首都博物馆新馆300kW太阳能光伏系统工程设计

首都博物馆新馆300kW太阳能光伏系统工程设计

摘要： 本文分析了首都博物馆300kW太阳能光伏系统工程设计中的安装和并网的技术要点，最终达到了建筑与太阳能光伏系统的系统集成。

关键词： 建筑、并网、太阳能光伏发电系统

1992年6月5日联合国在斯德哥尔摩召开了第一次人类环境会议，6月13日发表了著名的《人类环境宣言》，提出了“人类只有一个地球”。如何改善生存环境、降低能源消耗、提高居住质量成为建筑设计所面临的首要任务。

1 、太阳能利用是建筑节能的必然趋势

目前，全球建筑物自身能耗约占世界总能耗的三分之一左右。因此，建筑应该是主要的节能领域。

节能，就是探讨如何最大限度地减少能量浪费。从使用能源的目的和方式进行划分，节能可以分成直接节能，广义节能和潜在节能三种类型。

直接节能，指的是减少不合理的需求来节约能耗。例如，白天关路灯，风管少漏风，下雨不浇花。一句话，直接节能就是根本不应该消耗的能源坚决不消耗。

广义节能，则是指在满足需要的前提下提高能源的利用率，从而减少应该耗费的那部分能源的消耗。例如，空气热回收设备的利用，保温墙体材料的应用，光照度的合理调控，生活用水的“二次利用”等。

潜在节能，是把能够利用的能源尽可能地利用起来。例如，美国有些建筑利用公共走廊地毯下安装的踏板，将人体走路时的重力作用带动发电机的中心轴，解决走廊等的照明。在可以预期的将来，潜在节能将有极大的发展。

然而，在建筑节能中存在着一种表面化现象。即简单地以能耗费用作为节能标志。只看建筑运行的一次能耗形式，不考虑这种能耗形式在制造、以及转换过程的总能耗。譬如，冰蓄冷技术。不仅在它的设备制造中材料提炼、加工需要能耗，在其运行中由电到冰、由冰到冷的能量转换过程中都存在着能耗。因而，表面的舒缓高峰电力和电费开支的多少，并不意味着资源消耗的节省。

我们追求的是对全人类而言的总能源的节约。因此，新型能源形式的引进是引发绿色能源革命和绿色建筑革命的交汇点，是节能的主流。其中将太阳能光伏发电系统应用于建筑就是未来的发展方向，就像石油形成今天的人类机会一样。

太阳能光伏发电系统可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城

市尤为重要。太阳能光伏发电系统可原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗。由于太阳能发电板阵列一般安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能，因此太阳能光伏发电系统同时降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑的空调负荷，降低了空调的能耗。

太阳能光伏发电系统的各种彩色光伏组件，可以取代和节约昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；太阳能光伏发电系统正是在白天用电高峰期供电，从而舒缓高峰电力需求，这对于高峰电力紧张地区及无电少电地区更为重要。配备蓄电池后，太阳能光伏发电系统除了确保自身用电外，还能够满足安全用电设施的不断电要求。

我国政府十分重视太阳能的综合开发与利用。先后将太阳能列入新能源和可再生能源技术发展的研究开发与利用战略重点。早在1999年国家有关部门就将开发高效率、低成本的太阳能集热、光伏技术列为优先发展的高技术产业化重点领域。根据国家1996－2020年太阳能光电发展计划，我国2020年的太阳能光电总容量将达到300Mw。

我国从80年代开始实验被动太阳能的热利用。然而，被动太阳能利用只是简单地直接转换为生活用水的加温，停留在低水平应用层。它与智能化系统也没有发生什么关系。而太阳能发电技术这个典型的主动型潜在节能，将会对智能化系统提出更高、更深的技术要求，要求智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内电力的调配和平衡。

2 、首都博物馆新馆的建筑条件

北京市位于北纬36度56分，东经116度20分地区。全年日照2,662小时，平均标准日照时间为4-5小时。理论上每平方米日照面积可达1,000W能量，属太阳能资源丰富地区。

首博新馆作为北京的标志性建筑物，是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合北京2008年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，首都博物馆新馆建设工程业主委员会在市领导和有关部门的支持下，决定在首博新馆建筑屋顶安装太阳能光伏发电装置，使首博新馆建设成集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体而形象地表现太阳能资源利用，起到“可持续发展”的教育示范作用。

首博新馆屋顶设计为平顶挑檐结构，有利于太阳能发电板的布置与安装。根据屋顶平面部分设计，安装太阳能发电板的面积5,000 平方米强、峰值发电量达300kW。在中国已经建造的太阳能光伏发电工程中，单体建筑发电量居第一，达到了国际先进水平。

3 、太阳能光伏系统的工程风险

建筑是建筑技术与艺术的结晶，在建筑中应用高新技术必须服从建筑的整体设计理念。首博新馆不是为建设太阳能系统盖一个建筑，而原来首都博物馆新馆建设任务书中并没有提出安装太阳能系统的要求。目前的建筑设计和结构设计也没有考虑屋面上再架设太阳能电池板的结构与荷载、根本没有设计安装太阳能电池板的支架接点。从建筑外观、造型的角度，我们也不希望在屋面上再加出一层太阳能屋面。因此，太阳能光伏发电系统的结构形式必须服从首博新馆建筑的整体设计理念、符合首博新馆屋顶结构设计等各种条件要求。而且太阳能光伏发电系统的安装不能破坏首博新馆建筑造型，不能破坏装饰性屋面轻盈、通透的艺术风格。

太阳能电池板与屋面结合的抗风负荷问题是最大的工程风险。如何解决太阳能光伏发电板在屋面安装时对屋面负荷、造型的影响等问题，一直是建设首博太阳能光伏发电系统的核心问题。工程要保证能够成功地满足功能要求，不能够出事故。尤其不能够出重大事故。一旦刮下一片太阳能玻璃板就会酿成大祸，甚至出人命！

太阳能工程必须保证建筑物的安全，太阳能系统不仅仅要保证自身系统的安全可靠，同时要确保建筑的安全可靠。必须考虑安装条件和安装方式、安装强度。包括太阳能光伏电池板在屋面安装时对屋面负荷的影响问题，包括太阳能电池板自身载荷和抗风能力、抗冰雹冲击等工程应用问题。

以往的太阳能组件安装需要采用平架或者斜撑架安装方式，这种安装方式不仅会破坏建筑物的完整性和建筑外观造型，而且对屋面防水存在不利影响。特别是需要承受屋面空气层流所产生的很大的风力。

根据气象资料，中国海平面的基本风速，按照30年一遇的10分钟平均风速统计值可以得到若干城市的风压系数，

主要城市 北京 上海 天津 济南 杭州 广州

风压kg/m235 50 35 40 60 50

表1、我国主要城市风压表

不同高度的风压值与海平面风压之间又有一个风压高度系数 K H，

离海平面高度m 10 20 30 40 50

陆上风压系数K H 1 1.25 1.41 1.54 1.63

表2、陆上风压系数表

当然，建筑屋面不同的建筑形态和结构所产生的空气层流作用是各部相同的。为了检测首都博物馆新馆屋面的空气动力学特性，特地委托北京大学进行了专门的风洞试验，按照风洞试验的数据推算，首都博物馆新馆“屋面的空气层流会产生上下表面压力代数和-2.2以上。”