BIPV 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

王秀文 鄒振興

（1.順特電氣設(shè)備有限公司 廣東 佛山 528300；2.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528041）

0 引言

隨著社會發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益受到關(guān)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(fā)電被認為是世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。 在過去的5 年時間里，光伏市場發(fā)展迅速，是能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展速度最快的行業(yè)，平均增長率為35%。 預(yù)計到21 世紀(jì)中葉將占世界發(fā)電總量的20%左右，成為人類的基礎(chǔ)能源之一。

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

1 系統(tǒng)原理及設(shè)計方案

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。

2）發(fā)電系統(tǒng)分類

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)從大類上可分為獨立(離網(wǎng))光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類。 即并網(wǎng)光伏電站及獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型用電系統(tǒng)中，如在路燈燈桿頂部安裝太陽能板，獨立為照明系統(tǒng)供電。

并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)由太陽電池組件。 并網(wǎng)逆變器等組成。 通常還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換、參數(shù)顯示和監(jiān)控設(shè)備等。 太陽能方陣所發(fā)出的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相匹配的交流電再輸送到電網(wǎng)中。 如下圖2 所示：

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)最大的特點就是太陽電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)， 并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣產(chǎn)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(wǎng)。 這種系統(tǒng)可以充分利用光伏方陣所發(fā)的電力，不使用蓄電池，減小了能量的損耗，降低了系統(tǒng)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(tǒng)的負載缺電率；可以對本地的公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。目前功率容量較大的光伏發(fā)電系統(tǒng)都采用的是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，大量的BIPV 的光伏發(fā)電系統(tǒng)也都是采用的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

通過比較上述兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)工作方式和性能，可以看出并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)光伏系統(tǒng)，一方面是能夠降低初始投資，二是減少太陽能光伏系統(tǒng)的維護費用及維護工作量，并且提高光伏供電系統(tǒng)整體的穩(wěn)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?zhèn)鹘y(tǒng)的普通建筑玻璃屋頂，使建筑物的外觀協(xié)調(diào)美觀。光伏系統(tǒng)采用高效單晶硅電池片， 具有獨具一格的建筑效應(yīng)和環(huán)保效益，該系統(tǒng)的總功率為336kW，年發(fā)電量約37.6 萬度。

“光伏屋頂”嚴(yán)格根據(jù)深圳本地的氣象資料，在系統(tǒng)的方案設(shè)計中充分考慮了整個光伏系統(tǒng)的自重荷載、 抗風(fēng)壓能力、系統(tǒng)的發(fā)電效率等綜合因素，采用專業(yè)光伏系統(tǒng)設(shè)計和模擬分析軟件， 對太陽能光伏低壓并網(wǎng)系統(tǒng)作了詳盡的設(shè)計。 并根據(jù)光伏組件在屋面上的安裝方式，考慮兩側(cè)的鋁單板凸起的部分區(qū)域?qū)﹄姵亟M件造成遮擋進行了陰影計算。

整個光伏采光頂發(fā)電系統(tǒng)由840 塊180Wp 和840 塊220Wp 單晶硅太陽能電池組件以及2 臺并網(wǎng)逆變器構(gòu)成。 整個光伏系統(tǒng)由2 個子方陣構(gòu)成，每個子方陣配備1 臺大型并網(wǎng)逆變器，同時由一套數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)完成對整個采光頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

此光伏采光頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)所發(fā)的電供大樓部分電氣設(shè)備使用，不夠的部分由電網(wǎng)補充。 并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)由光伏組件陣列、并網(wǎng)逆變器、電纜和匯線盒、監(jiān)控器等設(shè)備組成。 系統(tǒng)與市電并網(wǎng)，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能直接輸入到電網(wǎng)內(nèi)，供負載使用，不足的部分由電網(wǎng)補充。

光伏組件作為發(fā)電設(shè)備安裝在大樓頂棚采光頂位置，它固定在頂棚骨梁結(jié)構(gòu)上，并與其他屋面玻璃有機地結(jié)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(jù)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(xué)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(shù)成熟，且原料不含毒,壽命長等優(yōu)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(shù)成熟，效率高，對環(huán)境無污染，壽命長等優(yōu)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(tǒng)對電網(wǎng)的影響

1）現(xiàn)有并網(wǎng)光伏技術(shù)能夠保證良好的供電質(zhì)量

經(jīng)過二十多年的發(fā)展， 光伏并網(wǎng)供電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。 目前，并網(wǎng)光伏發(fā)電的核心設(shè)備——并網(wǎng)光伏逆變器的交流輸出質(zhì)量已經(jīng)能夠滿足甚至超過國家標(biāo)準(zhǔn)對公用電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。 系統(tǒng)所發(fā)出的電力一般為低壓并網(wǎng)，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(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備并網(wǎng)逆變器的過電壓、欠電壓、過頻率、欠頻率、防孤島效應(yīng)及雷擊等保護措施，保證系統(tǒng)不會對外電網(wǎng)造成任何沖擊。 新深圳站太陽能發(fā)電光伏發(fā)電項目加裝逆功率保護裝置， 該裝置已經(jīng)在奧運項目中多次使用。 逆功率保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能所發(fā)的電全部在站房內(nèi)部負載即時消耗，如果出現(xiàn)內(nèi)部負載功率瞬時小于太陽能光伏系統(tǒng)的功率，會逐級切斷太陽能發(fā)電系統(tǒng)，防止太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能返送至外電網(wǎng)。

2）光伏系統(tǒng)容量與電網(wǎng)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(wǎng)光伏系統(tǒng)是安全可靠的。

4 項目產(chǎn)生的效益

光伏系統(tǒng)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，此外可以產(chǎn)生明顯的社會效益，太陽能發(fā)電對比石油、煤炭等發(fā)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(huán)保的發(fā)電模式。

5 結(jié)語

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

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