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国家体育场太阳能光伏发电技术应用的研究


绿色照明技术与城市夜景及2008工程建设科技研讨会

国家体育场太阳能光伏发电 技术应用的研究

李炳华王玉卿王振声李战赠马名东王烈 (中国建筑设计研究院)

l国家体育场的现状条件
1.1北京的太阳资源 国家体育场坐落在中国首都北京市,奥林匹克公园的南端.北京市处于华北平原与太行 山脉,燕山山脉的交接部位.东

距渤海约150公里.其东南部为平原,属于华北平原的西北 边缘区;西部是山地,为太行山脉的余脉;北部,东北部也是山地,为燕山山脉的支脉.北 京市区的地理坐标约为北纬39.90,东经116.30,与罗马,马德里及费城位于同一纬度. 北京处于温带大陆性气候区,春季和秋季时间较短,气候干燥,冬季和夏季较长.北京市全 年平均气温13.1℃,年日照时数为2594小时,太阳能资源比较丰富,适合于太阳能光伏发电 等技术的应用,北京太阳能资源比欧洲,日本优越得多. 表1北京市观象台历史气象信息
月份 平均气温(℃) 极端最低气温 (℃) 极端最高气温 (℃) 日照百分率
(%)
65 65 63 64 64 59 47 52

1月
一3.7

2月
—0.7

3月
5.8

4月
14.2

5月
19.9

6月
24.4

7月
26.2

8月
24.9

9月
20.O

10月
13.1

11月
4.6

12月
—1.5

-18.3

-16.0

—15.0

—3.2

2.6

10.5

16.6

11.4

4.3

—3.5

—1.06

-15.6

12.9

17.4

26.4

33.O

36.8

39.2

39.5

36.1

32.6

29.2

21.4

19.5

63

65

62

62

注:本表来自于北京气象局,年平均日照百分率为60.9%.

表2北京地区太阳能辐射10年平均数据(单位:kWh/M2)

1月份 I太阳能辐射量

Jan 2.23

Feb 2.89

Mar
4.14

Apr 5.22

May
5.77

Jun 5.85

Jul 5.01

Aug 4.7l

Sep 4.23

Oct 3.31

Nov 2.23

Dec 1.95

注:月平均辐射量为3.96 kWh/M2.该数据来自于NASA数据库.

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1.2国家体育场现状条件
图1为国家体育场及周边鸟瞰图.国家体育场主场四周为广场,北面为训练场.体育场 建筑外面用钢结构编织成的"鸟巢",顶部上层为透明的乙烯一四氟乙烯共聚物薄膜.建筑物 四周设有12个用于安全检查用的安检用房,叫做"安检亭'',在有活动时,安检亭足第一道 安全检察关口,也是观众验票入场的第一道门.如图2所示,安检亭CPl位于体育场的西北 侧,以此为基准顺时针标注安检亭以次为CP2,……CPl2.图中内圈椭圆形为主体建筑外轮 廓线,主体建筑为马鞍形,南北高69.084米,东西高40.138米.外圈连接安检亭的椭圆形为 奥运会时安检线.安检亭屋顶近似平顶,顶高4.37米.

图1国家体育场总图

表3太阳能电池板安装位置分析
安装部位 四周地面 安检亭屋顶 主体钢构件表面 电池板类型 单晶硅或多晶硅 单晶硅,多晶硅 或非晶硅 非晶硅 优点 效率较高,投资相对较低 美观,投资适中,可实现高效转换, 不影响景观 贴于钢结构表面,面积大,总发电功 率大

缺点
易遮挡,易损 坏,影响景观 部分安检亭受 体育场遮挡 效率低,投资 高,不易维护

备注 建筑师不 同意 得到各专 业认可 建筑师不 同意

因此,综合各种因素,太阳能电池板安放在安检亭屋面上.

2国家体育场日照分析
2.1基本概念
表4为有关日照的基本概念,它们对日照分析,经济技术比较起到很重要的作用.

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表4日照的基本概念
名称 可照时数tl 实照时数t2 日照百分率n 光照时问t3 定义 由日出到日落的时间 太阳实际照射到地面的时间 日照时数与可照时数的百分比. 包括曙暮光在内的昼长时问 单位 小时 小时
%

说明 与纬度和日期有关,可从气象常用表或 天文历中查得,不考虑云层等影响. 由于云和天气现象的影响,阳光不可能 全部到达地面.一天内,t2≤tl.
rl=100%×t2/tl

小时

T3=tl+曙暮光时间

2.2日光计算与日照分析

(3a)冬至日(12.22)日照情况(3b)夏至日(6.22)日照情况

(3c)秋分日(9.23)日照情况

(3d)春分日(3.21)日照情况

图3安检亭日照分析 图3为计算机仿真计算图,图3a冬至日光分析图,清晨当太阳跃出地平线时,太阳位于 东偏南,体育场主体建筑在西北侧留下长长的影子(图中左侧红线).随着上午一中午一下午一 黄昏,体育场建筑的影子也由西北侧逐渐地移动东北侧.图中画出了每隔--4,时体育场留下 的影子.可以看出,西侧,北侧,东侧安检亭或多或少有些遮挡,这对太阳能的利用带来影 响.图3b为6月22日夏至日日照分析图,图3c为秋分日日照分析图,图3d为3月21日春 分日照分析图,他们都有类似的结论.经过仿真,得出图4各个安检亭日照参数,相关参数 标注在每个安检亭旁. 应该说明,日照分析按欧洲委员会定义的101号标准条件下进行分析,其条件是:光谱
一120—

绿色照明技术与城市夜景及2008工程建设科技研讨会 辐照度为1000W/m2,光谱为AMl.5,电池温度为25"C.太阳能电池的输出功率在此条件下定 义的. 综合上述日照分析,12个安检亭的日照时间见表5.南侧三个安检亭CP6,CP7,CP8具 有很好的日照条件,平均日照时问大于9小时,完全可以利用.东西两侧的安检亭CP5,CP4, CP9,CPIO日照条件较好,平均日照时间在6小时以上,可以利用其装设太阳能电池方阵.

北部的安检亭CPl,CP2,CP3,CPll,CPl2平均日照时问在4小时以下,太阳能利用价值不
高,经济上也不合适,不宜在其上装设太阳能电池方阵. 注意!平均日照时间T为在欧洲委员会101号标准条件下,某处一年中获得的总的可照 时数除以365天,单位为小时. 因此,平均日照时间不同于可照时数,它考虑到建筑物遮挡等因素;它也不同于实照时 数,它没有计及天气的影响.实际照射到安检亭上的阳光时数应为:
Tr=T×n

(1)

其中,Tr一实际日照时间,单位:小时; T~平均日照时间,单位:小时; n一日照百分率,单位:%;

图4各个安检亭日照参数

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表5各安检亭的日照时间T
安检亭编号
CPl2 CPll CPl0 CP9 CP8 CP7 CP6 CP5 CP4 CP3 CP2 CPl

起止时间(时)
16:00-17:00 13:00-17:00 11:00-17:00 10:00~17:00 8:00-17:00 8:00-17:00 8:00-17:00 8:00一15:oo 8:00-14:00 8:00~12:oo 8:00~1l:00 8:00一10:00

平均最小日照时间T(小时)
l 4 6 7 9 9 9 7 6 4 3 2

太阳能利用评价 差 一般 较好 较好 好 好 好 较好 较好 一般 差 差

3国家体育场太阳能光伏发电系统的设计
3.1太阳能光伏发电技术简介
太阳能光伏发电系统是利用太
N穗拳铵体

阳电池半导体材料的光伏效应,将

太阳光辐射能直接转换为电能的一
种发电系统.如图5所示,上部为 图5太阳能半导体晶片

P碱半导伴

N型半导体,正电荷表示硅原子,负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子,在半导体中掺

入硼原子,因为硼原子周围只有3个电子,所以就会产生1个空穴,这个空穴因为没有电子
而变得非常不稳定,容易吸收电子而中和,形成N型半导体.同理,图5中下半部,硅原子

中掺入磷原子后,因为磷原子有五个电子,所以就会有一个电子变得非常活跃,形成P型半
导体. 当P型半导体和N型半导体结合在一起 时,就会在接触面形成电势差,这就是PN结口1. 光是由光子组成,而光子是包含有一定能量的 微粒,能量的大小由光的波长决定,光被晶体 硅吸收后,在PN结中产生成一对正负电荷, PN结区域的正负电荷被分离,形成外电流场. 如果将一个负载连接在太阳能电池的上下两 图6太阳能电池方阵的布置

表面间,负载上将有电流流过.太阳能电池吸收的光子越多,产生的电流也就越大.光子的

绿色照明技术与城市夜景及2008工程建设科技研讨会 能量由波长决定,低于基能能量的光子不能产生自由电子,一个高于基能能量的光子仅产生

一个自由电子,多余的能量将使电池发热,致使太阳能电池的效率下降.太阳能半导体晶片 通过有序的组合形成太阳能电池组件,若干太阳能电池组件构成太阳能电池方阵.

3.2电池板设置位置的确定及安装要求
从经济,技术两个方面综合分析,国家体育场在CP4,CP5,CP6,CP7,CP8,CP9,CPl0

七个安检亭屋顶上布置太阳能电池板.太阳能电池板安装有以下要求: 1)满足建筑师总体美观要求,太阳能电池板平放在屋顶上,并有2%坡度,以利排水; 2)具有良好的散热要求,电池板距屋面有缝隙,便于通风;
3)便于维护,保养;

4)CPl,CP2,CP3,CPll,CPl2不宜安装太阳能电池板的安检亭,屋面采用与太阳能电
池板相似或相同颜色的材料,便于从高处(例如,奥运会时航拍)观看到良好的景观; 5)太阳能电池方阵应固定牢固,并多点固定,能够抵挡12级风.固定件应防腐.

因此,太阳能电池板采用三排布置方式,参见图6.

3.3系统运行方式的确定 太阳能光伏发电系统有独立运行和并网运行两种方式.两者特点比较见表6. 表6太阳能光伏发电系统独立运行与并网运行比较
类型 定义 独立系统 将入射的太阳辐射能直接转换为电能, 不与公用电网连接的独立发电系统 并网系统 与交流电网联接的光伏发电系统

原理图

构成 特点

主控和监视子系统,光伏子系统,功率 调节器,储能子系统. 需要蓄电池作为储能装置,存在二次污 染,整个系统造价很高.

无需蓄电池,需并网控制器,其它同左. 将太阳能发出的多余电能卖给电力公司,太阳能发电 不足时再从电网买电.造价低,效率高,无二次污染.

安检亭分散在体育场主体建筑物四周,用于安全检查,平时没有赛事时,安检亭不需用 电,如果采用独立光伏发电系统,白天储存的电能无法使用,因此,独立光伏系统不适合在

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本工程使用,应采用并网系统.太阳能并网光伏发电系统所发出的电能供体育场内用电负荷
使用,当太阳能发电不足时由市电补充.

3.4光伏发电组件的选择
光伏发电组件可以采用非晶硅材料,也可以采用晶体硅型组件,两者特点见表7.

表7非晶硅组件与晶体硅组件的比较
类型 型号 非晶硅
PVL.1 36B

单晶硅 STPM
1 60S一24/V

图片

峰值功率(Wp)(W) 开路电压(Voc)(V) 短路电流(Iscl(A) 峰值电压(Vm)(W) 峰值电流(Im)(A) 额定工作温度(℃) 抗风力或表面压力 绝缘强度 冲击强度 外形尺寸(mm) 重量(kg) 优点 缺点

136 46.2 5.1 33
,

165 43.6 5.04 34.8 4.74 43±2 2400Pa,1 30km/h

4.13

DC3500V,1min,漏电电流≤50 2279钢球lm自由落体,表面无损失
5490x393.7x3.048 7.718 1 800x900x7 40

重量轻,柔软性好,耐久性好, 易于安装,阴影下也可发电 光电转换效率低,在10%以下; 造价高

光电转换效率高,达15%以上;耐冲击;造价低 重量重,阴影下不能发电

综合各种因素,本工程选用单晶硅太阳能组件.每个安检亭屋面面积约193平方米,每
个安检亭均采用BIPV光伏发电组件,组成太阳电池方阵,太阳能电池方阵1800mm长,900mm

宽,厚7mm.在标准条件下,预计每个安检亭组成14.4kW的太阳能电站,七个安检亭太阳能
发电共预计100.8kW.

绿色照明技术与城市夜景及2008工程建设科技研讨会 目前,该方案正在深化设计中.

3.5太阳能光伏发电系统的通信要求
太阳能光伏发电系统应具有通信功能,将光伏发电系统的相关数据收集,并实时显示相 关参数.系统可以通过Internet发布相关信
2008年08月18日
20:31
.c
4-

息. 通信协议:OPC,TCP/IP,DDE. 在12个入口处LED信息显示屏(赛事使用



曩嘉主誓荔;:


睾竺是寰:

现发电功率: 累计发电功率: 累计节省标准煤: 累计减少c02排放:

著 品 …

譬 kW囊
kW



吨 吨 吨

言 藿


11块)显示太阳能相关信息,在贵宾入口处设
置一块固定屏.固定屏显示信息见图7.



累计减少S02排放: 图7显示屏显示信息

3.6太阳能光伏发电系统环保分析
据计算,采用100.8kW太阳能光伏发电系统,一年可发电约883MWh,节约标准煤约336 吨,减少二氧化碳排放约215吨,减少二氧化硫排放约5.2吨.

4结束语
国家体育场太阳能光伏发电技术的研究和应用,是落实奥运"三大理念"的具体体现. 目前该设计正在深化之中,力求将该技术进一步完善.

参考资料
[1]"中国国家体育场'',李兴钢,《主办城市,经济导报特刊》Spring [2] 《智能建筑电气技术精选》,中国电力出版社,2005年5月第一版'
2006;

[3]《新能源在建筑中的应用》王长贵,郑瑞澄主编,中国电力出版社,2003年7月第一版 [4]"国家体育场场地照明设计初探"李炳华,《建筑电气技术文集》(2003年),全国建筑 电气设计技术协作及情报交流网编,兵器工业出版社,2003年10月第1版

国家体育场太阳能光伏发电技术应用的研究
作者: 作者单位: 李炳华, 王玉卿, 王振声, 李战赠, 马名东, 王烈 中国建筑设计研究院

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