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：绿色建筑、太阳能光伏发电系统、并网

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，在市领导和有关部门的支持下，根据大平顶、大挑檐结构的建筑屋顶设计，在首博新馆屋顶的平面部分安装了５０００平方米的太阳能光伏发电装置，峰值发电量达到了３００ｋＷ。使中国太阳能光伏发电工程中单体建筑发电量达到了国际先进水平。首博新馆也成为集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体形象地表现了太阳能资源的利用，以求“可持续发展”的教育示范作用。

绿色建筑与新能源的产能率

    四十年前，美国籍意大利建筑师保罗·索勒瑞首次把生态学和建筑学两个单词合并为“ａｒｏｌｏｇｙ”，提出了“绿色建筑”的概念。以后出现的“石油危机”让人类认识到，牺牲环境的发展是不可能持久的。１９９２年６月在斯德哥尔摩的第一次人类环境会议上发表了著名的《人类环境宣言》，提出了“人类只有一个地球”。从此，什么是绿色建筑？如何改善生存环境、降低能源消耗？逐步成为建筑设计所面临的首要任务。

    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。我国建设部在２００４年８月２７日的《全国绿色建筑创新奖管理办法》中更加明确定义了“绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时实现高效率地利用资源（节能、节地、节水、节材），最低限度地影响环境的建筑物”。把建筑智能化视作绿色建筑的技术手段，节能技术成了发展建筑行业的先导。

    绿色建筑的内涵非常丰富，包括了节水、节能、材料和构件的重复利用、太阳能等可再生能源的利用，甚至还包含了建筑选址和室内环境。但是，其核心是有利于节约能源、有利于保护生态环境，减少对地球资源与环境的破坏。在世界各国的绿色建筑评估体系中，也都把对环境的负荷、有效利用可再生能源作为重要的评分项目。

    建筑节能实质上包含了如何最大限度地减少能量浪费，和拓展新型可再生能源的利用两大方面。然而在工程实践中，存在着一种建筑节能的表面化现象，即简单地以能量和能耗费用作为衡量节能的标志。全地球的能源是一个大系统。我们追求的是对全人类而言的总能源的节约。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，那就违背了绿色建筑的初衷。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。再有，任何新型能源形式的采用都会有一个消耗多少能量、产出多少能量的比率问题。在太阳能、风能的利用中，只看投资和产出的能量，不研究相关设备设施所消耗的能量，也是不正确的。

    新型能源形式的引进是节能的主流。但正像所有的生产都需要考虑投入产出一样，太阳能光伏发电系统在生产制造过程中，无论是与发电板相关的硅晶体、钢材或玻璃的冶炼，以及其他相关逆变器等各种零部件的生产加工，都需要消耗一定的材料和能量。这些预先消耗的能量，与建成以后产出的能量之比，是值得考虑的大问题。例如，目前有一些晶体太阳能光伏发电系统的技术水平很低级，生产中消耗的电能需要产出的太阳能板发电１９年才能够补偿。而它的实际运行生存周期不到２０年！显然是得不偿失。而某些太阳能光伏发电系统只需要发电７年就能够补偿生产建设过程的所有能耗。可见，即使是采用新型可持续发展能源，也应该考虑产能技术与产能效率问题。

    我国从上世纪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形式，将会对建筑智能化系统提出更高、更深的技术要求，特别是要求智能化系统深化与供能设备、发电设备的系统集成，保证整个建筑内外电力的调配和平衡。

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，体现了特定的文化理念。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，而且原来首都博物馆新馆建设任务书中也并没有提出安装太阳能系统的要求。因此，建筑设计和结构设计理所当然地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问题。从建筑外观、造型的角度，自然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如何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，是首博太阳能光伏发电系统工程设计所必须面对的首要问题。原则就是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，不能造成结构的重新返工。

    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。那就必须考虑安装条件、安装方式和安装强度。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，特别是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。

    其中，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，甚至闹出人命！

    以往的太阳能组件安装通常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。特别是需要屋面承受空气层流所产生的巨大风力。

主要城市  北京 上海   天津  济南  杭州 广州  
风压ｋｇ ／ｍ ２  ３５  ５０  ３５  ４０  ６０  ５０

表1  我国主要城市风压表

    根据气象资料，通过中国海平面的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，再结合陆上建筑不同高度的风压值与海平面风压之间的风压高度系数ＫＨ，就可以计算出单位面积建筑屋面的风压值。

离海平面主度ｍ   １０  ２０  30 40  50  
陆上风压系数ＫＨ  １  １．２５  １．４１  １．５４  １．６３


表2  陆上风压系数表

    当然，不同的建筑屋面形态和结构所产生的空气层流作用是各不相同的。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，实验报告认定：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。”

    按照这样的计算结果，每平方米屋面的升力Ｆ达到了－１１８．５８千克（Ｆ/ｍ２＝３５ｋｇ/ｍ２×１．５４×－２．２＝－１１８．５８ｋｇ/ｍ２）。而整个太阳能光伏发电板的升力几乎接近５９３吨
（ΣＦ＝－１１８．５８ｋｇ/ｍ２×５０００ｍ２＝５９２９００ｋｇ）
这对建筑结构是极大的考验。

    综合上述因素，首都博物馆新馆选择了非晶体柔性太阳能发电板、以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式。这样既不会影响建筑造型，也不需要对屋面结构进行重新计算和加固。特别重要的是，以特种粘合剂直接粘贴在屋面板的技术形式不再存在太阳能发电板和屋面之间的空气腔，从根本上消除了空气层流作用的产生。

    另外，在建筑天棚上嵌装太阳能光伏发电板时，一般都需要考虑天棚屋顶是否会产生漏水问题。采用直接粘贴方式也从根本上杜绝了渗漏问题。

    当然，采用粘结方式，对粘合剂的性能和粘贴工艺需要特别注意。如果粘贴当时的屋面自然气温过高或者过低，都会影响到粘贴的牢固度。而且，所用的粘结剂必须能够经受得住自然气候的变化。不会因为四季变化、日晒和积雪积雨等情况而影响粘结度。


太阳能光伏系统的运行风险

    通常太阳能光伏发电系统有两种不同的运行模式，即根据并网光伏系统是否与公共电网并网连接，分为目前常见的通过电池储能、与公共电网分路的“独立供电方式”和与公共电网并联的“并网供电方式”。

    “独立供电方式”是先将太阳能光伏发电系统所发出的电能储存到电池组，转换成为化学能。然后从电池组把化学能转换成为直流电，通过逆变器变换成为交流电独立输出供给低压负载。“独立供电方式”突出的优点就是发电与用电可以不同步。太阳能光伏发电系统所发出的电能可以存储起来，不在发电当时使用。大多数是白天发电晚上用。但是经过电池的“独立供电方式”会增加二次电能—化学能—电能转换损耗。我国绝大多数太阳能光伏发电系统采用电池储能的“独立供电方式”。太阳能光伏发电系统发出的电能独立供给负载，不与公共电网连接，也就不会对公共电网发生任何干扰。

    “并网供电方式”时，太阳能光伏发电系统所发出的直流电无论是否经过化学电池组，最终通过逆变器变换产生的交流电，或者向公共电网输送电能，或者与公共电网同时端接输出到低压负载。这两种方式都是当时发电当时使用，太阳能发出的电量直接与公共电网并接。只是根据并网光伏系统是否允许通过供电区的变压器向主电网馈电，分为可逆流和不可逆流并网光伏发电系统。目前，美国、德国等西方先进国家大多采取可逆流的“并网供电方式”。

    首都博物馆的初衷是利用太阳能光伏发电系统解决博物馆内白天公共区域的人工照明用电，也就是白天发电白天用，因此，采用并网太阳能光伏发电系统是最直接、最有效的供能方式。

    前些年上海某幢大楼曾经打算采用太阳能光伏发电系统“并网供电方式”，但是由于供电部门担心影响电网的稳定性未予许可，最终未能投入运行。近年来，北京电力公司会同相关单位在如何保证并网光伏发电系统的安全和运行管理方面进行了积极的探索，取得了一些经验，在北京地区出现了多个并网光伏发电系统应用工程。

    为什么供电部门对并网太阳能光伏发电系统如此谨慎呢？众所周知，任何电源并联时，不可避免地会产生某种程度的“回流”干扰。“并网供电方式”中太阳能光伏发电系统的逆变器输出与公共电网并联时，必须保持两组电源的电压、相位、频率等电气特性的一致，否则就会产生两组电源相互之间的充放电，造成整个电源系统的内耗和不稳定。

    采用“并网供电方式”需要解决的根本问题是，如何从技术角度保证并网的太阳能光伏发电系统从电能质量和并网保护等方面，保证太阳能光伏系统向本身交流负载提供电能和向公共电网发送电能时的质量处于始终受控状态，保证在电网低压接入时对公共供电网的影响最小。

    首先是并网光伏发电系统在与公共电网联接时通过变压器等进行电气隔离，并且保证并网太阳能光伏发电系统的发电容量在上级变压器容量的２０％以内；形成与公共电网市政供电线路之间明显的分界点。同时实现直流隔离，使逆变器向电网馈送的直流电流分量低于其交流额定值的１％。

    其次，要使太阳能光伏发电系统的输出电压、相位、频率、谐波和功率因数等参数在满足实用要求的同时，能够随动公共电网的相关参数。

    这里，关键在于太阳能光伏系统的逆变器输出端与公共电网在低压端并接时，自控装置对公共电网的电压、相位、频率等参数进行采样，并以采样值实时调整逆变器的输出，保证并网光伏发电系统与公共电网的同步运行。

    再就是设置相应的并网保护装置，一旦出现太阳能光伏系统或者公共电网发电异常或故障时，能够自动将太阳能光伏系统与公共电网分离。

    首都博物馆通过研究太阳能光伏发电系统的电气特性，为了解决太阳能光伏系统在低压端并网的切换与自动补偿，在太阳能光伏系统中采取了两个重要措施。首先是在负荷设计上采用三台逆变器的情况下保证多运行模式下光伏系统三相输出的平衡，取得三相电压不超过４％的最大不平衡度。另外采用了交流电源跟踪技术。当公共电网供电端的电压和频率等参数在正常范围内变化时并网光伏发电系统的输出自动跟踪公共电网的电压和频率、相位等的实时参数，随时调整其交流输出功率、交流输出电流高次谐波、频率和相位，使之与电网相匹配。保证光伏系统的输出电压总谐波畸变率小于５％，输出电流总谐波畸变率小于５％，各次谐波电流含有率小于３％，输出频率偏差值小于５０±０．５Ｈｚ。从而在运行时不造成电网电压波形过度的畸变，和导致注入电网过度的谐波电流。

    再就是从运行安全和维护安全的角度，在太阳能光伏发电系统中设置了三级短路开关，实施过欠电压保护，保证设备和人身安全，防止事故范围的扩大。特别是一旦发生并网光伏发电系统电网失压时，自控装置将在１秒内动作，把光伏系统与公共电网快速断开，主动防止孤岛效应。

    同时，在建筑智能化系统的实施中，开发并完成了太阳能光伏系统与建筑设备自动化监控系统的接口和集成技术，实现了楼宇自动化系统对太阳能光伏发电系统的二次监控，包括摄像机对太阳能发电板的监视，进一步提高了太阳能光伏发电系统与公共电网之间的安全性。

结束语

    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）；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；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间断供电要求。

    虽然目前太阳能光伏发电系统尚未形成规模效应，造价很高。但太阳能光伏发电系统为子孙后代提供了可持续发展的空间。随着太阳能光伏发电系统技术的提高和应用的增多，实现以太阳能为主的能源转移将创造人类新的未来，就像石油对人类社会的影响一样。

作者简介：祝敬国  １９４６年１１月出生于江苏省常熟市。１９６８年北京清华大学自动控制系电子计算机专业毕业。先后在哈尔滨飞机制造公司、上海飞机制造厂担任设计员、电脑组组长等职。１９８３年进上海博物馆筹建电脑室，历任电脑室主任、信息中心主任。现任首都博物馆总工程师、科技部主任，中国博物馆学会数字化专业委员会主任，《国际“文物数值化”论坛》副主席国代表。兼任国家建设部建筑智能化系统工程设计专家工作委员会专家、国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心专家组成员、中国自动化学会智能建筑与楼宇自动化专业委员会委员等职。
    主持研制的主要课题有，《上海博物馆智能建筑系统》（１９９７年５月通过国家建设部科学技术委员会技术鉴定）、《泰山综合信息计算机管理系统》（国家建设部１９９８年科技进步三等奖）、《藏品编目图像管理系统》（国家文化部１９８８年科技进步四等奖）。ＧＢ ５０３４８－２００４《安全防范工程技术规范》主要编写成员。
    参加过厦门国际会展中心、上海科技城、上海磁悬浮列车工程通信及基础设施系统等近百个智能建筑的方案评审、评标和验收工作。先后担任南京军区总医院病房大楼、中华世纪坛、深圳市民中心、中国国家博物馆等智能化工程的顾问。
    对智能建筑的建议：当前智能建筑行业的主要任务，应该是从建筑特点、个性需求、软件调试等工程设计、工程实施方面下功夫，加强技术指标、控制要求的定量化。使得建筑智能化系统真正与应用和管理结合起来。提高工程的开通比例和运行效果，体现智能化系统的功能，切实保证投资效益。