一、提出课题的背景

1、项目背景

大同市政府积极落实习总书记视察山西重要讲话精神：“不当煤老大，争当能源革命的排头兵”，并由此确定2018年为全市“转型项目建设年”，力求把创新园打造成为能源革命和新能源产业发展的样板，打造成国际化、全球化一流100％“零碳、智慧”示范园区，引领我国2050年能源发展。

2018年4月18日国家发改委印发了第三批增量配电业务试点通知，大同市能源革命科创园成功申报第三批增量配电业务试点。同煤双创中心大楼为科创园A区的重要组成部分之一。

2018年9月，大同市新能源科技创新园区正式开工建设，同煤集团作为大同市重点项目组成单位之一，在双创园区建设双创中心和重点实验室两个项目，同大科技院作为建设单位、宏远公司作为施工单位有幸参加此工程建设项目的建设。该工程在设计中采用节能绿色建筑为主的先进设计理念，最大限度地利用可再生能源，尤其是光电和空气源热泵技术在项目中得以应用。项目在前期设计中，宏远公司做为先头对接单位，积极与设计单位沟通和提供相应施工方案的支持，充分利用我公司对光伏板生产和安装中的现有经验，在同大科技院的支持和认可下，从设计前期介入，从安装工艺入手，进行科技创新的研究，确定了双创中心综合实验楼外立面墙体选用装饰光伏板二合一外墙材料进行施工，做到了节能装饰一体化结构施工的效果。光伏板外墙装饰工程是目前市场为数不多的新工程工艺，工程原理作用都是理论上形成，但应用相对较少的，可借鉴的施工经验也极少，我单位接到施工任务后，成立了专业新技术保障领导组，公司总工程师任组长、副总工程师任副组长、机电部、技术部、土二分公司等单位和部门为成员的领导组，从设计前期介入，从安装工艺入手，进行科技创新的研究，确保光伏板安装工艺顺利运用到施工中。

2、建设必要性

低压直流配电网是采用直流配电系统运行控制与保护、灵活直流电压变换、直流变压隔离、用户侧直流用电等关键技术，直接为负荷提供直流电的配电网络，支持新能源、储能接入及能量双向互动。

一方面，规划区内包含直流充电桩、光伏、储能等大容量直流电源/负荷设备，通过直流配网接入可减少交-直、直-交转换环节，大幅提高能源利用效率。

另一方面，直流接入的分布式电源与大电网互为备用，有效保障了区域重要负荷的可靠供电，且通过合理的保护与运行控制策略可实现并离网运行，将进一步提升区域供电质量与供电可靠性。

二、研究的创新点

在建筑结构外表面铺设光伏组件提供电力，将太阳能发电系统与屋顶、天窗、幕墙等建筑融为一体，建造绿色环保建筑师太阳光能发电系统与现代建筑的完美结合。

工程利用自身设施发电功能，满足日常建筑物办公、照明等用电需要，天气晴好时，可完全满足建筑内办公用电，天气恶劣自发电不足时自动转接到时市电网回路中弥补用电量。

光伏幕墙发电原材料采用太阳能是一种清洁、环保能源，而且取之不尽用之不竭，是丰富永久性天然能源。

太阳光电转化安全可靠，并直接通过并网逆变器，把电能送上电网，由于不需要蓄电池，无需机械部件与传动系统，可节省设备投入费用。

光伏幕墙既可作发电部件、集热系统，又可做建筑墙体外围护结构，有利于降低建筑结构与装饰成本。

光伏幕墙不用单独建设厂房、车间，依附在房屋工程上，可节地、节省发电基建费用。

系统采用太阳能电池组件，使用寿命长，≥25 年，衰减小，具备良好的耐候性，防风、防雹。能有效抵御湿气和盐雾腐蚀，无毒无害。

太阳光能转换为电能，转换效率高，不产生垃圾及废弃物，有利于环境保护，减少常年维修与处理费用。

太阳光电安装简单方便，无噪音，无污染，建设周期短，自动调控，无需人员值守， 也无需线路架设，减少常年运行费用。

太阳光电不仅可供自有房屋使用，亦可并网利用。

享受财政补贴及相应优惠政策。自 2009 年，中华人民共和国财政部按装机容量每瓦20 元给予补贴，各市亦有政策支持。

三、适用范围

适用于房屋及附属设施的外围护结构幕墙工程，包括隐框幕墙、明框幕墙、点式幕墙、及采光顶等。

1. 工艺原理

   把能将太阳光转换为电能的晶硅太阳能光伏板外侧面（朝阳一面）镶嵌透光性高的钢化玻璃，光伏板内侧面镶嵌装饰板材料（没有太特殊的要求，做到防火隔热即可）。在建筑物外墙面、屋顶部位安装结构骨架，将光伏装饰一体板固定在建筑物或构筑物上，使其成为建筑物的装饰部分，在光伏板吸收太阳光的同时，进行光电转换，发出电能，通过逆变器等设施把转换成的电能传输至用电器终端或并网传入供电线路。

   五、总体性能指标与国内外、集团公司内其他单位技术的比较

   目前大同市双创中心综合实验室外墙光伏板与外墙装饰二合一技术为国内先进技术，大同地区首家，同煤集团首家。

   六、应用情况、经济、技术、社会及环保节能效益分析

   1、应用情况

   大同市双创中心综合实验楼，建筑面积20000平方米，在南、北立面（除窗户位置）、屋顶安装光伏板3500块，安装光电容量350KW（最大），通过测试，运行工况正常。工程利用自身设施发电功能，满足日常建筑物办公、照明等用电需要，天气晴好时，可完全满足建筑内办公用电，天气恶劣自发电不足时自动转接到时市电网回路中弥补用电量。

   2、经济效益

   在大同地区为首家应用项目，按平均发电量150KW/h计算，年度发电量43万度，可取得经济效益21.5万元。

   3、技术效益

   1）通过采用本施工方法，光伏板与外墙合二为一，减少了外墙装饰施工。从技术手段上取得了一定的效益。

   2）施工安装方便：光伏组件规格统一，放线及骨架安装简便，工期缩短 2/3。

   3）科技含量高，使用清洁环保能源，减少垃圾与污染处理费用。

   4）节省常年维修，维护与运行费用。

   5）节省设备线路电杆输供电设施等费用。

   4、社会效益、生态环保效益

   1）消除了燃烧煤炭（或燃油）产生的 CO2，避免产生了大气污染和热效应。

   2）消除了传统燃烧物产生的废渣、废气，有利于环境保护。

   3）利用纯天然太阳光能，无后顾之忧，长久使用

   七、施工工艺流程及操作要点

   1、光伏幕墙安装工艺流程

   方案设计→部件加工、购置→预埋件安装→光电施工准备→测量放线→光电器材安装→玻璃光伏幕墙施工→线缆安装→设备就位→系统运行（工艺流程图，见下图）

    

光伏幕墙安装工艺流程图

2、操作要点

1）方案设计：光伏幕墙程设计应遵循技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用的基本要求，其设计原则是：

2）先进性原则：使系统在一定的周期内保持技术领先性，保证系统具有较长的生命周期。

3）实用性原则：选用有大规模实际工程应用经验的产品，并保证其稳定性、可靠性和可维修（护）性。

4）经济性原则：在保证系统各项技术指标的前提下，努力降低工程、设备成本，提高系统的性价比。

5）建筑一体化设计：必须与建筑工程有机结合，把太阳能电池组件和屋面或墙面相结合， 形成建筑物的组成部分并增加建筑整体美感。

6）选址依据：太阳能组件的放置应在建筑物上，系统不受周边建筑物的遮挡，缩短并网距离，减少输电损失与线路费用。

7）预埋件安装：由于光伏幕墙附着固定于建筑物上，因此，土建结构施工时按照图纸设计，做好系统安装部件的预埋、预留，没有预留或位置不正确的的要增加后置埋件，后置埋件用锚栓固定，并经设计计算锚栓大小，做好现场拉拔实验。

根据建筑物的屋面、墙面尺寸，设计太阳光伏幕墙的尺寸及部件组合，按照组装图做好部件的加工与购置配套工作。

8）光电施工准备：根据工程特点，准备好脚手架或电动吊篮设备，准备好技术人员与劳动力安排。

按照设计图纸进行测量放线、标注部件安装位置。

器件安装：主要是太阳光电系统中的转换件、连接件安装。

玻璃光伏幕墙施工：首先安装固定龙骨框架与结构体上的预埋件连接牢固后，然后安装太阳能光伏组件，安装过程中边对光伏组件的线缆进行连接。质量检查无误后，对缝隙打耐候胶，并及时对玻璃幕墙清理干净，防止污染、粘结。

9）线缆连接：将各处连接件、光电转换件用线缆连接，并与变压器、开关、使用设备等，形成完整供电线路系统。

10）设备就位：将电池方阵、直流接线箱、逆变器、交流配电箱、转换器、电脑等设备分别安装就位于配电室、监控室等位置。

11）系统运行：将用电器具与设施与太阳光电系统通过配电箱、变压器联接好后，进行系统整个运行调试。

3、材料与设备

高效晶体硅太阳电池片

具体要求及技术指标：无螺钉内置角键连接，紧固密封，抗机械强度高，高透光率钢化玻璃封装，采用密封防水多功能接线盒，确保组件使用安全。表面覆盖深蓝色碳化硅碱反射膜，颜色均匀，外观精美。

产能：100w

规格：1192×792mm

八、方案组成

本工程以直流供电为中心，灵活接入光、储等能源，同时为直流充电桩和直流照明提供直流能源，全面整合能源控制参量及能量信息，实现多种能源协调控制和综合能效管理，建成多点接入、网络共享、需求感知的能源互联网，构建直流“源-网-荷-储”供能系统，打造直流楼宇典型示范，提高分布式能源利用效率，降低能源损耗，提供安全、舒适的楼宇低碳供能系统。

本项目建设集 “光、储、充、配”高度融合的多能互补新能源直流微网系统，实现光伏发电、分布式储能、电动汽车与智能电网技术的有机融合，能源“供需集成”和“双向流动”，更好体现绿色低碳理念。直流型微电网通过一个集中的AC/DC变流器与与综合楼10kV配电室低压侧380V连接，并在其直流侧构建直流母线，分布式光伏、储能系统、直流充电桩、直流负载均通过DC-DC变换器接入直流母线，可实现光伏的就地消纳和储存，减少变换环节，提高系统效率。

本项目主要由直流微电网、光伏发电系统、储能系统、充电桩、直流照明系统和能量管理系统构成。建设431.08kWp的分布式光伏发电系统（其中双创中心光伏幕墙231.08kWp，双创中心实验室晶硅组件200kWp），10台30kW直流充电桩，直流照明负荷132.5kW预留，15台交流充电桩，其中光伏、储能、直流充电桩均接入直流换电间直流微电网750V直流母线,直流照明负荷接入220V直流母线。

1、直流微电网

直流微电网采用单母结构，采用单电源点引入，由交流并网开关柜、双向变流器，双向变流器、直流控制柜和直流配电柜组成，通过联络柜构成单母分段结构。直流微电网位置在同煤双创中心综合楼负一层直流换流室。

通过直流控制柜接入综合楼231.08kWp光伏系统，预留试验楼200kW光伏接入，接入250kW/500kWh储能系统，输出至直流配电柜，通过直流配电柜接入负二层至八层的直流照明壁挂电源和照明配电箱，以及室外的景观照明和城市家具配电箱及10台直流充电桩，负荷约450kW。

双创中心直流微电网系统方案架构图

根据直流负荷特性，照明负荷同时率按0.8选取，照明负荷最大容量为150kW，同时最大照明负荷为120kW；通过开展有序充电，保证直流充电桩同时率小于0.4，同时最大负荷为120kW，最大同时负荷为240kW，通过调节储能系统，确保系统稳定、平衡。

1）AC/DC双向变流器

AC/DC换流器采用模块化设计，多机并联运行,高频同步，要求具备如下主要功能：

（1）具备交直流双向输出额定功率能力。PQ功率控制模式运行时，可实现输出有功功率、无功功率控制连续可调。

（2）具备交流下垂控制，当并网运行时对电网频率和幅值进行微调稳定同时根据系统设定进行 PQ 控制。

（3）离网运行时，通过V/f 控制实现快速无缝并离网模式切换。通过改变电网系统中的交直流侧开关实现电网不同运行状态。

   本项目采用250kW模块式双向变流器，具体参数如下：

PWS2-250K/500K由4个62.5KW AC/DC,4个DCDC模块单元、控制单元、监控单元等组成。

PWS2-250K系统组成图

2）直流控制柜

直流柜由直流断路器、绝缘监测、火灾报警、浪涌保护和直流多能表以及辅材构成。

3）交流开关柜

交流柜由交流断路器、绝缘监测、火灾报警、浪涌保护和多能表以及辅材构成，直流微网系统通过交流开关柜与交流电网进行连接。

2、光伏发电系统

本项目工程拟采用单块容量为85Wp和70Wp的汉窗和汉墙光伏组件光伏组件布置在双创中心综合楼屋顶光照较好的屋顶共231.08kW。

双创中心试验楼安装光伏组件200kW，配置4台晶硅控制柜和1台DC/DC变换柜，接入直流换电间微电网系统内。

光伏发电直流接入系统示意图

3、储能系统

在电网中配置电池储能电站系统，可实现整个储能电站的削峰填谷、调峰、无功控制等功能。

储能电站在电网供电中的主要功能有：

移峰填谷：转移高峰时刻的用电负荷，降低高峰用电需求，提高电网供电设备的负荷率和利用率，缓和高峰时刻的供用电矛盾；

参与调频：根据负荷波动情况，通过接受调度指令参与区域电网调频功能；

紧急负荷功率控制：利用大型储能设备“热备用转放电”以及“充电转放电”快速切换方案实现源网荷切负荷控制，充分利用大型储能设备快速放电能力，支撑电网频率。

本项目主要用于直流微网快速功率调节，电池充放电深度DOD可控制在75%之内，SOC可控制在15%~90%区间。

250kW/500kWh储能系统由1台250kW DCDC变流器、1套500kWh的电池组及其管理系统组成。本储能系统电池总容量519.168kWh，选用3.2V52Ah的磷酸铁锂电芯，3P8S组成（25.6V156Ah）单模组，3P16S组成一个PACK（51.2V156Ah），8P16S*13S组成一簇（665.6V156Ah），5并组成系统容量519.168kWh。

4、能量管理系统

能量管理系统由智慧能源管控系统和能量优化系统组成。通过能量优化系统对各微源的控制模式及控制参数进行设置，保证系统稳定运行，同时电压、频率维持在允许范围之内。

并网运行模式下，AC/DC双向变流器连接AC400V母线，提供稳定的DC750V电源供给各直流负荷。光伏发电系统通过光伏DC/DC模块接入直流母线，工作在最大功率点跟踪模式下。储能系统通过双向DC/DC模块接入直流母线。能量管理系统在用户可选的多种优化目标下实现经济性运行模式，如光伏发电最大化消纳目标下，白天优先使用光伏发电，余量可选择储能系统吸收以备夜间使用或者返送交流母线。微电网经济收益最大目标下，能量管理系统根据峰谷电价差进行能量管理，为用户带来最大收益。

离网运行模式下，微电网在交流电网故障或不稳定时，可以将整个微网系统与电网脱离，以离网模式运行。离网运行状态下，储能系统支撑DC750V母线电压，且能量管理系统可根据对负荷的分级进行逐级切断，延长重要负荷的供电时长。同时双向变流器可监测交流母线电压状态，在电网电压恢复或稳定时恢复并网模式。

九、存在的问题及推广应用前景

由于目前光电国家补贴取消，用户对安装使用建筑外墙光伏技术了解渠道不畅，相关项目宣传力度较弱，存在一定推广难度，小型光电项目较多，大型光电建筑项目比例较低，市场开发前景广阔，符合国家产能政策和环保优惠政策，是可大力推广产业，集团公司目前有光伏生产线四条，应大力推广。