津生态城公屋展示中心工程位于天津市中新天津生态城 15 号地公屋项目内。总建筑面积 3 467m2，其中地上两层，3 013m2; 地下一层，454m2，建筑总高度 15m。建筑功能一部分为公屋展示、销售; 另一部分为房管局办公和档案储存。本工程的设计目标为零能耗的绿色公共建筑。通过被动式设计使建筑物耗能达到合理的极限，通过主动式设计提高设备能源使用效率，预估年建筑能耗约为252. 8k W·h /a，单位面积建筑能耗约为 72. 9k W·h / ( m2·a) 。建筑效果如图 1 所示。
2 光伏发电系统总体框架
装设光伏组件的区域主要包含: 屋顶弧形架构区、屋顶东西两侧三角区、建筑东南侧停车棚和西南侧停车棚顶部。采用高转换效率HIT 型光伏组件，尺寸为 798～1 580mm，峰值功率为 210Wp，组件转换效率为16.7% ，电池转换效率为 18.9% ，重量约15kg，总装机容量292.95kWp，总发电量约295MW·h/a，高于年建筑能耗12.3% ，预计可达到建筑零能耗的目标。光伏发电系统与市电并网运行，多余的光伏电能反馈到市电电网。设置有648k W 的锂电池储能装置，用于平滑光伏馈电功率，并为较重要负荷提供备用电源。
本项目作为零能耗建筑，光伏发电全年的发电量应大于负荷能耗的 10% 以上。但天津属华北地区，季节差异较大，夏季及春秋季，光伏发电量大于负荷用电量; 冬季，光伏发电量小于负荷用电量。通过光伏发电系统的并网技术措施，即可实现从电网取电，也可向电网馈电的并网形式。即: 夏季及春秋季多余的电量馈向电网，冬季从电网取电。一年的光伏发电总量大于建筑能耗的总量，从而真正实现零能耗建筑。
在此并网系统中，主要依据两方面来确定蓄电池的容量，一方面为智能控制系统工作站、计算机网络设备、服务器及对外窗口办公计算机提供 2h 的应急电源，另一方面为了稳定光伏发电上网的相对恒功率输出的需要，取两者中的较大容量，最终确 定 为648k Wh。光伏发电系统框图见图 2。
3 光伏发电系统设计方案
新建建筑光伏发电系统设计与 建筑设计同步进行，统一规划，同时设计、施工。其规划设计应根据建设地点的地理位置、气候特征及太阳能资源条件，确定建筑的布局、朝向、间距、群体组合和空间环境，并应满足光伏发电系统设计和安装的技术要求。同时结合建筑功能、建筑外观以及周围环境条件，进行光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽的选择，使之成为建筑的有机组成部分。 光伏发电系统设计流程如图3所示。
3.1 遮挡分析
遮挡分析包括周边建筑物对本建筑屋顶电池板的遮挡分析、建筑自身对电池板的遮挡分析，如建筑物屋顶女儿墙、建筑物屋顶设备机房、突出屋面的设备等。
本项目位于天津市中新天津生态城15 号地公屋项目内，在本建筑南侧 50m内有2 栋16～18 层的高层住宅，见图4，女儿墙高出屋面1.5m，对本项目光伏发电系统的遮挡影响较大，因此需要着重对周边建筑及女儿墙进行建模并模拟分析，见图5。
图4 建筑总平面图
根据分析结果可见，本项目周边遮挡因数约为 10. 9% 。
3.2 组件选择
光伏组件分类较多，主要包括单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、非晶/单晶异质结( HIT) 光伏组件、非晶硅薄膜光伏组件、碲化镉( Cd Te) 薄膜及铜铟硒( CIS) 薄膜光伏组件等，其中以非晶/单晶异质结( HIT) 光伏组件转换效率最高。其太阳能电池片基本结构如图 6 所示，是以光照射侧的 p-i 型a-Si: H膜( 膜厚 5 ～ 10nm) 和背面侧的 i-n 型 a-Si: H膜( 膜厚 5 ～ 10nm) 夹住晶体硅片，在两侧的顶层形成透明的电极和集电极，构成具有对称结构的 HIT太阳能电池组件。HIT 太阳能电池组件具有低温工艺、高效率、高稳定性、低硅耗等特点。光伏组件的选用依据以下原则:
( 1) 应根据建筑功能、外观以及周边环境条件遮挡情况，从光伏组件类型、安装位置、安装方式和色泽等方面总体考虑来选择光伏组件，使之成为建筑的有机组成部分。
(2) 应根据光伏组件在一年中的运行时间、运行期内的风环境、日照条件、经济条件、维护管理等多方面因素综合考虑选用光伏组件。
(3) 光伏组件及其连接件的规格、性能参数及安全要求由厂家提供，其中连接件的尺寸、规格、荷载、位置需经过设计，预埋件、支撑龙骨及连接件均按国家相关规范要求设计，预埋件施工时应确保定位无误。
综合考虑，本设计选用组件峰值功率为210Wp、组件转换效率为 16. 7% 的光伏组件，其技术指标如表1 所示。
3.3 安装方式设计
屋顶、停车棚的光伏组件与建筑的安装构造方式为安装型，属于 BAPV 方式; 弧形遮阳架构的光伏组件与建筑的安装构造方式为构件型，属于BIPV方式。在有限的可利用空间实现最大的光伏发电量是安装方式设计的出发点。为了使光伏方阵得到的太阳辐射和光伏系统的功率输出最大，光伏方阵的取向和倾角应按照光伏方阵所在的地理位置考虑。
通过软件模拟分析，在天津地区，光伏组件全年获得电能最多的倾角为32°。而考虑到中央弧形遮阳架存在一定的弧度，组件安装间距可大大缩小，增加了组件安装数量，因此在中央弧形遮阳架的南北两侧采用 32° 倾角安装，根据弧形遮阳架弧度不同，安装间距也不尽相同，详见图 7。
借助于专业软件，分别对屋顶两侧三角区 0°倾角安装、32°倾角安装两种方式进行了模拟分析，详见表2。
经过分析计算可见，0°倾角安装能够在有限的屋顶面积条件下获得最大的光伏发电量。因此在屋顶中央弧形架构中心区、东西两侧三角区光伏组件安装倾角为0°。在车棚区域，采用与车棚倾角一致的安装角度，约为13°。光伏组件共计铺设 1 409 块，总装机容量为295. 89k Wp。各区域安装方式参数详见表3。
3.4 并网系统设计
由于本工程光伏组件主要集中在屋顶和车棚，所以采用集中监控、集中并网方式，用户侧低压380V 并入公共电网。结合选用的光伏组件类型、数量及安装分区，配置并网逆变器的类型与数量。
本工程选择 10k W 逆变器，具体参数如表4 所示。其配置方案详见表 5。
光伏电站向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量，在谐波、电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡度等方面应满足《电能质量电力系统谐波》( GB /T 4549-93) ，《电能质量 公用电网间谐波》( GB /T 24337-2009) ，《电能质量 供电电压偏差》 ( GB /T12325-2008) ，《电能质量 电压波动和闪变》( GB /T 12326-2008) ，《电能质量 三相电压允许不平衡度》( GB /T 15543-2008) ，《电能质量 电力系统频率偏差》( GB /T15945-2008 ) 的要求。出现偏离标准的越限状况，系统检测到这些偏差并将光伏系统与电网安全断开。
3.4.1 谐波
光伏电站所接入的公共连接点的谐波注入电流应满足《电能质量电力系统谐波》( GB /T14549-93) 的要求，其中光伏电站向电网注入的谐波电流允许值按照光伏电站装机容量与其公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。
光伏电站所接入的公共连接点的各次间谐波电压含有率及单个光伏电站引起的各次间谐波电压含有率应满足《电能质量 公用电网间谐波》( GB /T24337-2009) 的要求。总谐波电流应小于逆变器额定输出的 5% 。
3.4.2 电压偏差
光伏电站接入电网后，光伏电站并网点的电压偏差应满足《电能质量供电电压偏 差》( GB /T12325-2008) 的要求。三相电压的允许偏差为额定电压的± 7%，单相电压的允许偏差为额定电压的－10%～+7% 。
3.4.3 电压波动和闪变
光伏电站所接入的公共连接点的电压波动和 闪变应满足《电能质量 电压波动和闪变》( GB /T12326-2008) 的要求，其中光伏电站引起的闪变值按照光伏电站装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。
3.4.4 电压不平衡度
光伏电站所接入的公共连接点的电压不平衡度及光伏电站引起的电压不平衡度应满足《电能质量 三相电压允许不平衡度》( GB /T 15543-2008) 的要求，其中光伏电站引起的电压不平衡度允许值按照 GB /T 15543 的原则进行换算，允许值为2% ，短时不得超过4% 。
3.4.5 直流分量
光伏电站并网运行时，向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流电流额定值的 0. 5% 。
3.4.6 功率因数
当电站输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数应不小于 0.98(超前或滞后) ，输出有功功率在20%～50% 时，功率因数应不小于 0.95(超前或滞后) 。
3.4.7 频率
光伏系统并网时与电网同步运行。电网额定频率为 50Hz，光伏系统并网后的频率允许偏差应符合《电能质量 电力系统频率偏差》( GB /T 15945-2008) 的规定，偏差值允许 ± 0. 5Hz。
3.5 光伏发电系统发电量模拟
采用专业软件建模，并对各区域发电量进行模拟分析，可得全年各区域光伏发电量数据，详见表6、图 8、图 9。
图 8 系统各区域逐月发电量
图 9 系统逐月发电量
3.6 光伏发电监控系统设计
监控系统基本结构见图 10，采用双机单网结构，采用服务器作为操作员工作站，兼报表及维护工作站的功能，用于实现微网综合监控。保护测控装置、电池管理系统、光伏管理系统、双向变流装置PCS 均由前置服务器直接接入监控系统，电表及小型气象站通过规约转换器接入监控系统。模式控制器用于实现微网运行模式切换管理。光伏系统和电网在异常或故障时，为保证设备和人身安全，设置相应的并网保护功能，包括过/欠电压、过/欠频率、防孤岛效应、恢复并网、短路保护、逆向功率保护等。
4 结束语
零能耗建筑的光伏发电系统设计，需要着重考虑以下几点:
1) 建筑自身及周边场地情况;
2) 建筑外形、功能和负荷要求;
3) 光伏组件选型;
4) 光伏组件安装方式及与建筑一体化设计;
5) 光伏发电系统发电量估算。
本工程结合实际情况采用 BIPV 和BAPV 两种太阳能光伏技术应用方式，实现了光伏组件与建筑结合一体化设计施工，同时应用储能技术和微网技术，实现建筑零能耗的目标。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201510/08/183052.html
