牡丹江光伏幕墙电站设计与实施

徐燎原

摘 要：牡丹江大学海林校区主教学楼88.32kW光伏幕墙并网发电示范项目，为光伏幕墙发电系统。在教学楼东、南面安装非晶硅光伏幕墙，该幕墙是BAPV与BIPV的典型示范项目，幕墙总面积约1300㎡。设计峰值功率88.32kWp。所发的交流电与教学楼内部电网连接，光伏列阵发出的电供大楼内部优先使用，并安装防逆流柜，当电能不足供应主教学楼用电负载时，由局域低压电网补充。

关键词：光伏幕墙；BIPV；BAPV；汇流箱；逆变器

中图分类号：TM772 文献标识码：A

一、系统概述

牡丹江大学海林校区主教学楼88.32kW光伏幕墙并网发电示范项目，地址位于牡丹江大学海林校区（分校区），北纬44°02′～45°38′；东经128°03′～129°57′，为光伏幕墙发电系统。

光伏幕墙装机容量为88.32kWp，所发的电能主要供教学楼的办公用电（照明和空调用电），如当电能不足供应主教学楼用电负载时，由局域低压电网补充。

本项目属于建材型应用，所采用的光伏组件为非晶硅薄膜电池，并按照光电建筑通知要求，建立了数据监测与远传系统。

二、牡丹江地区平均气象资料

牡丹江位于黑龙江东南部，属于中温带湿润季风气候，春季短，回暖快，风大易旱；夏季温热多雨；秋季短，降温快；冬季漫长寒冷。年平均气温4.3℃，1月最冷，平均气温-17℃，极端最低气温可达-35℃；7月最热，平均气温22℃，曾出现过38℃的极端最高气温。年均降雨540mm左右，年日照平均2305小时，属于太阳能丰富区域，适于建设太阳能发电项目。水平面的年均太阳辐照时数为3.85小时。本项目中非晶硅光伏幕墙采用90°竖直安装，根据专业光伏软件RETScreen可以测算竖直斜面上的太阳辐照。

三、技术要点

主楼建筑主要结构形式：框架剪力墙；体形系数：0.138；窗墙比：南、北、东均为0.37，西为0.29；保温（屋顶、外墙）构造均为聚苯板保温；围护结构性能参数（选用做法传热系数）：屋顶0.401，外墙0.588，窗2.7。

本项目电池组件为硅基薄膜电池以硅烷等气体和TCO玻璃为主要原料，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统沉积镀膜，利用物理气相沉积（PVD）系统溅射复合背电极，进而形成太阳能电池板。

该建筑物的最大亮点是，在南侧立面采用了最环保、国家大力提倡的光伏幕墙替代了传统的中空玻璃。光伏幕墙它是一种集发电、遮阳、隔热、装饰、维护功能于一体的新型建筑结构。把光电技术集成到建筑立面材料中，不占有建筑面积，且太阳能电池板优美的外观，具有特殊的装饰效果，更赋予了建筑物鲜明的现代科技色彩。

四、太阳电池阵列设计

系统分四个区域。

区域A（教学楼南立面西侧和连廊顶部西侧）：由125块非晶硅薄膜BAPV组件（120W），设计功率达到15kW。

区域C（教学楼南立面东侧和连廊顶部东侧）：由315块非晶硅薄膜BAPV组件（120W），设计功率达到37.8kW。

根据50kW逆变器参数，直流输入电压范围（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率点电压设在DC440V～DC800V。

组件方阵配置方案：每个硅基薄膜电池的开路电压为169V，短路电流1.22A，工作电压（Vmppt）为128V，工作电流（Imppt）0.93A。每一串的最大功率点电压不超过800V。考虑到牡丹江地区历史最低气温曾达到零下40℃，169*（1+（25+40）×0.3%）=201.96V，850÷201.96=4.21，取4串。4块组件串联，每一串的功率120Wp×4=480Wp，每一串的工作电压为128×4=512V，在最大功率点电压工作范围内，符合设计要求。

（15kW+37.8kW）/128V/4=103.125A，103.125A/0.93A=110.9并，取111并，每四串为一组汇流引下为汇流箱一路输入，因此用16路输入的汇流箱2个，方阵总功率为（125+315）×120Wp= 52.8kWp。

区域B（教学楼连廊南立面）：由230块非晶硅BIPV组件（90W），设计功率达到20.7kW。

根据20kW逆变器参数，直流输入电压范围（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率点电压设在DC440V～DC800V。

组件方阵配置方案：每个硅基薄膜电池的开路电压为135V，短路电流1.24A，工作电压（Vmppt）为99V，工作电流（Imppt）0.91A。每一串的最大功率点电压不超过800V。考虑到牡丹江地区历史最低气温曾达到零下40℃，135*（1+（25+40）×0.3%）=161.33V，850÷161.33=5.26，取5串。5块组件串联，每一串的功率90Wp×5=450Wp，每一串的工作电压为99×5=495V，在最大功率点电压工作范围内，符合设计要求。

20.7kW/99.0V/5=41.8A，41.8A/0.91A=45.9并，取46并，每四并汇流引下为汇流箱一路输入，因此用16路输入的汇流箱1个，方阵总功率为230×90Wp=20.7kWp。

区域D（教学楼东立面）：由138块非晶硅薄膜BAPV组件（120W），设计功率达到16.56kW。

根据20kW逆变器参数，直流输入电压范围（VOC）在DC340V～DC850V，最大功率点电压设在DC440V～DC800V。

组件方阵配置方案：每个硅基薄膜电池的开路电压为169V，短路电流1.22A，工作电压（Vmppt）为128V，工作电流（Imppt）0.93A。每一串的最大功率点电压不超过800V。考虑到牡丹江地区历史最低气温曾达到零下40℃，169*（1+（25+40）×0.3%）=201.96V，850÷201.96=4.21，取4串。4块组件串联，每一串的功率120Wp×4=480Wp，每一串的工作电压为128×4=512V，在最大功率点电压工作范围内，符合设计要求。

16.56kW/128V/4=32.22A，32.22A/0.93A=34.6并，取35并，每四并汇流引下为汇流箱一路输入，因此用16路输入的汇流箱1个，方阵总功率为138×120Wp=16.56kWp。

区域B和区域D各用1台GSG-20KTL-TV（20kW）三相并网逆变器；区域A和区域C共用1台GSG-50KTT-TV（50kW）三相并网逆变器。并网柜将逆变器所发的交流电与教学楼内部电网连接，光伏列阵发出的电大楼内部优先使用，并安装防逆流柜。

光伏系统的总功率为88.32kWp。

五、并网系统设计

本方案为用户测并网方式，以一回0.4kV出线接入牡丹江大学用户电网侧。光伏电站主要建设于教学楼南立面，就近接入配电室AA-2配电柜的主进线为并网接入点，该柜体使用功率为322kW，满足88.32kW光伏电站所发电能自发自用的条件；光伏电站接入用电系统中，与电网并联运行，由于并网逆变器有自动跟踪电网的性能，能够自行达到同期点并网，故不需另设同期装置；鉴于光伏电站并网后注入电网的谐波小于4%，对电网几乎无影响，因此，不需再采取措施加以限制；并网逆变器其有“防孤岛效应”的功能，当电网停电，系统输出端电压由并网电流和负载共同决定，并且输出电流和电压之间的相位由负载决定。逆变器同时采用被动监测和主动检测方式，确保在电网停电时，光伏电站自动断电；并网光伏电站在用户侧并网，电能自发自用，在0.4kV出线侧，即90kW交流配电柜内，安装智能电表。

六、发电量预测

根据实际的辐照状况，可以估算出光伏系统的逐月发电量和年发电总量理论值，如图1所示。

整个光伏幕墙发电系统功率为88.32kWp，年發电量预计为10.52万度，25年总发电量为237万度。

最终，牡丹江大学88.32kWp光伏幕墙项目经过综合验收已经正式运营。该项目已成为牡丹江大学光伏学院的实习案例，有助于提高省级重点课程的教学水平；该项目为牡丹江市地区的第一个光电建筑一体化项目，具有里程碑式的示范意义。

参考文献

[1]陆品桂.富士康科技集团光伏电站智能监控系统设计与实施研究[D].兰州大学，2015.