彩虹医院太阳能光电建筑一体化应用示范项目技术方案及经济效益分析.docx

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彩虹医院太阳能光电建筑一体化应用示范项目技术方案及经济效益分析

咸阳彩虹医院

199.28KWp光电建筑一体化项目

技术方案及经济效益分析

编制：

审核：

批准：

咸阳彩虹光伏科技有限公司

2012年6月29日

咸阳彩虹医院

199.28KWp光电建筑一体化项目技术方案及经济效益分析

一、示范工作总体目标

（一）工程概况

1、项目建设地地理位置

本项目建设地位于陕西省咸阳市彩虹集团陕西总部。

彩虹医院始建于一九八二年，占地32574平方米，建筑面积386190平方米，是一所具有医、教、研功能的综合性二级甲等医院，1997年被咸阳市唯一正式授命为咸阳市儿童医院，2003年被省物价局、质量技术监督局命名为“物价、计量信得过单位”，2005年被咸阳市授予环境保护“绿色文明医院”，2009年始已为西安医学院附属医院，同时也是咸阳市医保农合城镇居民医疗保险、市职业病鉴定定点医院。

近年来，医院注重服务质量的提高，医疗领域的拓宽，设备设施的更新以及内外环境的不断改善，并被省卫生厅、市卫生局命名为“百姓放心医院”，医院并附设咸阳市老年病治疗康复中心。

咸阳毗邻省会西安，是未来西安（咸阳）国际化大都市的重要组成部分，陇海、西包、西康铁路，京昆、连霍、包茂、福银、沪陕高速公路，以及规划建设中的西（安）湛（江）、集（宁）昆（明）、盐（城）西（宁）高铁交汇于此，距西北最大的航空枢纽西安咸阳国际机场仅5公里，交通十分便捷。

气候温和、四季分明，工程地质良好，道路、电力、通讯、供水、热力、天然气等基础设施完善，开发建设条件十分优越。

2、可利用的建筑类型及建筑面积情况

为了积极响应国家节能环保的号召，咸阳彩虹医院计划进行太阳能光电建筑一体化项目示范建设，利用住院部大楼及2座标准彩钢瓦屋面建设太阳能发电系统。

屋面面积为2726平方米，屋面为水泥+隔热防水层、标准彩钢瓦。

3、用途及预计装机峰瓦值

建设的光伏系统为安装的工业厂房及办公楼供电。

预计安装晶体硅太阳能电池组件峰瓦值为199.28KWp,首年发电量约209483千瓦时。

项目所发电量供医院自用。

（二）工作目标

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源将近76%由煤炭供给，这种过度依赖化石燃料的能源结构已经对环境、经济和社会造成较大的负面影响。

大量的煤炭开采、运输和燃烧，对我国的环境已经造成了极大的破坏。

大力开发太阳能、风能、生物质能等可再生能源利用技术是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。

陕西省是我国的电力输出大省，这也加速了煤炭资源的消耗，使陕西省将提早面临能源的挑战。

因此，必须着力调整能源结构，利用其风资源和太阳能资源的优势，大力发展可再生能源，以提升陕西省在全国的能源地位和结构。

太阳能发电技术是通过转换装置将太阳能辐射能转换成电能进行使用，并网发电系统一般离负荷中心较近，所产生的电能就地使用。

陕西省具有丰富的太阳能资源，太阳能总储量2.71×106亿kWh，排全国第11位；可获得太阳能资源9.3×1014MJ，相当于317亿吨标准煤，利用百分之一太阳能所产生的能量比陕西省年产煤量的2倍还多，开发利用前景极其广阔。

陕西省不仅有较好的太阳能资源，而且有完善的电网和较大常规能源的装机。

进行太阳能工程的建设，可以充分的利用好陕西省的资源，增加陕西省的绿电供应，改善陕西省的能源结构；保护环境、减少污染；节约有限的煤炭资源和水资源。

咸阳市作为国家发展较早的工业城市，工业经济基础雄厚，是西部乃至全国重要的制造业基地。

从“一五”时期开始，国家就在咸阳市布局了一大批制造业项目。

多年来，这些工业企业消耗了大量的传统能源，也造成了咸阳市供电紧张的局面，因此在咸阳市选择区域建设示范工程既是现实的需要也是作为对传统能源过渡消耗的一种补偿。

根据咸阳彩虹医院既有建筑进行规划和测算，利用现有的建筑屋顶，设计建设199.28KWp光伏发电系统，所发电可以在用户侧直接并网使用，为医院等大型公用建筑综合利用太阳能资源做出有益的探索，其次，光伏阵列可以吸收及遮挡太阳光线，从而降低光伏电站安装建筑的温度，减少建筑的供暖及保温能耗。

该项目的建设既符合国家制定的能源战略方针，也是开创陕西咸阳太阳能资源开发的示范建设项目，对太阳能光伏发电的开发建设推广有较好的引导作用，具有承前启后的关键性作用。

因此，本工程的建设，对合理开发和利用建筑屋顶太阳能资源，节约当地能耗，创造较好的经济效益和社会效益，优化地区资源配置具有十分重要的意义，工程的建设是非常必要的。

（三）进度安排

1、实施周期

本项目从规划到验收、执行时间为2012年7月至2012年12月。

2、进度计划

（1）建设前期工作阶段：

2012年7月——8月

①编制项目建议书；②可行性研究；③审批立项；④报建；⑤主设备采购。

（2）设计及建设准备阶段：

2012年7月至2012年8月

①初步设计；②施工图设计；③施工图设计审查；④施工图审查。

（3）建设实施阶段：

2012年9月至2012年11月

①土建施工；②设备安装。

（4）竣工验收阶段：

2012年11月至2012年12月

①系统调试；②验收。

二、主要内容

对用户侧并网的光伏发电项目、偏远无电地区光伏发电项目、大型并网光伏发电项目和享受太阳能光电建筑应用财政补助项目，分类介绍主要建设内容。

光伏系统由以下三部分组成：

太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。

光伏系统具有以下的特点：

没有转动部件，不产生噪音；

没有空气污染、不排放废水；

没有燃烧过程，不需要燃料；

维修保养简单，维护费用低；

运行可靠性、稳定性好；

作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；

根据需要很容易扩大发电规模。

光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两大类：

独立发电系统和并网发电系统。

应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。

随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。

光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.3～2W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。

其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。

尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。

其中包含了光伏系统中的几个主要部件：

①光伏组件方阵：

由太阳电池组件（也称光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件。

②蓄电池：

将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。

目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。

③控制器：

它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。

随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

④逆变器：

在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。

建筑一体化太阳能发电系统特点：

1.可原地发电、原地使用，减少电流运输过程的费用和能耗；

2.避免了放置太阳能电池组件阵列的额外占用宝贵的建筑空间，与建筑结构的结合，省去了单独为光电设备提供支撑结构；

3.使用新型建筑维护材料，节约了昂贵的外装饰材料（玻璃幕墙等），减少建筑物的整体造价，且使建筑外观更有魅力；

4.因日照处在高压电网用电高峰期，BAPV系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，舒缓了高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；

5.杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要；

6.由于光伏陈列安装在屋面和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善了室内环境。

本项目采用光伏建筑一体化中第一种建筑与光伏系统结合方式。

借鉴国际先进的太阳能产品生产、系统设计及工程施工经验，本项目安装后直接采用在建筑物水泥或彩钢瓦屋面直接加装，在建筑设计载荷内；不会对屋面有直接影响，且光伏组件重量相对较轻，小于建筑物设计承重。

本项目组件采用咸阳彩虹光伏科技有限公司SL-235W型多晶硅电池组件，规格尺寸1652×1000×50mm。

建筑的屋顶可以满足本方案的阵列布置要求。

三、具体项目情况

（一）项目业主单位信息

本项目建设地位于陕西省咸阳市彩虹集团陕西总部。

彩虹医院始建于一九八二年，占地32574平方米，建筑面积386190平方米，是一所具有医、教、研功能的综合性二级甲等医院，1997年被咸阳市唯一正式授命为咸阳市儿童医院，2003年被省物价局、质量技术监督局命名为“物价、计量信得过单位”，2005年被咸阳市授予环境保护“绿色文明医院”，2009年始已为西安医学院附属医院，同时也是咸阳市医保农合城镇居民医疗保险、市职业病鉴定定点医院。

近年来，医院注重服务质量的提高，医疗领域的拓宽，设备设施的更新以及内外环境的不断改善，并被省卫生厅、市卫生局命名为“百姓放心医院”，医院并附设咸阳市老年病治疗康复中心。

（二）项目建设地点及太阳能资源状况

太阳能资源的分布具有明显的地域性。

这种分布特点反映了太阳能资源受气候和地理条件的制约。

从全球角度来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，具有发展太阳能利用得天独厚的优越条件。

1、陕西省太阳能资源分布特点

相对全国而言，陕西省年太阳总辐射量居较高水平。

其空间分布特征是北部多于南部，南北相差大，高值区位于陕北长城沿线一带及渭北东部区域,低值区主要分布于陕南。

按照太阳年总辐射量的大小，陕西省太阳能资源可以划分为三个区，即：

太阳能资源很丰富区，包括陕北北部；太阳能资源丰富区，包括了陕北南部、关中地区、陕南商洛及安康东北部；太阳能资源较丰富区，包括陕南汉中和安康大部。

四季中，夏季总辐射量为四季之最，占全年的35％，夏季太阳总辐射有两个高值中心，一个在陕北北部，另一个在渭北东部；冬季总辐射量为四季中最少的季节，仅占全年的16％。

陕西省各地年日照时数均大于1200小时，相当于119公斤标准煤燃烧所发出的热量。

年极端气温远高于-45℃。

图3陕西省太阳能分布图

2、咸阳太阳能资源分布

咸阳市位于关中平原的中部，既在九竣诸山以南,又在渭水以北，山南叫阳，水北也叫阳，山水俱阳，故名咸阳。

咸阳是中国历史上第一个统一中国的封建王朝一秦王朝建都之地。

南北长145千米，东西最宽106千米，面积10196平方千米。

气候：

因地形特征，又分为两个具有明显差异的气候区：

南部平原地区气候温和，四季分明。

年平均气温12℃，无霜期213天；北部高原沟壑区，气候稍寒，冬春略长，年平均气温不足10℃，无霜期180天。

全境年均降水量500—600毫米，由南向北递增，50%集中在7、8、9月，常常秋雨连绵，久阴不晴。

河流：

泾河从西北入境，向东南流出注入渭河。

渭河自西向东沿南界流过，形成“人”型水系。

其大大小小的河沟，像毛细血管一样，分别注入泾渭两条动脉。

咸阳地区各月气象状况10年以上统计数据如下列表中所示（数据来自NASA）：

咸阳地区各月水平面太阳辐射表（kWh/m2/day）

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

平均值

2.84

3.34

3.85

4.80

5.29

5.27

5.11

4.57

3.69

3.06

2.71

2.61

3.93

咸阳地区各月地面以上10m高处温度表（℃）

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

平均值

-5.49

-2.15

3.20

11.0

16.6

20.4

22.1

20.7

16.2

9.80

2.98

-3.18

9.42

咸阳地区各月地面以上50m高处风速表（m/s）

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

平均值

3.09

3.25

3.57

3.67

3.37

3.18

2.93

2.82

2.87

2.83

3.05

3.08

3.14

（三）项目工程方案

本项目主体工程施工主要包括：

屋面基础处理、太阳能支架安装、太阳能电池组件设备安装、汇流箱安装、电力电缆和光缆敷设、检测设备安装、调试交验等。

屋面基础处理及支架安装工程

本项目光伏组件支架系统：

◆采用角钢作为主体部件，角钢与水泥底座用连接；角钢连接件用于槽钢与各种基材的任意角度连接。

光伏组件支架系统采用热浸渡锌材质槽钢及配件，镀锌厚度60μm以上。

C型槽钢增设了轴向加劲肋提高了槽钢的抗弯能力。

◆采用行业成熟的彩钢瓦专用支架，借助专用标准夹具，安装光伏组件。

材质为铝合金，减少彩钢瓦屋面承重。

1、太阳能电池组件安装

太阳能电池组件采用20t汽车吊装就位。

施工吊装要考虑到安全距离，确保施工安全及安装质量。

吊装就位后要即时调整加固，方阵支架安装完毕后，将太阳能电池组件通过专用夹具安装在支架上。

2、汇流箱设备安装

汇流箱直接安装在支架上或墙壁上。

敷设场内集电线路电力电缆。

敷设场内太阳能电池组件间及太阳能电池组件至控制室间通信光缆。

3、电气设备安装

逆变器和交流柜安装在医院动力配电室内。

4、特殊季节施工要求

在气温较低季节施工时应做好防寒、防冻、防火等冬季施工准备。

搅拌站、施工厂房等要供暖，保温材料、抗冻剂要备足。

冬季混凝土施工采用热搅拌和蒸汽养护。

5、劳动安全与工业卫生

保护劳动者在电力建设和运行生产中的安全和健康，改善劳动者在其工作中的劳动条件，光伏发电站设计应贯彻执行国家及部颁现行的有关劳动安全和工业卫生的法令、标准及规定，以提高劳动安全和工业卫生的设计水平。

在光伏发电站劳动安全和工业卫生设计中，要认真地贯彻“安全第一，预防为主”的方针，加强劳动保护，改善劳动条件，重视安全运行。

对于劳动安全与工业卫生防范措施和防护设施，必须与主体工程建设三同时：

同时设计、同时施工、同时投产，并要达到安全可靠，要保证劳动者在劳动过程中的安全与健康。

（四）技术方案

1、建筑维护结构体系

本项目所选的建筑为大型建筑和可上人屋面，屋顶为混凝土结构、标准彩钢瓦。

本工程拟在屋顶的表面朝阳方向平铺太阳电池组件，其建筑结构不做改变，不增加维护结构，铺设的太阳电池支架直接采用水泥墩配重在屋顶上部与安装支架紧固连接，水泥屋面采用固定支架形式。

本项目安装直接采用在水泥屋面直接加装，在建筑设计载荷内；不会对屋面有直接影响，且光伏组件重量相对较轻，小于建筑物设计承重。

对于标准彩钢瓦屋面，采用行业成熟的彩钢瓦专用支架，借助专用标准夹具，安装光伏组件。

材质为铝合金，减少彩钢瓦屋面承重。

2、光伏发电系统技术设计方案

（1）设计依据及说明

分布式并网光伏发电系统工程项目的方案设计、产品供应及工程实施主要参照下列标准：

关于实施金太阳示范工程的通知财建【2009】397号

关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知财建〔2010〕662号

IEC60364-7-712《建筑电气安装-7-712部分》

相关建筑物的荷重,建筑基准法施行另第84条（固定荷重），第85条（承载荷重），第86条（积雪荷重）以及第87条（风荷重）的规定。

IEC62093《光伏系统中的系统平衡部件-设计鉴定》

IEC60904-1《光伏器件第一部分:

光伏电流-电压特性的测量》

IEC60904-2《光伏器件第二部分:

标准太阳电池的要求》

DB37/T729-2007《光伏电站技术条件》

SJ/T11127-1997《光伏（PV）发电系统过电保护－导则》

CECS84-96《太阳光伏电源系统安装工程设计规范》

CECS85-96《太阳光伏电源系统安装工程施工及验收技术规范》

GB2297-89《太阳光伏能源系统术语》

GB50057-94《建筑防雷设计规范》

GB4064-1984《电气设备安全设计导则》

GB3859.2-1993《半导体变流器应用导则》

GB/T14007-92《陆地用太阳电池组件总规范》

GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》

GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》

GB/T18210-2000《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》

GB/T18479-2001《地面用光伏（PV）发电系统概述和导则》

GB/T19064-2003《家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》

GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》

GB/T19964-2005《光伏发电站接入电力系统技术规定》

GB/T20046-2006《光伏（PV）系统电网接口特性》

GB/T20514-2006《光伏系统功率调节器效率测量程序》

（2）光伏建筑一体化设计

光伏建筑一体化指在建筑外围护结构的表面安装光伏组件提供电力，同时作为建筑结构的功能部分，取代部分传统建筑结构如屋顶板、瓦、窗户、建筑立面、遮雨棚等，也可以做成光伏多功能建筑组件，实现更多的功能。

本项目由咸阳彩虹医院计划进行太阳能光电建筑一体化项目示范，利用住院部大楼及2座标准彩钢瓦屋面建设太阳能发电系统。

屋面面积为2726平方米。

屋面为水泥+隔热防水层、标准彩钢瓦。

3、用途及预计装机峰瓦值

建设的光伏系统为安装的工业厂房及办公楼供电。

预计安装晶体硅太阳能电池组件峰瓦值为199.28KWp,首年发电量约209483千瓦时。

项目所发电量主要供医院自用。

本工程为建筑物附加光伏发电系统。

在已有建筑物上安装太阳电池组件，不改变原有建筑物的建筑设计及结构。

（3）并网系统设计

在该并网设计方案中发电系统方案如下：

厂房/建筑

电站容量

安装形式

并网形式

组串数量

逆变器选型

汇流箱选型

组件数量

彩虹医院

150.4KW

最佳倾角安装

用户侧接入

16块1串共40串

50KW逆变器2台；100KW逆变器1台

16路汇流箱3个

640块

48.88KW

平铺

用户侧接入

16块1串共13串

16路汇流箱1个

208块

本项目发电系统由所发的电就近并入医院210KVA的配电室0.4kV主线路上。

本项目采取集中监控，配置独立的监控系统，系统配置一台环境检测仪，检测环境温度、风向、光照等环境数据。

并网运行期间数据采集器采集并网逆变器、汇流箱和环境监测的运行状态，数据采集器对外提供RS485接口，通过RS485总线与并网逆变器、汇流箱、环境监测进行通讯，将相关数据和信息通过RS485总线提供给站控层的监控系统。

通过站控层可实现对逆变器和汇流箱运行状况监控。

通过大屏幕LED显示逆变器的输出电压、电流、功率、日发电量和项目所在地光照度、环境温度、二氧化碳减排量等参数。

通过显示电站发电量和环境参数，可体现园区在新能源利用和节能减排方面的示范效应。

图4并网发电系统示意图

（4）主要产品部件及性能参数

①并网逆变器选型

逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列最大功率点运行和向电网注入正弦电流两大主要任务。

逆变器要与电网连接，必须满足电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地的三个要求。

光伏阵列对逆变器的要求

由于日照强度和环境温度都会影响光伏阵列的功率输出，因此必须通过逆变器的调节使光伏阵列输出电压趋近于最大功率点输出电压，以保证光伏阵列在最大功率点运行而获得最大能源。

并网逆变器的组成单元

①DC/DC单元。

该单元完成太阳能电池阵列的电压提升，同时对太阳能电池板进行最大功率跟踪控制（MPPT）。

②DC/AC单元。

该单元工作在电流控制模式，在PWM的控制下，使电流和电网的电压保持同步，把电能馈送到电网。

③I/O单元。

该单元把来自电流传感器的信号和主回路中的电压信号转变成DSP板可以处理的信号，并把DSP输出的开关信号和PWM信号输出的相应的继电器或功率元件。

④DSP单元。

该单元是并网发电系统的控制核心，DSP单元完成全部并网运算和控制功能，并能够通过串行总线向显示板发送系统运行信息。

⑤电源单元。

把太阳能电池的高压输入转化为多路电压电源，供DSP单元、I/O单元、传感器等使用。

太阳能发电对电站系统的安全，质量、可靠性等都有很高的要求，而逆变器作为光伏并网系统的核心，其质量和稳定性直接影响光伏发电系统的发电质量和系统稳定性。

本系统拟采用通过国际认证、型号为GSG-30KTL-TV、GSG-50KTT-TV的并网逆变器。

表2逆变器技术参数

1）50kW逆变器部分技术参数

GSG-50KTT-LV

直

流

输

入

最大直流输入功率（kWp）

55

最大方阵开路电压（Vdc）

850

推荐方阵开路电压（Vdc）

720

最大方阵输入电流（A）

125

MPPT范围（Vdc）

440～800

直流电压纹波

Vpp<10%

交

流

输

出

额定交流输出功率（kW）

50

最大交流输出功率（kW）

541

额定电网电压（Vac）

400

允许电网电压（Vac）

310-450

额定电网频率（Hz）

50

允许电网频率（Hz）

47～50.5

功率因数

≥0.99（额定功率）

电流总谐波畸变率THD（%）

<3%（额定功率）

系

统

最大效率（%）

96%

欧洲效率（%）

95%

隔离方式

变压器

夜间自耗电（W）

<10

MPPT精度

99%

过载运行

自动调整运行峰值

孤岛效应保护

Vac；Fac

电磁兼容性

IEC61000-6-1/-2/-3/-4

电网干扰

IEC61000-3-2/-3

电网检测

DINVDE0126

防护等级

IP20（室内）

使用环境温度

—20℃～55℃（>50℃降额）

存储温度

-20℃～+65℃

使用环境湿度

0~95%（不结露）

冷却方式

强制风冷

噪声

≤65dB

海拔高度

>3000m时，开始降额

显示与通讯

显示方式

触摸屏

通讯接口

RS485;RS232

机械参数

参考尺寸（深×宽×高，mm）

600x800x1900

参考重量（kg）

600

2）100kW逆变器部分技术参数

GSG-100KTT-TV

直

流

输

入