重庆地区建筑一体化太阳能发电系统经济性浅析

李卫平，王维俊

（解放军后勤工程学院重庆401311）

重庆地区建筑一体化太阳能发电系统经济性浅析

李卫平，王维俊

（解放军后勤工程学院重庆401311）

太阳能作为迄今人类所认识的最清洁的可再生能源，与建筑一体化将在建筑节能中起到十分重要的作用。重庆位于四川盆地，由于日照较少，全年太阳总辐射也少，因此，在重庆地区利用太阳能发电的经济性有待研究。本文介绍了太阳能光伏屋顶系统，分析了重庆地区太阳辐射情况，并利用Hybrid2仿真软件对重庆地区光伏发电系统的经济性进行了研究。

太阳能；独立发电系统；Hybrid2；经济性

1 太阳能发电及光伏屋顶系统简介

1.1 太阳能发电系统的基本结构

太阳能发电系统可分为两大类，一是独立系统，二是系统联系系统（或称与交流电网联系系统）。独立系统是太阳能发电系统的最基本形式，又称为太阳能发电的原型系统。这种系统多用于远离市区（无人操控）的海上灯塔、浮标、山顶的无线中继电台等，作为供电电源。系统结构如图1所示。由太阳能电池阵列输出的直流功率直接供给负荷。如果负荷是交流的，则还须将直流电通过逆变器逆变为交流电。此外，输出的直流能量还同时供蓄电池充电，该蓄电池在夜间和阴雨天可通过放电向负荷提供电力。由于负荷的电压经常会波动，故还应设置控制器以调节电压，控制器一般与逆变器一起，成为专用的太阳能发电型逆变器。与电网联系系统的特点是当太阳能电池阵列发出的电功率超过负荷需要时，可以通过自动控制向电网送电，即“逆潮流”运行。该系统的优点是：当阴雨天或夜间太阳能发电量不足时，可以直接通过电网供电；另一优点是可以取消蓄电池，使成本降低。

1.2 建材一体型太阳能电池及光伏屋顶系统

建材一体型太阳能电池简称为BIPV（building integrated photo voltaic），其优点是在建筑设计之初已将太阳能电池的本体、台架等考虑到建筑设计和费用中。光伏发电与建筑相结合，构成光伏屋顶发电系统，近年来在国外发展甚快，前景诱人，市场广阔。其特点是：与电网并联，可以完全省掉或大部分省掉蓄电池；通过巧妙的设计，可以降低建筑造价，从而也就降低了光伏发电系统的造价；适合于因地、因户制宜的分散用电；并可对电网起一定的调节作用等。

2 重庆市气象条件分析

重庆位于四川盆地，冬半年，当地的盆地地形使其易受逆温的影响，多大雾天气，强烈削弱太阳辐射；夏季，又因其属于亚热带季风气候，处于多雨期，同时因其纬度较低，雨季较长，对太阳辐射削弱也较多。由于日照较少，全年太阳总辐射也少，且分布总体上东多西少，但8月份市区的总辐射量却略多于东部的万州。重庆市太阳辐射中，直接辐射约占总辐射的38%，散射辐射约占62%。

由于重庆地区的太阳能资源相对比较匮乏，且夏季温度较高，因此对太阳能电池工作不利。利用hybrid软件绘制的重庆地区太阳辐射分布如图2所示。

图1 独立系统结构

图2 重庆地区年度太阳辐射量

在系统总体设计时，除考虑当地气象地理条件外，还需要综合考虑负载情况、太阳能电池性能、蓄电池容量等。如图2所示，计算出重庆地区峰值日照时数为2.6 h/d，若最长阴雨天按照4天计，负载按照2.64 kWh/d，则蓄电池的充电功率应达到3.2 kW/h，考虑到逆变器效率以及蓄电池充电效率，最终选择蓄电池的容量取为1400Ah。相关计算如下：

其中：Tav为平均每日峰值日照时数（小时/日）；S为太阳电池方阵面上的总辐射（千卡/cm2）；Ic为太阳电池的总充电电流(A)；Jd为每日负载耗电量(Ah)；ηb为蓄电池的充电效率；ηi为逆变器效率；Qb为所需蓄电池容量（Ah）；Dr为连续阴雨天数；k为蓄电池放电深度。

3 太阳能发电系统经济性影响因素

3.1 太阳能电池阵列

太阳能电池阵列是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。该系统采用4串联×32并联的连接方式，该光伏阵列的工作参数为：峰值功率6.7 kW，最大工作电压68.0V，最大工作电流98.5A，组件开路电压为20.7V，短路电流3.2A。电池阵列总价格约为25万元。

3.2 控制器、逆变器

控制器：控制器的作用是控制整个系统的工作状态，担负着MPPT（maximum power point tracking，最大功率点跟踪控制）、蓄电池充放电控制等任务。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。

逆变器：在很多场合，都需要提供220V、110V的交流电源。由于本系统太阳能阵列直接输出为48VDC，为能向220VAC的用电设备提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电，因此需要使用DC-AC逆变器。

3.3 蓄电池组

一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。该系统采用8串联×4并联铅酸电池组，额定电压48V，额定容量1400Ah，电池单体价格约1500元。电池寿命约5～10年（平均一天充放电一次）。

3.4 其他因素

包括施工安装费用，调试费，系统的维护费用等。

4 仿真试验分析

4.1 Hybrid2软件简介

Hybrid2是由美国可再生能源实验室与马萨诸塞斯大学合作开发的一款用于预测、评估混合发电系统长期性能的工具软件，界面友好，操作简单。该软件主要包括4个组成部分：图形用户接口（GUI）、仿真模块、经济性模块以及图形输出接口（GRI）。仿真模块部分允许用户在交流/直流母线上建立包括各种负载、风力发电机、光伏阵列、汽（柴）油发电机、电池组、变流器等的仿真模型。同时包含了上百种系统控制策略。Hybrid2采用VisualBASIC编程，数据库采用Microsoft Access Database。

4.2 仿真步骤及结果

在设置好各组件的参数及导入时间序列数据（包括逐时太阳能辐射量和逐时环境温度）后，即可利用Hybrid2软件对该太阳能独立发电系统进行仿真运算，其中仿真步长设置为60 min，总时间长度为8760h（一年）。图3和图4分别为该系统在1月和7月的每日发电量。图5为7月某两天中蓄电池组的充电能量与放电能量的对比。图6为普通家庭交流负荷日变化曲线图。

图3 1月份PV系统每日发电量

图4 7月份PV系统每日发电量

图5 蓄电池组充放电能量对比

图6 普通家庭日负荷变化曲线

可以看出，7月每日最大发电功率绝大部分可超过3kW，明显高于1月每日最大发电功率，这与重庆地区的气候条件是相吻合的。从图5中可以看出，选取的两天中，蓄电池放电曲线100%满足了负荷需求，未出现供电不足现象，进一步验证出系统配置较为合理。

当太阳能电池阵列和蓄电池组采用前述配置时，系统负荷满足率可以达到90.1%。提高该指标主要有两种途径：一种是增加太阳能电池模块的并联数量，另一种是增加蓄电池的并联数量。表1、表2分别列出了这两种方法在经济性能上的比较。

表1

表2

5 结语

建筑一体化太阳能发电系统的经济性能在很大程度上受太阳能电池阵列和蓄电池组的制约，而控制器、逆变器等对其影响并不大。由于重庆地区太阳辐射能量的匮乏，连续阴雨天较长，即使是为日耗电量为2.6kWh左右的普通家庭供电，也需配置较大容量的蓄电池组及峰值功率较高的太阳能电池阵列，经济代价很大。其中两种提高负荷满足率的途径，增加蓄电池组的并联数量更加经济。光伏系统与建筑相结合，可省掉相当一部分蓄电池的费用，降低建筑造价。

由于太阳能发电系统的建设不受地域限制，针对难于提供市电的地区，建筑一体化太阳能发电系统仍不失为一种较好的选择。

若考虑到环保及化石资源日渐枯竭等方面因素，太阳能发电系统更加显示出其优良性能和广阔前景。

[1]张晴原.中国建筑用标准气象数据库[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3]E.Ian Baring-Gould.The Hybrid System Simulation Model Users Manual.National Renewable Energy Laboratory(M)，1998.

[4]王世珍.重庆太阳辐射浅析[J].重庆环境科学，1992，14（3）：45-48.

责任编辑：余咏梅

建筑知识

砂浆基本性能检测执行新标准

从2009年6月1日起，《建筑砂浆基本性能试验方法标准》开始实施，同时原标准JGJ70-1990废止。

新标准同原标准相比，增加了术语、符号，试验记录，保水性试验，拉伸粘结强度试验，含气量试验，吸水率试验，抗渗性能试验等要求和内容。具体修改的主要内容如下。

1．新标准增大了适用范围，由原标准的适用于现场拌制砂浆改为适用于建筑砂浆，包括现场拌制砂浆和预拌砂浆。

2．目前新型砂浆中的添加物和胶凝材料种类很多，新标准适用于以水泥基胶凝材料、细骨料、掺合料为主要材料的，用于工业与民用建筑物和构筑物的砌筑、抹灰、地面工程及其他用途的建筑砂浆的基本性能试验。

3．为了保证试验用料的代表性及足够的样品数量，取样数量由原来试验用料的1．2倍增加为不少于试验所需量的4倍。

4．对主要材料砂取消了以0．9 mm筛过筛，为保证砂浆的使用性能，其粒径上限由5 mm减小为4．75 mm。

5．对搅拌材料用量的规定由原标准不宜少于搅拌机容量的20%，改为宜控制在搅拌机容量的30%～70%，搅拌时间不少于120 s，掺外加剂和掺合料的砂浆，其搅拌时间不应少于180s。

6.规定当两次稠度试验值偏差大于10mm时，应重新取样测定。

7．原标准规定当两次分层度测定值相差大于20mm的要求太低，现提高为差值大于10 mm，应重新取样测定。

8．立方体抗压强度试验：将原来的砖底模由钢底模及塑料底模代替，试件个数由原来的6个变为3个，压力机试验精度由2%提高到1%，强度计算公式由fm，cu=Nu/A，改为fm，cu=K·Nu/k，K为换算系数，取1.35。

立方体抗压强度试验的试验结果应按下列要求确定。

（1）应以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的砂浆立方体抗压强度平均值，精确至0．1 MPa。

(2)当3个测值的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，应把最大值及最小值一并舍去，取中间值作为该组试件的抗压强度值。

(3)当两个测值与中间值的差值均超过中间值的15%时，该组试验结果为无效。

（摘自：《建筑工人》）

Economic Analysis of Building-integrated Photovoltaic Generating System in Chongqing

As the cleanest renewable energy source,solar energy will be integrated with the building and act as a very important role in the energy saving.Locates in the Sichuan basin,sunlight is poor in Chongqing,and has small quantity of the total radiation.The economy of photovoltaic generation in Chongqing deserves to be investigated.This paper introduces the BIPV system,analyzes the solar radiation of Chongqing,and uses the Hybrid2 to investigate the economy of photovoltaic generating system in Chongqing.

solar energy;isolated generating system,Hybrid2;economy

TU111.1

A

1671-9107（2010）03-0005-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.3.005

2009-12-27

作者介简介：李卫平（1981-），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为移动电源及多能源发电。