BIPV 太陽能光伏發電系統的研究及應用

王秀文 鄒振興

（1.順特電氣設備有限公司 廣東 佛山 528300；2.廣東職業技術學院 廣東 佛山 528041）

0 引言

隨著社會發展，能源和環境問題日益受到關注。 作為新能源和可再生能源的重要組成部分，太陽能光伏發電被認為是世界上最有發展前景的新能源技術之一。 在過去的5 年時間里，光伏市場發展迅速，是能源技術領域發展速度最快的行業，平均增長率為35%。 預計到21 世紀中葉將占世界發電總量的20%左右，成為人類的基礎能源之一。

太陽能光伏發電是未來發展的重點，深圳屬于太陽能資源較豐富區，具有太陽能光伏開發利用的巨大潛力。 使用高效、經濟、合理的光伏與建筑一體化(BIPV)方案，在深圳北站應用光伏發電系統，建設綠色鐵路，節約資源，提高了資源利用率，且對指導鐵路大型站房設計、實施乃至運營有著重要的參考價值和指導意義。

1 系統原理及設計方案

1）光伏發電系統的組成

太陽能發電系統主要包括：太陽能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。 其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。

2）發電系統分類

圖1 獨立光伏發電系統

太陽能光伏發電系統從大類上可分為獨立(離網)光伏發電系統和并網光伏發電系統兩大類。 即并網光伏電站及獨立光伏發電系統。

獨立光伏發電系統由太陽電池組件、控制器、蓄電池、逆變器組成。 如圖1 所示。

獨立光伏發電系統一般應用于小型用電系統中，如在路燈燈桿頂部安裝太陽能板，獨立為照明系統供電。

并網光伏電站系統由太陽電池組件。 并網逆變器等組成。 通常還包括數據采集系統、數據交換、參數顯示和監控設備等。 太陽能方陣所發出的直流電經過并網逆變器轉變成與電網相匹配的交流電再輸送到電網中。 如下圖2 所示：

圖2 并網光伏發電系統

并網系統最大的特點就是太陽電池組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網， 并網系統中光伏方陣產生的電力除了供給本地交流負載之外，多余的電力可以反饋給公共電網。 這種系統可以充分利用光伏方陣所發的電力，不使用蓄電池，減小了能量的損耗，降低了系統成本；能夠并行使用市電和太陽電池組件陣列作為本地交流負載的電源， 降低了整個系統的負載缺電率；可以對本地的公用電網起到調峰作用。目前功率容量較大的光伏發電系統都采用的是并網光伏系統，大量的BIPV 的光伏發電系統也都是采用的并網光伏系統。

通過比較上述兩種光伏發電系統工作方式和性能，可以看出并網光伏發電系統是成本最低，維護最方便，污染最小的工作方式。 因此新深圳火車站采用并網光伏系統，一方面是能夠降低初始投資，二是減少太陽能光伏系統的維護費用及維護工作量，并且提高光伏供電系統整體的穩定性和可靠性。

3）深圳北站項目

深圳北站項目屋面頂部面積較大，約85000 平方米，采用單晶硅電池組件通過支架安裝方案， 光伏采光屋頂代替傳統的普通建筑玻璃屋頂，使建筑物的外觀協調美觀。光伏系統采用高效單晶硅電池片， 具有獨具一格的建筑效應和環保效益，該系統的總功率為336kW，年發電量約37.6 萬度。

“光伏屋頂”嚴格根據深圳本地的氣象資料，在系統的方案設計中充分考慮了整個光伏系統的自重荷載、 抗風壓能力、系統的發電效率等綜合因素，采用專業光伏系統設計和模擬分析軟件， 對太陽能光伏低壓并網系統作了詳盡的設計。 并根據光伏組件在屋面上的安裝方式，考慮兩側的鋁單板凸起的部分區域將會對電池組件造成遮擋進行了陰影計算。

整個光伏采光頂發電系統由840 塊180Wp 和840 塊220Wp 單晶硅太陽能電池組件以及2 臺并網逆變器構成。 整個光伏系統由2 個子方陣構成，每個子方陣配備1 臺大型并網逆變器，同時由一套數據采集監控系統完成對整個采光頂并網發電系統的數據采集與監控。

此光伏采光頂并網光伏系統所發的電供大樓部分電氣設備使用，不夠的部分由電網補充。 并網光伏供電系統由光伏組件陣列、并網逆變器、電纜和匯線盒、監控器等設備組成。 系統與市電并網，光伏系統產生的電能直接輸入到電網內，供負載使用，不足的部分由電網補充。

光伏組件作為發電設備安裝在大樓頂棚采光頂位置，它固定在頂棚骨梁結構上，并與其他屋面玻璃有機地結合在一起。 效果圖如下圖3：

圖3 光伏采光頂實物參考

2 太陽能電池組件的比選

根據太陽能電池所用材料，一般可將其分為硅系太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型電池和納米晶化學太陽能電池四大類。 由于硅系太陽能電池對比其他的電池具有效率較高，技術成熟，且原料不含毒,壽命長等優點， 目前硅系太陽能電池占有絕大部分市場份額。而硅系太陽能電池可分為單晶硅電池，多晶硅電池，非晶硅薄膜電池，柔性非晶硅薄膜電池，而單晶硅電池對比其他電池具有技術成熟，效率高，對環境無污染，壽命長等優點，因此，針對新深圳站屋面布置方案，我們提出了采用晶體硅電池方案。

3 光伏系統對電網的影響

1）現有并網光伏技術能夠保證良好的供電質量

經過二十多年的發展， 光伏并網供電技術已經相當成熟。 目前，并網光伏發電的核心設備——并網光伏逆變器的交流輸出質量已經能夠滿足甚至超過國家標準對公用電網電能質量的要求。 系統所發出的電力一般為低壓并網，通過低壓配電保護、10kKV/380V 變壓器隔離、高壓配電保護等三級保護，以及系統內關鍵設備并網逆變器的過電壓、欠電壓、過頻率、欠頻率、防孤島效應及雷擊等保護措施，保證系統不會對外電網造成任何沖擊。 新深圳站太陽能發電光伏發電項目加裝逆功率保護裝置， 該裝置已經在奧運項目中多次使用。 逆功率保護裝置能夠實現太陽能所發的電全部在站房內部負載即時消耗，如果出現內部負載功率瞬時小于太陽能光伏系統的功率，會逐級切斷太陽能發電系統，防止太陽能發電系統產生的電能返送至外電網。

2）光伏系統容量與電網容量安全

考慮到新深圳站的實際情況，屋頂安裝的光伏約為300～336kWp 左右， 而新深圳站的變壓器最小的容量也大于800kVA，其功率容量之比約0.4，遠小于變壓器正常運行時的最低負載率，所以，新深圳站太陽能并網光伏系統是安全可靠的。

4 項目產生的效益

光伏系統維護成本非常少，加上國家實行對太陽能光電建筑項目的補貼， 因此新深圳火車站將產生巨大的經濟效益，此外可以產生明顯的社會效益，太陽能發電對比石油、煤炭等發電將減少大量的二氧化硫、氮氧化物等有害氣體和二氧化碳等溫室氣體，是干凈環保的發電模式。

5 結語

長期以來，我國一直以煤炭發電為主，由于多年來無止境的開采， 我國煤炭儲量已經不能支持我國電力的發展，加之使用化石能源帶來了空氣污染， 水污染等環境的問題，中國正在以歷史上最脆弱的生態系統，承受著歷史上最多人口和最強的發展壓力，作為能源消費大國，提高能源效率和發展新能源與再生能源已是燃眉之急。 光伏發電用完美演繹了能源供應和環境保護的雙重使命，體現了人與自然相互依存，和諧發展的理念，將太陽能光伏發電應用于深圳，推動深圳市可再生能源的發展，為環境保護做出的巨大示范作用。 為深圳市構建和諧社會，走可持續發展的道路做出矚目的貢獻。

［1］袁立強,等.太陽能光伏并網發電及照明系統[M].北京：科學出版社，2009（11）.

［2］李傳統.新能源與可再生能源利用技術[M].南京：東南大學出版社,2005（09）.

［3］沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化學工業出版社,2005（09）.

［4］[日]太陽光發電協會.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社,2006（04）

［5］周志敏，紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社,2010（07）

［6］李春來，等.并網太陽能光伏發電系統[M].北京：水利水電出版社,2011（12）.