保定光伏产业园——从顶层设计到应用的研究

陈敬欣 ，丁 阳 ，张翼飞 ，周海亮，许 颖，（.保定嘉盛光电科技股份有限公司， 河北 保定 0705；.河北大学物理科学与技术学院， 河北 保定 0700）

顶层设计是运用系统论的方法，从全局的角度，对某项任务或者某个项目的各方面、各层次、各要素统筹规划，以集中有效资源，高效快捷地实现目标的一种思路。光伏发电用于社区的概念在国外已经做了一些尝试，比尔-邓斯特 2001 年建成全球第一个零碳社区贝丁顿零碳社区，充分利用了太阳能，为社区提供更清洁高效的能源。Renewable Cities（可再生城市）组织提出其理念的核心是 Renewable Buildings（可再生建筑）, 而在城市中，可再生能源利用的最佳方式是光伏发电，未来目标为在城市生活中实现 100%的可再生能源利用。2019 年，我国的光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV ）的应用越来越广泛，但是从顶层设计的概念去设计一个以光伏应用为主题的园区，还未见报道。采用顶层设计的理念设计和实施保定光伏产业园，可将光伏发电与生产、酒店、教育、娱乐休闲、道路交通等结合起来，由智能监控管理系统贯穿起来，形成高效智慧、低碳健康、生态宜居的示范产业园。

1 顶层设计

光伏产业园顶层设计整体思路采用顶层设计理念，将光伏产业园分为生产、研发、生活、娱乐、教育 5 个功能区。在各功能区中尽可能采用光伏技术，相应在生产功能区建设了光伏组件生产基地：研发区建立了光伏应用研究院、保定光伏材料与技术国家重点实验室；娱乐教育区建立了低碳公园和光伏馆；生活区建立了电谷酒店、光伏示范小区、微工坊、基础设施示范等项目群。园区占地约 12 km2，光伏组件安装量达 18 MW，相当于 2.67 万 m2地面电站的装机容量。在园区设计和实施过程中，广泛应用了光伏幕墙、透光光伏屋顶、防青砖组件等国内最新的光伏建筑一体化产品，完美实践了城市光伏利用的新模式。通过建筑物或设施集成，使得光伏组件的利用达到了最大化。

2 园区光伏发电的应用

园区首先是一个光伏组件的制造基地。在制造基地，不断产生新的技术和产品，利用高透光、全黑、曲瓦、弧面光伏幕墙、彩色组件等新型光伏建材，通过定制开发的支架结构实现了型材与建筑的完美结合。其不但满足光伏建材结合到建筑上的安全连接需求，如防火性、耐火性、耐久性等要求，还不会影响建筑外观，实现高层建筑侧立面、建筑顶面的绿色电力供给方案。

2.1 光伏组件生产基地项目

项目位于产业园厂房屋顶，根据不同厂区、厂房的规格、位置、日常耗电负荷结构、日照条件等因素，采用相应规格与等级的光伏组件与组串逆变单元，在发挥建筑隔热功能的基础上，为厂区日常耗电提供电能供给。合理利用屋顶空间，降低输电线路的损耗与成本。本项目总装机容量约6.8 MW，每年预计发电量 850 万 kWh，项目既节约了用电成本，又降低了电网负担。

2.2 低碳公园

电谷城市低碳公园外立面及顶部均由光伏组件构建而成。根据光照与发电性能的特点，不同位置采用不同类型的组件，确保最大程度将太阳能转换为电能。所有组件采用双玻组件封装，高透光率不仅提高公园内人体活动舒适感，而且不影响公园内绿色植物的生长，既能保证园内的采光又能兼顾植物的生长。项目总装机容量约 3 MW，本项目提供的电能，能满足公园内空调、新风、照明等必须电能的需求，同时还能为音乐喷泉、景观流水等娱乐设施提供电能保障。结合智能控制器与双向电表，实现自发自用，余电上网。每年为建筑提供约 300 万 kWh 的电力，在兼顾了美观、采光、保温的同时，还为建筑提供了绿色电力，降低了建筑物的损耗。其作为现代化绿色低碳园区，经常作为中小学生环保宣传的实践基地，为绿色出行、节能环保、科技创新的科普与意识培养提供现实素材。

2.3 某被动式光伏建筑示范工程

某工坊是倾力打造的现代高品质办公空间，是集建筑光伏一体化、被动式、地源热泵、毛细管辐射空调系统、智慧能源管控系统等高新技术为一体的示范建筑。建筑采用现代中式简约风格，合院式布置。优美的庭院及露台景观，带给人们舒适的办公体验，真正实现“零碳、绿色、智慧、宜居”。项目遵循“阳光、绿色、智慧”的设计理念，符合国家绿色建筑发展方向。项目中光伏发电板采用自主研发的“青砖”“黛瓦”等新型光伏建材，使建筑与光伏实现完美融合，既不失建筑美感，又持续提供了绿色电力。“青砖”“黛瓦”外形和颜色突破传统光伏发电板的设计，使得光伏发电板不仅作为产能功能材料而且作为建筑饰面材料。安装方式均采用了干挂方式，方便安装与维修、拆卸及更换，使光伏发电板与建筑的结合相依相融，更加适应于现阶段建筑对于绿色可持续发展的要求。项目总装机容量97.785 kw，年发电约 10 万 kWh，发电数据使用逆变器终端采集，发电量可实现 50% 用电能耗的自给率。

2.4 光伏声屏障

此工程为我国首座光伏声屏障，安装容量 90 kW，全部全玻光伏组件选用单晶 P 型电池片，每块全玻组件的峰值功率为 125 W。系统采用明框的幕墙安装方式，全部线缆均采用隐藏的走线方式。利用光伏全玻组件独有的结构形式及组成，替代普通隔音墙的隔音材料，在保证隔音效果的同时，实现光伏发电。此项目采用一体化设计、构件式安装，外形美观大方，安装省时省力。此隔音墙首年发电量约为 8.7万 kWh，节约标准煤 30.45 t，减排 CO285.00 t、减排 SO22.61 t、减排粉尘 23.66 t。此项光伏技术及产品的研发和成功应用标志着我国光伏产品应用技术取得突破，光伏建筑一体化领域得到进一步开拓，开辟了节能减排新途径。光伏组件兼做建筑材料，可进一步降低光伏系统的建设成本，投资收益较好，有着巨大的市场潜力。

2.5 智能监控管理系统

鉴于园区的复杂性，为园区定制了智能监控管理系统，系统功能包含了智能光伏系统运行与维护、智能照明、智能警报、智能视频监控等等。将园区的照明系统、视频监控系统、道路站牌、车棚等全部互联在一起，打造一个便利化、智慧化、绿色的新型现代城市。

作为园区的主要能源提供者，光伏系统的稳定运行是保障智能监控正常运行的基础。在园区中，光伏系统多以光伏建筑一体化的形式展现，光伏建筑一体化的安装形势较为复杂，同时又贴近市民生活，为了保障市民生活的安全和光伏系统的额收益，智能监控系统相较于常规监控，增加了系统发电效率优化，精准监控、高效排障，安全保障措施，移动互联、自由运维，防逆流等功能。

3 结 语

本光伏产业园的建设以可再生建筑为指导思想，以降低建筑能耗为目标，在充分调研区域定位背景下，构建了产业园区设计理念、设计原则和具体设计目标；利用自由知识产权的高透光、全黑、曲瓦、弧面光伏幕墙和支架结构等新型光伏建材，让高层建筑侧立面的绿色电力方案和透光光伏屋顶、 BIPV 幕、光伏改造等多方面技术方案得以实施；通过光伏发电结合地源热泵技术，使得建筑能耗下降 70%；特有的智能监控管理系统纳入阿里云的智能检测和运维系统，使得园区的可再生能源发电更加可靠，大数据系统也为未来低碳示范区的建设提供了依据。园区占地约 12 km2，光伏组件装机容量达 18 MW，相当于 2.67 万 m2地面电站的装机容量，后期全国建设示范项目装机容量 17 MW，共计 35 MW。每年可提供绿色电力 3 644.35 万 kWh，每年可节约标准煤 1.28 万 t，减排 CO23.56 万 t，减排 SO21 093 t，减排粉尘 9 912.6 t，在 25 a 内可发电 8.2 亿 kWh，折合标准煤 28.70 t，减少 CO2排放 80.11 万 t，减少 SO2排放 2.46万 t，减排粉尘 22.30万 t。为国家节能减排起到引领示范作用，拉动地方经济的发展。这些项目均完美实践了城市光伏利用的新模式，通过建筑物或设施集成，使得光伏发电件的利用达到了最大化，很大程度上实现了低碳的建设目标。

光伏产业园即为 Renewable Buildings 的一项实践探索，为未来完全利用可再生能源的城市提供示范支持。此园区的建设理念和方法不仅可以应用于光伏园区，也可以在其他高科技园区或生活区推广。