某工业园区建筑一体化光伏系统电气设计

杨路，黄伟东，刘悦

(中国联合工程有限公司，杭州 310052)

1 引言

建筑一体化光伏系统 （Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是指在建筑上安装光伏系统，并通过专门设计，实现光伏系统与建筑的良好结合[1]。为完成我国2030年达到碳排放高峰、2060年达到碳中和的目标，必须强化太阳能等清洁可再生能源在建筑中的推广应用力度。为此，GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》第5.2.1条规定新建建筑应安装太阳能系统[2]。该规范为强制性工程建设标准，全部条文必须严格执行。规范中所讲的“太阳能系统”，包括太阳能热利用系统、太阳能光伏发电系统和太阳能光伏光热（PV/T）系统3类。对于电气专业而言，涉及的即太阳能光伏发电系统，本文也仅讨论光伏发电系统。

笔者从事工业建筑电气设计多年，结合某工业园区建筑一体化光伏系统（BIPV）电气设计实例，对电池选型、系统组成、监测系统等全流程进行了详细介绍，给出了具体的参数计算和发电量估算结论，可供相关工程技术人员参考。

2 项目概况及系统概况

图1为某工业园区二期的鸟瞰图。项目二期包含5幢单体建筑，分别为试验检测中心（办公楼）、综合服务楼（食堂+宿舍）以及1#、2#、3#生产楼。其中，试验检测中心地下室和3#楼一层分别设置变电所。本文仅以3#楼屋面光伏一体化系统为例进行电气设计。

图1 某工业园二期鸟瞰效果图

常见的建筑光伏发电系统分类方式如表1所示。

表1 建筑光伏发电系统分类

本工程3#楼占地面积为1 983 m2，建筑面积9 531 m2，建筑高度21.6 m。大楼自一期高压室引入一路10 kV电源供电，变电所位于一层，设1台1 250 kV·A的10/0.4 kV变压器。本工程为中型系统，自发自用，余量上网。3#楼单体屋面约1 660 m2，但除去必要的设备用房等，结合场地条件及组件布置要求，设计安装标准光伏组件240块。为方便设计施工及减少投资，本工程不采用微逆变器，只采用一种并网逆变器。将240块光伏组件分为3组，通过汇流箱接入3台并网逆变器。

3 系统各部分组成

光伏电池是光伏发电系统最基础也是投资最大的器件，大致可分为晶体硅和薄膜电池两大类，这两大类的特性比较见表2[3]。

表2 晶体硅电池和薄膜电池特性比较

经过成本比较及各方面利弊权衡，本工程采用多晶硅光伏组件，其主要的技术参数如表3所示。

表3 本工程多晶硅组件主要参数

3#楼及园区其他单体屋面均为混凝土屋面，组件采用支架固定安装在屋面，正面朝南，倾斜角经计算取22°。同样的，逆变器和汇流箱也采用支架设置在屋面，交流配电箱则设置在屋面预留的专用配电间（电井）内。

如前文所述，240块组件分成3组，每组80块，20块串联，4组并联。系统组成从直流发电端到交流输出端依次包括光伏组件、组串电缆、过流保护器、汇流检测装置、逆变器、交流配电柜、并网柜等。系统中的部分典型器件选择如表4所示。

表4 B I P V系统主要器件选型参数

因本项目的光伏组件最佳工作电流为8.2 A，最佳工作电压为29.88 V，光伏方阵为20串04并，故输出电流峰值为8.2×4=32.8 A，输出电压峰值为29.88×20=597.6 V，输出峰值功率为19 600 Wp，故逆变器选择额定输出功率20 kW。将3路逆变器输出通过ZC-YJV-0.6/1 kV-（5×10）电缆依次接到交流配电柜、并网柜、配电室即可。由于本单体为工业厂房，且对温度、湿度有一定要求，故3路60 kWp的发电能力基本为自发自用，只有当节假日或检修时才会出现余量上网的情形。但为确保安全，本工程仍然按“自发自用、余量上网”的运营模式设计，在并网点设置并网电能表。

4 节能效果估算和监测系统

经过估算，理论上本单体3#楼的光伏系统年均发电量约6.34万kW·h，本工程的工业园区合计有5幢单体建筑，屋面面积基本相同，理论上合计年发电量约30万kW·h。即使按照工业用电1元/（kW·h）的均价估算（不同地区电价不同，峰谷电价也不同，此处仅为估算方便），每年也可为公司节约电费约30万元。

GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》第8.7.7条规定，大、中型光伏发电站应采用计算机监控系统[4]。JGJ/T 365—2015《太阳能光伏玻璃幕墙电气设计规范》第6.1.1条也规定，大型光伏幕墙系统宜设置监测系统[5]。据此，本工程设置光伏发电监测系统。该系统的数据采集系统主要包括3部分：数据采集器、环境监测设备和光伏系统电参数监测设备等。每个部分的组成及光伏发电监测系统示意图分别如表5和图2所示。

图2 光伏发电监测系统示意图

表5 光伏发电检测系统组成

5 结语

本文结合某工业园区工程实例，以其中一幢厂房为例，详细介绍了该厂房的建筑一体化光伏系统（BIPV）设计，并估算了该单体以及园区的年发电量，可为相关工程技术人员提供借鉴与参考。笔者相信，随着光伏发电系统在建筑领域越来越广泛的应用，一定会创造更多的绿色清洁能源，有效助力我国“2030碳达峰，2060碳中和”目标的如期实现！