小型离网式光伏发电技术在民用建筑中的应用
2014-07-25郑新阳
郑新阳
(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院， 河南郑州 450000)
小型离网式光伏发电技术在民用建筑中的应用
郑新阳
(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院， 河南郑州 450000)
简要介绍了太阳能光伏发电的构成、分类、适用范围。结合工程实例，分析了小型离网式光伏发电技术在民用建筑中应用的方式、方法，阐述了光伏发电技术结合LED灯应用于公共照明系统的优势及光伏发电技术存在的问题。
太阳能光伏发电技术 应用 优势 问题
1 太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏系统(solar photovoltaic(PV) system)系指利用太阳能电池的光伏效应，将太阳辐射能直接转换为电能的发电系统，简称光伏系统。
太阳能光伏发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、 蓄电池(组)组成。如输出电源为220 V或110 V，还需配置逆变器。
2 光伏发电系统的分类
按照是否接入公共电网可分为并网式光伏系统和离网式光伏系统。
按负荷形式可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统。
按系统装机容量的大小分为微型系统(2 kW以下)、小型系统(2～20 kW)、中型系统(20～100 kW)、大型系统(100 kW以上)。
3 各类光伏发电系统的适用范围
中型和大型离网式光伏发电系统一般适用于偏远无电网地区。
小型或微型离网式光伏发电系统往往适用于一个或若干个单元的楼梯间照明或道路灯。
对于并网式光伏发电系统，由于政策、管理和技术等原因，对于该系统的应用尚处于理论探讨和初步试验阶段。
4 小型离网式光伏公用照明系统设计实例
4.1 工程简介
本工程为铁道京沙家园2号楼，一类高层住宅建筑(地上28层、地下1层)，总建筑面积23 469.03 m2，共2个单元。
4.2 方案选择
(1)方案选择的依据
2008年郑州市建设委员会下发了郑建办[2008]101号文《关于在全市民用建筑工程中推广应用太阳能的通知》，其中规定：总建筑面积在10 000 m2以上的新建住宅组团、住宅小区和居住区的公共照明部分，如楼梯间、次级道路、草坪灯，必须采用太阳能光伏发电技术和LED产品。对于擅自取消太阳能应用系统的项目，不予办理竣工备案手续。
依据郑建办[2008]101号文要求，并结合工程实际状况，设计拟在楼梯间及公共走道照明部分采用太阳能光伏发电技术和LED产品。
(2)照明灯具的选择
目前LED灯有AC220V和DC24V两类。若采用AC220V灯具，则需配置逆变器，势必增加工程投资。另外，直流灯具由于电压波动小、无谐波干扰等优势，其使用寿命远远大于交流灯具。
因此，本次工程选用DC24V、LED灯具。
(3)负荷计算
本建筑楼梯间采用剪刀梯，每层楼梯间需设置2套照明灯具；每层公共走道长度为16 m，按照设置4套照明灯具考虑。
所以，一个单元需设照明灯具6套×29=174套。
由于电力、通信、水暖竖井亦属于公共照明范围，所以，还需考虑照明灯具3套×29=87套。
所以，一个单元共需设照明灯具174套+87套=261套。
具体负荷统计结果见表1。
表1 负荷统计
由表1可以看出：一个单元公共照明部分的负荷为1.305 kW。全楼公共照明部分的负荷小于1.305 kW×2=2.61 kW。
(4)光伏发电系统的选择
基于上述负荷计算结果，本次工程拟采用小型光伏发电系统(2～20 kW)。
鉴于本次公共照明部分负荷容量较小，并考虑投资原因，新设光伏发电系统不考虑接入公共电网，即采用离网式。
楼内公共照明部分负荷容量为2.61 kW，考虑室外公共照明因素，光伏发电系统容量按照4 kW进行设置。
因此，本次工程采用小型离网式光伏发电系统(4 kW)。
4.3 设计方案
(1)系统设置
本楼采用一套小型离网式光伏发电系统(4 kW)对公共照明进行供电，太阳能光伏板置于屋顶。
本方案采用一套光伏发电控制柜对本楼公共照明进行控制，控制柜设于电梯机房层楼梯间内(也可设于电管井)，明挂于墙上，尺寸为900 mm×600 mm×300 mm。
每个楼梯间的灯具容量约为1.3 kW，相对应的太阳能光伏板的面积约为7 m2，灯具均采用直流LED灯。高层住宅步梯使用的概率不是很高，故楼梯间灯具的使用时间设为1 h/d，蓄电池的容量也按此设计。
(2)配电系统的设置
光伏发电控制柜共输出四路直流电源，分别为两个单元的公共照明供电。
每个单元设置双电源切换配电箱1台，对公共照明进行分回路供电，线路沿墙垂直敷设。双电源切换配电箱电源一路来自太阳能光伏板，一路来自公共照明双切箱的一个专用回路。光伏发电为主，市电旁路为辅。平时利用光伏发电为蓄电池充电，供楼梯间照明；当阴雨天检测到蓄电池电压过低时会自动转换到市电旁路为蓄电池充电，供公共照明。
5 优势分析
太阳能光伏发电过程中没有机械转动部件也不消耗燃料，并且不排放包括温室气体在内的任何物质，具有无噪声、无污染的特点；再加上太阳能资源没有地域限制，分布广泛且取之不尽，用之不竭。因此，与其他新型发电技术(风力发电与生物质能发电)相比，太阳能光伏发电具有更大的优势和潜力。
上述设计方案采用光伏发电技术，结合LED灯具实现公共楼梯及过道照明，形成一个独立的供电系统。光伏发电输出直流电源直接应用，损耗低、投资小、实用性强。
发电与供电电压均为安全电压(直流DC24V)，避免发电与负载端因误操作而带来的安全隐患。
6 与传统公共照明系统的性价比分析
6.1 负载能耗对比
以铁道京沙家园2号楼为例，对各种灯具以日使用量为1 h计算案例，对各种灯具的年耗电量、年电费做对比(如表2)。
表2 负荷能耗对比
由表2可以看出，LED灯的年能耗分别占到其他类型灯具年能耗的15.6%、20%、8.3%。
6.2 使用寿命和维护成本对比
白炽灯使用寿命一般为1 000 h，节能灯、环形管吸顶灯使用寿命一般为3 000 h，而LED灯使用寿命一般为50 000 h。
由此可以看出，LED灯的长期维护成本几乎为零。
6.3 初期投资对比
白炽灯：261×15元=3 915元
节能灯：261×26元=6 786元
环形管吸顶灯：261×75元=19 575元
LED灯：261×98元=25 578元
对比传统灯具中的白炽灯和节能灯来讲，初次投资会高些。
6.4 综合评价
用电量省，灯具寿命长等优势，使LED灯具远远超过传统灯具，属于一次投资长期利益，从节能、低碳、环保等方面远远超过传统灯具(如果是多个单元，则优势更为明显)。
7 存在的问题及相关思考
7.1 存在的问题
太阳能光伏发电系统部件，包括控制器、逆变器、光伏专用蓄电池等的国家标准待批准完善，缺少自动向日跟踪系统的标准。
太阳能电池板的光电转换率低，不能满足人们的用电需求，阻碍了太阳能光伏发电技术在民用建筑领域的推广。
太阳能电池板生产成本高，阻碍了太阳能光伏发电技术在民用建筑领域的推广。
太阳能光伏发电系统处于初期发展阶段，价格偏高，只适合局部小范围适用。
7.2 建议
加紧制定国家标准，使整个行业有技术标准可依，规范市场，保证质量。如果没有标准或标准出台不及时都会直接影响产品或工程质量，也不利于市场的有序发展。
靠近和采用IEC标准有利于产品和系统的国际化，有利于出口。
充分利用日照曲线特性，合理使用太阳能；合理布局供电系统，最大化利用太阳能。
采用新工艺、新材料降低太阳能电池板生产成本，增加其使用寿命，提高其工作效能。
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[2] 纪雯.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版杜,1998
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[4] 方荣生，等.太阳能应用技术[M].北京:中国农业机械出版社，1985
SmallOff-GridPhotovoltaicTechnologyApplicationinCivilArchitecture
ZHENG Xinyang
2013-11-20
郑新阳(1966—)，男，1987年毕业于河南广播电视大学铁道电气专业，工程师，E-mail：QTIZZXY@126.COM。
1672-7479(2014)01-0107-03
TU18
： B
