随着建设社会主义新农村的需求，光伏提水业近年来得到了迅速发展，它对解决人畜供水和农牧业灌溉问题起到了较大的作用。但因在光伏提水工程建设过程中没有可执行的标准，工程建设的随意性大，使光伏提水系统利用率低、效益差，系统功能不能全部发挥。本文将根据多年光伏提水工程的建设和设计经验，依次介绍光伏提水工程的各个设计环节，对每个环节的设计内容、技术要求和指标的确定进行阐述，为今后光伏提水工程的建设提供一个科学的设计方法。1光伏提水工程的选址光伏提水工程建设地点选择应具备相应的条件：有稳定、可靠的太阳能资源；50年一遇的最大风速不大于50m／s；有适宜的水源条件。1．1太阳能资源条件对工程建设地点进行不少于一年的太阳能资源资料测量，并取得距离建设点最近的相应参证气象站的同期资料。满足下列条件的地区，认为适合建设光伏提水工程。（1）条件一、年平均太阳总辐射量不小于1400kW•h／（m2•a）。（2）条件二、全年太阳能年平均日照小时数不小于2200h。（3）太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化：用太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化与同期负荷的变化曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好。1．2水源条件光伏提水工程建设前，应对建设地点进行水资源的勘察评价，对水源水质和水量提出相应要求。（1）光伏提水工程的水源水一般为清水，如河水、湖水、池塘水、井水等。水的温度不高于40℃；固体物质含量（按质量计）不大于0．01％，粒径不大于0．2mm。（2）选用地下水源时，其允许开采量应大于取水量，保证水源的可持续性；选用地表水源时，其设计枯水流量的年保证率不宜低于90％。当单一水源水量不能满足要求时，可采用多水源或调蓄水等措施。（3）水源的供水能力应大于水泵的流量。2光伏提水工程设计2．1光伏提水工程总体设计应考虑的因素（1）光伏提水泵站周围不应有影响光伏发电的遮阳障碍物。（2）供水蓄水池应具备重力供水条件，应有一定的容积，保证连续阴天泵站不提水的情况下仍能正常供水。（3）在泵站取水处要预留放置其它取水器所需的空间。（4）系统应有放水装置，以免冬季冻坏水管等设备。（5）在光伏阵列、控制室、水源口、蓄水池处应设有安全防护设施和警示标志。（6）输水管线不应有较大的起伏，穿越不良地质、地段时应采用相应的技术措施。输水管线接口处不应有明显的渗漏。2．2光伏提水工程技术要求（1）光伏提水泵设施能在－20℃～＋60℃的条件下正常工作。（2）在光伏组件安装的区域内，地基应有相应的承载力，避开沼泽、滩涂、流沙。（3）蓄水池最低点的水头应能满足最不利用户用水终端的水头要求。（4）容量大于2kW的光伏提水泵站的控制器应有欠压、过载等电子自动保护功能。（5）光伏提水泵站的出水口处应有消能和防冲刷装置。（6）要求冬季作业的光伏提水系统，输水管线应埋设在冻层以下，或采取相应的其他防冻措施，管道上安装阀门处应建阀门井。3光伏提水机组的选型光伏提水机组类型应依据工程用途、太阳能资源条件、提水流量及扬程等来选择。流量大于10m3／h的提水机组或水中含沙量大的宜优先选用离心泵提水机组；流量小于10m3／h时宜选用高扬程、小流量容积泵提水机组。4泵站相关参数的确定4．1系统扬程的确定光伏提水泵站总扬程是指光伏提水系统在夏季为9～17h，冬季为10～15h抽取的水量与水源供给的水量处于平衡时，水源此时的动水位到出水口中心的高差与输水管道的阻力之和。按公式（1）计算：H＝H1＋H2＋H3＋H（1）式中：H———水泵的总扬程，m；H1———动水位到最不利用水终端的高差，m；H2———蓄水池底部到最不利用水终端的高差，一般取2m～3m；H3———蓄水池深度，m；H———总水头损失，m。4．2系统日提水量的确定系统日提水量为系统在全日内各个时间段的提水量之和，按公式（2）计算：Qr＝?tztqQi（2）式中：Qr———日提水量，m3／d；Qi———选定机型在确定的扬程下某时段太阳能资源对应的系统流量，m3／h；tq———一天内系统提水起始时间，h；tz———一天内系统提水终止时间，h。5光伏阵列的设计5．1光伏阵列容量的确定光伏阵列容量可按公式（3）计算：N＝Npf×k1k2（3）式中：N———光伏阵列的容量，W；Npf———提水系统峰值水功率，W；k1———太阳能资源修正系数；k2———光伏阵列跟踪太阳方式修正系数。k1、k2值分别按表1和表2选取。5．2光伏阵列方位角、最佳倾角的确定（1）方位角γ按公式（4）计算：cosγ＝（sinαzsin?－sinδ）／cosαzcos?（4）式中：αz———太阳高度角；?———当地纬度；δ———太阳赤纬角。（2）最佳倾角的确定。根据水平面太阳总辐射量结果，计算出不同角度（10°～60°间隔1°）倾斜面上各月太阳总辐射量。比较倾斜面不同倾角的月平均太阳总辐照量计算结果，得出全年最大太阳总辐照量时对应的倾角，即为光伏阵列最佳倾斜角。同时也适用固定安装光伏阵列最佳倾角的计算［1］。#p#分页标题#e#5．3光伏阵列行间距的计算行间距指前排方阵前端到后排方阵前端的距离，按公式（5）计算：Ls＝Lxcot（αz）cos（γ）＋Ltgα（5）式中：Ls———行间距，m；γ———冬至日上午9时太阳方位角；L———组件垂直高度，m。6系统其它设计6．1蓄水与输配水系统的设计蓄水与输配水工程设计参照《风力提水工程技术规程》（SL343－2006）中第6．4节和第6．5节的规定执行［2］。6．2安全设计在安全方面主要考虑系统的防雷。如果系统安装在空旷野外或超出附近建筑物高度时（系统超过1．5倍建筑物高点）需做防雷设计。系统防雷设计采取《建筑物防雷设计规范》（GB50057－1994）中第三类防雷建筑物的防雷等级。对于小型电站及低压输电线路只要求考虑防止雷电感应和雷电波侵入［3］。（1）防雷电感应。太阳能电池方阵和控制室设备、金属物、电缆的金属屏蔽层要可靠接地，每个设备都要单独接地，不允许串联后再接到接地干线上，控制器光伏输入端每一路均应装设避雷模块。（2）防雷电波侵入。对于低压220V／380V在每条回路的出线和零线上装设低压阀型避雷器。（3）对于容量大于5kW的光伏提水系统应在系统5m内架设避雷针。6．3节能设计光伏提水工程建设项目应确保使用国家现行节能规范、标准，尽量采用以下节能措施：（1）系统应集中布置，就近接入配电室。（2）选择合理供电电压和供电方式。（3）选用技术先进、性能可靠、材料优良、结构合理、运行稳定、机械强度高、使用寿命长的节能型机电设备及材料。7结语一个优质的光伏提水工程，必须有科学合理的设计来保证。本文介绍的设计方法，为多年来从事光伏提水工程建设工作的经验总结。在今后具体工程设计中，要因地制宜地通过科学分析和计算，才能达到光伏提水工程预期的设计目标。
关键词:光伏发电:建筑一体化;建筑节能
中图分类号:TM914
文献标识码:B
文章编号:1008-0422(2010)01-0135-03
1建筑节能与BIPV技术
建筑能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%,而这30%还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例,如果再加上建材生产过程中耗掉的能源,和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46-7%。根据预测,若能达到国家50%的建筑节能目标,到2022年,我们可以把建筑能耗控制在7.54亿t标准煤,这相当于英国或法国的全年能耗。(图1)。
可再生能源在建筑中的应用可把消耗能源大户变为生产能源的新兴力量。是创建资源节约型和环境友好型社会的重点领域和关键环节。
目前建筑节能应用最广的是太阳能光伏建筑一体化(BulidingIntegratedPV,BlPV)技术,即把太阳能利用纳入建筑的总体设计,把建筑、技术和美学融为一体,使太阳能设施成为建筑的一部分。为此提出的“建筑物产生能源”的新概念,是目前建筑节能技术的研究热点。
2太阳能光伏发电与建筑一体化发展背景。
2.1国家能源政策与“十一五”规划要求
根据世界能源组织公布,预计本世纪末太阳能发电量要占总发电量的50%,可见太阳能在今后能源发展中的重要性。我国政府对光伏发电在政策方面给予了很大的扶持,也采取了相应的行动。主要表现在支持开展技术研发和示范、对产业化项目进行扶持、对光伏市场和产业进行培育、对无电地区光伏发电通电建设实施财政补贴、进行国际合作、推动市场发展等方面。更为重要的是,国家非常重视法律体系的建立,在制定的《中华人民共和国可再生能源法》中,对于并网光伏发电和离网光伏发电都有明确的支持条款。同时,国家在“十一五”规划纲要(草案)中,明确提出我国到2010年GDP单位能耗要降低20%。为了配合《可再生能源法》的实施,实现“十一五”节能减排的目标。国家建设部、财政部专门发表了关于推进可再生能源在建筑中的应用意见。意见指出:推进可再生能源在建筑中的应用是贯彻落实科学发展观,是调整能源结构,保证国家能源安全的重要举措,是实现两型社会持续发展的重要战略措施。
2.2湖南太阳能资源
湖南位于长江中游南岸,地处东经108°47′-114°15′,北纬24°39′-30°08′之间,全省年日照时数为1300-1800h,以洞庭湖为最多,岳阳可达1840h,南部江华只有1360小时,长沙、平江、常德全年有1700h以上。安化及西南通道日照时数1400h(图2)。湖南平均日照强度为5000左右MJ/m2・年,属于太阳能资源较丰富地区。就全年平均来说,日照百分率,湖区可达40%以上,其他各地都在30-40%之间。从季节上来说,夏秋日照率大于春冬。七、八月日照时数在200h以上,日照率多在50%以上。二月份日照时数大部份地区均不足80h。大致是日照时数东半部多,西半部少。全省太阳辐射量86-109Kcal/cm2・年,是同纬度中光能比较充分的省份,年总辐射量以洞庭湖区最大,次为湘南和湘中,湘西最小。太阳辐射量与日照时数的地域分布基本一致。从图2可以看出,湖南太阳能资源较丰富,充分利用太阳能,将有利于湖南太阳能资源的合理利用,从而推动湖南太阳能产业的发展。
2.3研究开发太阳能光电幕墙
随着BIPV技术的发展,一种极具发展潜力的集合太阳能光伏发电技术与幕墙技术的新型功能性建筑幕墙,即。太阳能光电幕墙”模块结构正成为国际建筑界的新宠。由于应用双玻璃封装工艺,取代传统建筑幕墙玻璃,一方面保持了幕墙玻璃的透光性与装饰性,达到玻璃幕墙同样的美观效果;另一方面,利用太阳能电池实现光伏发电技术,产生新能源,而且其双层玻璃夹层结构克服了传统建筑幕墙玻璃保温性差的缺陷,太阳光电幕墙代表着国际上建筑光伏一体化技术的最新发展方向。
中建五局自筹资金建设的“中建大厦”中,开发研制了“百页式非晶硅太阳能光伏发电幕墙”,该项目已申请相关国家专利,在探索光伏发电与建筑一体化过程中取得了较好的经济效益和社会效益。
2.4研究开发晶体硅电池片
2008年8月中电科技集团第48所100兆瓦晶体硅太阳能电池片生产线一期工程竣工投产暨二期奠基仪式在长沙举行。这标志着湖南省太阳能电池产业化项目取得重大进展。按照规划,48所将进一步加大投入,在两年内建设400MW规模级的太阳能电池片(图3),带动和提升湖南省太阳能光伏产业链。
3湖南太阳能光伏建筑一体化案例――中建大厦
3.1项目概况
中建大厦玻璃幕墙是国际首创的百页式非晶硅太阳能光伏发电幕墙(图4)。中建大厦的光伏发电幕墙约有2000m2左右面积,装机功率100KW,年发电约10万度。基本满足中建大厦照明用电。它是将非晶硅薄膜电池裁成酉页片后,嵌入中空玻璃中形成建筑幕墙用太阳能发电玻璃组件。比较其他太阳能幕墙,中建牌百页式太阳能发电幕墙有很多先进性,目前拥有4项国家专利,并申请了国家专利保护。2008年被评为“2008年度国家可再生能源建筑应用示范工程”。
3.2经济效益分析
中建自主研发生产的非晶硅光伏幕墙与晶体硅光伏幕墙和晶体硅屋面就50KWp系统容量就安装成本、年发电量、结算成本等指标进行比较,见表1。
通过以上数据分析:非晶硅光伏幕墙与晶体硅光伏幕墙和晶体硅屋面在设计寿命都为25年和总装机容量为50KWp的情况下,按照国家相关财政补助政策非晶硅光电幕墙系统能获利330万元,并在7,8年回收全部成本。
4湖南光伏发电与建筑一体化产品研究
在我省开发的太阳能光伏发电建筑产品特征如下:
4.1高效率高保温百页式非晶硅发电玻璃幕墙
特点:集光伏发电、保温节能、阳光控制、不影响室内采光、不影响外立面装饰效果等多功能于一身,同时比较早期的光伏幕墙同等电池片功率下发电量提高50%。中建牌光电幕墙传热系数K=1.5W/(m2・k):保温性能比普通幕墙提高260%,相当于每1干平方米幕墙年节约电费14―16万元。财政部补助的标准完全满足。
造价:光伏部分增加造价2500元/m2,
装机功率80～50WP/m2(根据百页密度)。
4.2晶体硅光伏发电玻璃幕墙
特点:单位面积装机功率高,但因垂直面安装,同等电池片功率下发电量下降50%。晶体硅电池板功率的温度衰减系数高,是非晶硅的一倍。所以晶体硅光伏发电玻璃幕墙不能是中空玻璃的,否则功率衰减严重。保温性能比较差,使用中不节能。
造价:光伏部分增加造价5000元/m2,装机功率120WP/m2左右。
4.3晶体硅光伏发电玻璃采光顶
特点:单位面积装机功率高,电池片功率发挥充分发电效果好。因晶体硅电池有热斑效应(局部遮挡电池片时,自发热烧毁电池)所以注意经常清洗采光顶。
造价:光伏部分增加造价5000元/m2,装机功率120WP/m2左右。
4.4简易式墙面与屋顶太阳能电站
特点:―般采用太阳能电池标准组件,单位面积装机功率高,造价相对低廉、工期短。但与建筑―体化程度极低,不满足财政部补助的标准。
造价:光伏部分增加造价30元/WP,装机功率140～160WP/m2。
5发展太阳能光伏建筑一体化的建议
为走出一条低能耗、低污染、高产出的新型工业化道路,大力发展太阳能光伏建筑一体化,以湖南为研究对象建议如下:
5.1由政府出面将省内与光伏――建筑一体化工程相关企业给以一定形式的整合,从电池片制造、光伏工程设计、安装、到地产开发形成一条完整的产业链。
5.2对有条件或能耗大的公共建筑及大型房地产开发项目采取强制政策要求其实施光伏――建筑一体化工程。
5.3在注重发展光伏――建筑一体化工程体量时,一定需严格监督其工程安装质量,必须符合国家建筑外维护结构设计施工规范。事关公共人身安全,光伏――建筑一体化工程从设计、施工、调试、到后期维护各各环节必须交给有相关资质的企业,否则不能验收交工。
5.4尽快出台省光伏――建筑一体化项目地方支持与补贴政策方案:
方案一:在国家发改委、国家能源局光伏发电政策扶持与补贴措施实施前,先行对在湘光伏――建筑一体化项目发电量按照4元/度电价来收购。在国家政策实施后,地方额外增加0.5～1元电价补贴。
方案二:对计划实施光伏――建筑一体化项目评估,因其增加的建造费用政府给予一定比例一次性补贴。
方案三:利用免税形式,将实施光伏――建筑―体化项目增加的建造费用分批补贴给建设方。
6结语
太阳能光伏发电是一种洁净、可再生的新型发电形式,大规模应用光伏发电将为子孙后代提供可持续发展的空间。我国拥有大规模发展光伏发电的有利条件,BIPV和大规模的光伏电站的示范和实际应用已经启动。大规模并网光伏电站能有效解决供电不足问题与环境问题。BIPV实现了太阳能光伏系统与现代建筑美学的完美结合,使大规模光伏系统进入城市成为可能,具有广阔的发展前景。
据了解,湖南还将有30多个光伏产业项目在建设和推进中,预计五到七年时间内,湖南的光伏产业销售收入将突破干亿元。
然而,大规模应用太阳能光伏发电在造价、人才、技术、产业和政策等方面仍然存在一系列问题。同时BIPV的技术层面还有待研究,我们坚信随着太阳能光伏发电系统技术的提高和应用的增多,一个新能源时代将离我们越来越近。
参考文献:
[1]仇保兴中国建筑节能模式的创新[R],智能与绿色建筑文集4m第四届国际智能.绿色建筑与建筑节能大会,中国建筑工业出版社,1―23.
关键词：光伏发电；优惠政策；影响；对策
一、分布式光伏发电技术及特点：
1、分布式光伏发电的定义：
所谓太阳能光伏发电技术，就是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。由于光能是取之不尽用之不竭的清洁能源，而且不受地域限制，安全可靠，规模灵活，其前景被广泛看好。分布式光伏发电就是将光伏发电项目以分散方式接入配电网，这是一种新型发电和能源综合利用方式，倡导就近发电并网，就近转换，就近使用，就地平衡，不仅能解决电力在升压及长途运输中的损耗，还能解决大规模光伏电站对电网的不良影响。
2、分布式光伏发电的特点：
一是投资不大，政策扶持，规模灵活，建设周期短，运行成本低。分布式光伏发电本身规模很小，灵活便利，另外分布式光伏电站靠近用户，并不需要高压输电系统，从而可使基础设施的投资大大减小。再者，安装小型发电机的场地不难找到，安装的工期很短，也有利于投资的回收。在政策层面，国家电网公司最近的新政策也明确了为单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的光伏发电项目提供很多优惠条件，大大降低了分布式光伏发电项目的开发成本。例如并网过程中的很多费用都免了，免收系统备用容量费等。
二是绿色无污染、资源丰富，环保效益突出。分布式光伏发电项目在发电过程中，充分利用的是清洁的太阳能，没有消耗，不产生噪声，也不会产生废气废水污染。
三是能够在一定程度上缓解局地的用电紧张状况。分布式光伏发电在白天出力最高，正好在这个时段人们对电力的需求最大。近年来，随着人们生活水平的提高，居民生活及工业用电有逐年上升的趋势，而且上身的幅度比较大，而从整个世界的角度来看，能源危机也越来越成为困扰世界各国的一个大问题，分布式光伏发电的运用有助于缓解局地的用电紧张状况。
二、分布式光伏发电对配电网的影响：
一是对电网规划产生影响。负荷预测是电网规划设计的基础，能否准确地预测负荷是电网规划的前提条件。分布式光伏的并网，加大了其所在区域的负荷预测难度，改变了既有的负荷增长模式。大量的分布式电源的接入，使配电网的改造和管理变得更为复杂。
二是对电网电压及其稳定性的影响。当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后，不仅可能对配电网内的电压控制产生影响，还可能影响到高压电网的电压特性，甚至引起电压稳定性问题。
三是对配电网网损计算带来困难。我们目前对配电网网损计算总是与负荷有关。含分布式电源的配电网网损计算不仅和负荷有关，同时还与分布式电源的容量和具置以及网络的拓扑结构紧密相关。分布式电源接入配电网后，配电系统将由原有的单电源辐射式网络变为用户互联和多电源的弱环网络，配电网的分布形式将发生根本性的变化，不再是单方向地从变电站母线流向各个负荷，而是大小和方向都无法预测。这一现象的出现将直接导致配电网的网损发生变化，也给网损计算带来困难。
三是对电能质量产生影响。分布式光伏接入的重要影响是造成馈线上的电压分布改变，其影响的大小与接入容量、接入位置密切相关。光伏发电一般通过逆变器接入电网，这类电力电子器件的频繁开通和关断，容易产生谐波污染。
四是对继电保护的影响。我国的配电网大多为单电源放射状结构，多采用速断、限时速断保护形式，不具备方向性。这种保护方式在现有的辐射型配电网上，能够有效地保护全部线路。但是，在配电网中接入分布式电源后，其注入功率会使继电保护范围缩小，不能可靠地保护整体线路，甚至在其他并联分支故障时，引起安装分布式光伏的继电保护误动作。
三、对分布式光伏发电带来的影响的应对措施：
采用分布式电源可以降低环境污染，减少用户终端费用，同时兼具高效性和灵活性，这些优势决定了其在可持续发展中的前景。但我们同时也要考虑到分布式发电在电力系统的渗透对传统配电网将会产生重要影响，为此，当分布式电源接入配电网时，为了确保配电网安全经济运行，需要研究和实施必要的措施和对策。
一是在做配电网规划是要充分考虑分布式光伏发电对配电网运行的影响，防止“孤岛现象”可能会对系统、维修人员等造成的危害。
二是对光伏设备入网要严格把关。光伏发电装置逆变器应严格执行现行国家、行业标准中规定的包括元件容量、电能质量和低压、低频、高频、接地等涉网保护方面要求。
三是加强光伏发电站继电保护设备的把关。分布式光伏发电的继电保护及安全自动装置配置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，其技术条件应符合现行国家标准GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》、DL/T584-2007《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》和GB50054-2011《低压配电设计规范》的要求。
四是加强无功配置管理，防止谐波对配电网的影响。（1）通过380V电压等级并网的光伏发电系统应保证并网点处功率因数在超前0.98至滞后0.98范围内；（2）通过10kV电压等级并网的分布式发电系统的无功功率和电压调节能力应满足相关标准的要求，选择合理的无功补偿措施；分布式发电系统无功补偿容量的计算，应充分考虑逆变器功率因数、汇集线路、变压器和送出线路的无功损失等因素；通过10kV电压等级并网的分布式发电系统功率因数应实现超前0.95至滞后0.95范围内连续可调；分布式发电系统配置的无功补偿装置应优先利用逆变器的无功调节能力，必要时也可安装动态无功补偿装置。
四、结论
世界范围内的能源危机、环保意识为分布式光伏发电带来了基于，另外随着分布式光伏发电新政策的实施，分布式光伏发电也将迎来光明的明天。
分布式光伏发电的发展必将对配电网带来冲击，我们要加强引导和治理。
参考文献
[1]刘杨华，吴政球，涂有庆，等．分布式发电及其并网技术
综述[J]．电网技术，2008，32（15）：71—76．
