太阳能光伏发电与氢燃料电池结合应用项目建议书
太阳能光伏发电与氢燃料电池结合
应用项目建议书
目 录
一、潍坊基本概况 ...................................... 3
二、太阳能光伏发电基本原理及应用领域 .................. 5
三、光伏建筑一体化(BIPV) .............................. 5
四、氢燃料电池 ....................................... 10
五、工程项目的主要特色、创新点 ....................... 19
六、100MW不同类型的太阳能发电系统的投资成本比较错误！未定义书签。
七、发电量分析 ....................................... 21
八、占地面积估算 ..................... 错误！未定义书签。
九、经济效益分析 ..................................... 21
一、潍坊基本概况
1、概况
潍坊市高新区（滨海）特色产业园，资源丰富，发展空间大。交通便利，紧邻荣乌高速、新海公路、大莱龙铁路。本项目主要依托工业园用电量比较大的行业的工业厂房，企业类型以民营工业企业为主。
2、太阳能资源状况
潍坊处在北温带季风区，背陆面海，气候属暖温带季风型半湿润大陆型。其特点为：冬冷夏热，四季分明；春季风多雨少；夏季炎热多雨，温高湿大；秋季天高气爽，晚秋多干旱；冬季干冷，寒风频吹。年平均气温12.3℃，年平均降水量在650毫米左右。潍坊地区水平面年平均日照辐射量3.50kWh/m2/d，全年日照辐射总量约1277.5kWh/m2，即4599MJ/m2。折合标准日照条件（1000W/ m2）下全年日照峰值小时数为1277.5小时。
项目所在地多年平均太阳辐射量4599MJ/m²，属我国第三类太阳能资源区域，具备建设太阳能光伏电站的日照条件。
3、 场址太阳能资源条件分析
市域处北温带季风区，背陆面海，气候属暖温带大陆性季风气候。其特点为：冬冷夏热，四季分明；春季风多雨少，易发生春旱；夏季炎热多雨，温高湿大；秋季天高气爽，晚秋多干旱；冬季干冷，寒风频吹。年平均气温12.3℃，年平均降水量在650毫米左右。全年日照辐照量为4.25*365*3.6=5584.5MJ位于太阳能总辐射量三类地区，
接近于二类地区。（二类地区是：在每平方米面积上一年接收的太阳能辐射总量为5852~6680MJ，三类地区是：每平方米面积上一年接收的太阳能辐射总量为5016~5852MJ）。由此可见太阳能日照资源非常丰富。
4、场址气候条件分析
潍坊年降雨为650毫米左右。潍坊市的气候属于北温带季风气候，四季分明，各季长短和气候差异较大，降水的时空分布和变差大，无霜期长，冬、夏季长，而春、秋季略短。
(1)环境温度条件分析
本工程选用逆变器的工作环境温度范围为－20℃～＋50℃，选用电池组件的工作温度范围为一40℃～85℃。正常情况下，太阳电池组件的实际工作温度可保持在环境温度加30℃的水平。
根据NASA卫星多年实测气象资料，本工程场区的多年平均气温12.3℃，多年极端最高气温43℃，多年极端最低气温一16.9℃。
因此，按本工程场区极端气温数据校核，本项目太阳电池组件的工作温度可控制在允许范围内。本项目逆变器布置在室内，其工作温度也可控制在允许范围内。故场址区气温条件对太阳能电池组件及逆变器的安全性没有影响。
(2)风速影响
本工程场址平坦四周无遮挡，厂址区多年平均风速为2.41m／s，最大风速19.8m／s，太阳能电池组件迎风面积比较大，组件支架设
计必须考虑风荷载的影响。并以太阳电池组件支架及基础等的抗风能力在19.8m／s风速下不损坏为基本原则。
二、太阳能光伏发电基本原理及应用领域
通过太阳能电池方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏电站。太阳能光伏电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站。未与公共电网相联接独立供电的太阳能光伏电站称为离网光伏电站。主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统由太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成。
三、光伏建筑一体化(BIPV)
1、概括介绍
光伏建筑一体化(BIPV)提出了“建筑物产生能源”的新概念，即建筑物与光伏发电的集成化，在建筑物的外围护结构表面上布设光
伏阵列产生电力。特别是光伏建筑一体化的并网屋顶太阳能光伏发电是众多国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔。
BIPV即Building Integrated PV是光伏建筑一体化。PV即Photovoltaic。BIPV技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑—体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV：Building Attached PV)的形式。 现代化社会中，人们对舒适的建筑热环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30%—40%，对经济发展形成了一定的制约作用。
基于本项目太阳能电站有较高的发电效能和零排放的环境效益，可以大大缓解目前山东省污染的局面，同时，又可以充分利用山东省充足的阳光资源，将当地的阳光转换成电能后利用已建成的输送电网将电能输送出去，加快当地经济建设的步伐，同时可带动我国幅员辽阔的山东地区太阳能电站事业进一步发展。
2、 BIPV特点
2.1 BIPV建筑光伏的多样形式
可以说BIPV适合大多数建筑，如平屋顶、斜屋顶、幕墙、天棚等等形式都可以安装。
平屋顶，从发电角度看，平屋顶经济性是最好的：1、可以按照最佳角度安装，获得最大发电量；2、可以采用标准光伏组件，具有最佳性能；3、与建筑物功能不发生冲突。4、光伏发电成本最低,从发电经济性考虑是的最佳选择。
斜屋顶，南向斜屋顶具有较好经济性：1、可以按照最佳角度或接近最佳角度安装，因此可以获得最大或者较大发电量；2、可以采用标准光伏组件，性能好、成本低；3、与建筑物功能不发生冲突。4、光伏发电成本最低或者较低，是光伏系统优选安装方案之一。其它方向（偏正南）次之。
光伏幕墙，光伏幕墙要符合BIPV要求：除发电功能外，要满足幕墙所有功能要求：包括外部维护、透明度、力学、美学、安全等，组件成本高，光伏性能偏低；要与建筑物同时设计、同时施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约；光伏阵列偏离最佳安装角度，输出功率偏低；发电成本高；为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。
光伏天棚，光伏天棚要求透明组件，组件效率较低；除发电和透明外，天棚构件要满足一定的力学、美学、结构连接等建筑方面要求，组件成本高；发电成本高；为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。
2.2 光伏建筑一体化(BIPV)主要的安装形式
光伏建筑一体化(BIPV)主要的安装形式
遮阳
平屋顶
坡屋顶
2.3 优势
（1）建筑美学
BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，其成功与否关键一点就是建筑物的外观效果。在BIPV建筑中，我们可通过相关设计将接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中。这样既可防阳光直射和雨水侵蚀，又不会影响建筑物的外观效果，达到与建筑物的完美结合，实现建筑大师们的构想。
（2）建筑采光
对建筑物来说光线就是灵魂，其对光影的要求甚高。BIPV建筑是采用光面超白钢化玻璃制作的双面玻璃组件，能够通过调整电池片的排布或采用穿孔硅电池片来达到特定的透光率，即使是在大楼的观光处也能满足光线通透的要求。当然，光伏组件透光率越大，电池片的排布就越稀，其发电功率也会越小。
（3）安全性能
BIPV组件不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有比普通组件更高
的力学性能和采用不同的结构方式。在不同的地点，不同的楼层高度，不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。
BIPV建筑中使用的双玻璃光伏组件是由两片钢化玻璃，中间用PVB胶片复合太阳能电池片组成复合层，电池片之间由导线串、并联汇集引线端的整体构件。钢化玻璃的厚度是按照国家建筑规范和幕墙规范，通过严格的力学计算得出的结果。而组件中间的PVB胶片有良好的粘结性、韧性和弹性，具有吸收冲击的作用，可防止冲击物穿透，即使玻璃破损，碎片也会牢牢粘附在PVB胶片上，不会脱落四散伤人，从而使产生的伤害可能减少到最低程度，提高建筑物的安全性能。
（4）安装方便
BIPV建筑是光伏组件与玻璃幕墙的紧密结合。幕墙在我国发展三十年以来，各种幕墙形式都具有了比较成熟的设计和安装技术。构件式幕墙施工手段灵活，主体结构适应能力强，工艺成熟，是目前采用最多的结构形式。单元式幕墙在工厂内加工制作，易实现工业化生产，降低人工费用，控制单元质量，从而缩短施工周期，为业主带来较大的经济效益。双层通风幕墙系统具有通风换气，隔热隔声，节能环保等优点，并能够改善了BIPV组件的散热情况，降低了电池片温度，减少了组件的效率损失，降低热量向室内的传递。BIPV建筑简单来说，就是用BIPV光伏组件取代普通钢化玻璃，其结构形式基本上同传统玻璃幕墙能够相通。这就使得BIPV光伏组件的安装具有深厚的技术基础和优势，完全能够达到安装方便的要求。
（5）寿命长
普通光伏组件封装用的胶一般为EVA。由于EVA的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命而且EVA发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量。而PVB膜具有透明、耐热、耐寒、耐湿，机械强度高等特性，并已经成熟应用于建筑用夹层玻璃的制作。国内玻璃幕墙规范也明确提出“应用PVB”的规定。BIPV光伏组件采用PVB代替EVA制作能达到更长的使用寿命。
此外，在BIPV系统中，选用光伏专用电线(双层交联聚乙烯浸锡铜线)，选用偏大的电线直径，以及选用性能优异的连接器等设备，都能延长BIPV光伏系统的使用寿命。
（6）绿色环保
BIPV建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏系统的支撑结构;太阳能硅电池是固态半导体器件，发电时无转动部件，无噪声，对环境不会造成污染;BIPV建筑可自发自用，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和分电的投资和维修成本。而且日照强时恰好是用电高峰期，BIPV系统除可以保证自身建筑内用电外，在一定条件下还可能向电网供电，舒缓了高峰电力需求，具有极大的社会效益;还能杜绝由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今天和未来极为重要。
四、氢燃料电池
1、氢燃料的组成
氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
2、存在优势
（1）无噪声
燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
（2）高效率
燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。
3、应用领域
20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就
工作示意图[1]
安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。
大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同，电网有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷，这就会导致停电或电压不稳。另外，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。
氢的化学特性活跃，它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后，形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解，并把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。
随着制氢技术的发展，氢燃料电池离我们的生活越来越近。到那时，氢气将像煤气一样通过管道被送入千家万户，每个用户则采用金属氢化物的贮罐将氢气贮存起来，然后连接氢燃料电池，再接通各种用电设备。它将为人们创造舒适的生活环境，减轻繁重的生活事务。但愿这种清洁方便的新型能源－－氢燃料电池早日在人们日常生活中。
PEMFC即 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel
cell）的英文缩写。PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
两电极的反应分别为：
阳极(负极）：2H2-4e=4H+
阴极（正极）：O2+4e+4H+=2H2O
注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一PEMFC单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个PEMFC单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的PEMFC电堆。
PEMFC - PEMFC构成
PEMFC电堆由多个PEMFC 单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件（MEA）交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成PEMFC电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便H2和O2能顺利通达每一单电池。电堆工作时，H2和O2分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过