基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統初探

葉新穎

（福建林業職業技術學院 福建南平 353000）

基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統初探

葉新穎

（福建林業職業技術學院 福建南平 353000）

隨著科學技術的不斷發展進步，太陽能及其相關產業成為世界發展最快的行業之一。基于太陽能光伏發電成為近幾十年來世界研究的重點科研項目之一。光伏發電技術越來越成熟，并且也在逐漸的運用于現實生活中，隨著現在電力電子技術的發展和控制理論的進一步完善，基于太陽能光伏發電技術也有了巨大的變化，已經轉向并網發電，使得基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統項目研究成為可能。

城市建筑；屋頂；光伏發電；并網；可調式

1 概述

能源是人類賴以生存與發展所需的重要資源，同時也是人們參與社會文化活動和經濟發展的重要保障。隨著全球經濟一體化進程的加速，各國社會經濟的不斷發展以及工農業改革的加速，地球上的可用的不可再生能源也越來越少；人類社會經濟快速發展的同時也帶來環境污染逐漸加深，譬如酸雨的出現，霧霾的加劇、PH值升高、冰川融化、海平面上升、地下水嚴重污染等等，人類生存空間因此嚴重受到威脅，能源短缺與環境污染已經成為了阻礙全球當前人類社會發展進步的主要因素，開發可再生無污染的新型能源與補充日漸稀少的不可再生能源已經刻不容緩。太陽能資源是一種可再生無污染的綠色能源，具有存儲容量的無限性、利用高效的清潔性、廣闊存在的普遍性及逐漸顯現的經濟性等優勢，它的開發利用將是人類解決水污染、環境污染及能源匱乏枯竭等問題的最有效途徑。隨著我國工業快速發展及城鎮化建設進程加劇，對于原本就存在能源短缺匱乏的城市又是一個巨大的挑戰，水與電表現得最為明顯，從“南水北調”及“西電東送”等大型國家工程就可以看出水與電等能源嚴重短缺問題，隨著科學技術的不斷發展進步，太陽能及其相關產業成為世界發展最快的行業之一。基于太陽能光伏發電成為近幾十年來世界研究的重點科研項目之一。光伏發電技術越來越成熟，并且也在逐漸的運用于現實生活中，隨著現在電力電子技術的發展和控制理論的進一步完善，基于太陽能光伏發電技術也有了巨大的變化，已經轉向并網可調式發電，由于城市土地資源有限，可以有效利用城市建筑屋頂資源，這使得基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統項目研究成為可能。

2 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統

經過幾十年的建設特別是改革開放30余年高速工業化進程，我國成為名副其實的工業大國，也是能源消費大國。隨著我國經濟的快速發展，中國已成為世界第二大經濟體，經濟的高速增長帶動了工業的快速擴張，工業快速擴張加快推進了我國城鎮化建設進程，導致越來越多的人從農村涌向城市，大量的務工人員及工廠便在城市應運而生，進一步加劇城市的資源包括土地、水等方面有限資源的緊張。與此同時，用電量的增長速度明顯加快，對于城市電網特別是特定時期供電的能力、供電的質量、供電的可靠性提出更高的要求，并且構成電力電網用電極度困難，這也是在考驗城市的供電水平。

因此，針對城市工業、生活用電緊張、企業產熱過量排放到大氣中及城市土地資源有限等不利因素，可以有效利用城市建筑屋頂資源，探析基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統。

2.1 光伏發電的工作原理

當太陽光照射在半導體表面上使其產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。太陽能光伏發電的原理是基于半導體的光生伏特效應將太陽光輻射能直接轉換為電能。當太陽光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收時，具有足夠能量的光子能夠在P型區和N型區中將電子從共價鍵中激發，以致產生電子—空穴對，在PN結的內建電場作用下，電子—空穴對相向運動，空穴向帶負電的P型區運動，電子向帶正電的N型區運動。通過界面層的電荷分離后相向運動，將會在P型區和N型區之間產生一個向外的可測試的電動勢，當外部接通電路時，在該電動勢的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。太陽光照在界面層產生的電子—空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即光電池面積越大，在太陽能光電池中形成的電流也會越大。最后建立一個與光照強度、受光照面積有關的電動勢。

2.2 太陽能光伏發電系統的類型

太陽能光伏發電系統按大類可分為獨立（離網）光伏發電系統和并網光伏發電系統兩大類。

圖1是獨立型太陽能光伏發電系統的工作原理示意圖，具體工作原理：在太陽光的照射下，太陽電池組件方陣產生的直流電流通過控制器一部分傳送到逆變器轉化為交流電供交流負載使用，一部分對蓄電池進行充電；當太陽光不足時，蓄電池通過控制器系統向逆變器送電，經逆變器轉化為交流電供交流負載使用。或是直流負載，可通過控制器系統控制直接使用。

圖2是并網型太陽能光伏發電系統的工作原理示意圖。具體工作原理：在太陽光的照射下，太陽電池組件方陣產生的直流電流通過直流配電箱進入并網逆變器，經過并網逆變器輸出的交流電供負載使用，多余的電能可通過電力變壓器等設備逆流匯入公共電網，當并網系統由于氣候原因無法提供充足的電量時，可從公共電網向交流負載輸電。

圖1 獨立型太陽能光伏發電系統的工作原理示意圖

常用的光伏發電并網系統可以按照系統功能分為兩類：一種為不含蓄電池環節的“不可調度式光伏并網發電系統”，另一種為含有蓄電池組的“可調度式光伏并網發電系統”。在不可調度是系統中，并網逆變器將太陽電池板的直流電直接轉換為與公共電網同頻率、同電壓的交流電，在太陽光照充足的情況下，當太陽能電池板產生的電能多于負載所需的電能時，多余的電能會被輸送到公共電網；在夜間或太陽光照不充裕的情況下，公共電網就會自動向負載輸電。但是，當公共電網斷電時，負載就無法工作了。在可調度式系統中，由于在并網逆變器中有重要的開關可以使系統具備不間斷電源的性質，比不可調度式系統在保護性能方面改善了許多。系統不僅僅將直流電變換成交流電輸送給電網，而且還經過DC/DC變換給蓄電池充電。使其具備不斷電的功能，確保負載正常工作。

圖2 并網型太陽能光伏發電系統的工作原理示意圖

可調度式光伏并網發電系統與不可調度式光伏并網發電系統主要區別是它帶有蓄電池儲能裝置，主動性較強，當電網出現停電、限電、故障或因氣候條件影響導致發電量不足時，就可以獨立運行并正常向負載供電。因此，它可以實現不間斷供電、作為電網終端的有源功率調節器、抵消有害的高次諧波分量、提高電能質量、實現對公共電網峰谷調節，加強供電系統的穩定性和可靠性、有助于改善電網的運行質量。

2.3 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統

2.3.1 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的概念

基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統實際就是將太陽能光伏發電系統與城市建筑屋頂有機結合成一個整體結構，使安裝在城市建筑屋頂的太陽能光伏組件方陣板塊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，并可以根據負載實際情況適時適度控制和調整市電供電量的一種供電模式。

2.3.2 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的工作原理

圖3是城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的工作原理示意圖。具體工作原理：將太陽電池組件方陣板塊安裝在城市建筑屋頂上，在太陽光的照射下，基于建筑屋頂的太陽電池組件方陣產生的直流電流通過直流配電箱進入并網逆變器，并網逆變器由充放電控制、功率調節、交流逆變、并網保護切換等部分構成，經過并網逆變器輸出的交流電供負載使用，多余的電能可通過電力變壓器等設備逆流匯入交流公共電網，當并網系統由于氣候原因無法提供充足的電量時，可從交流公共電網向交流負載輸電。系統還配備有監控、測試及顯示系統，用于對整個系統工作狀態的監控、檢測及發電量等各種數據的統計；也可以利用計算機網絡系統遠程傳輸控制和顯示數據，用于隨時調度光伏發電并網可調式系統，使其不間斷供電，確保負載設備正常工作。

2.3.3 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的結構組成

太陽能光伏發電并網可調式系統基于光生伏特效應把太陽能轉換為電能提供給負載或輸送到公共電網的一種可以調度的新型發電系統。它通常由太陽能電池組件（或方陣）、控制器、并網逆變器、蓄電池、光伏發電系統附屬設施等部分組成。

（1）太陽能電池組件

它是太陽能光伏發電的最基本元件，主要作用是將照射在太陽能電池方陣的太陽能轉化為電能，并送往蓄電池中存儲起來以備負載之用，也是太陽能光伏發電系統的核心部分。

（2）控制器

它對蓄電池的充、放電條件加以規定和控制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統的核心控制部分，其功能主要有防止蓄電池過充電保護、過放電保護、系統短路電子保護、系統極性反接保護、夜間防反充保護等。同時，它還具備在溫差較大的地方起到溫度補償的作用。

（3）并網逆變器

它是一種電源轉換裝置，具有充放電控制、功率調節、交流逆變、并網保護切換等功能。可以將蓄電池存儲的直流電能轉換為供負載使用的交流電。

（4）蓄電池

它是太陽能光伏發電系統的儲能部件，主要作用是將太陽電池組件產生的電能儲存起來，并可隨時向負載供電，保證供電不間斷。

（5）光伏發電系統附屬設施

它包括直流配電系統、交流配電系統、運行監控和檢測系統、防雷和接地系統等。

2.3.4 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的應用

城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統是城市應用太陽能光伏發電的一種新形式。主要用于一般住宅、重要及應急負載；光伏建筑一體化、自然災難避難所、高層建筑應急照明等領域。可以有效防止城市供電系統大面積停電，提高供電系統的安全性和可靠性，并增強公共電網的調節能力，對電力系統乃至國家能源安全都具有重大的現實意義。

圖3 城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統的工作原理示意圖

3 基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統應用的實際意義

城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統應用就是將太陽能光伏發電系統與城市建筑屋頂有機地結合成一個整體結構，是城市應用太陽能光伏發電的一種新形式，這不但可以同建筑物友好結合，具有隔熱擋雨的功能，同時又能實現光伏發電，產生電能供本建筑及周圍用電負載使用，還可以通過建筑物輸電線路并網發電，向公共電網提供電能。

（1）城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統不僅無需額外占用土地，可以直接將太陽能電池板安裝在城市已有建筑的屋頂上，這對于土地昂貴的城市尤其重要，可以提高土地利用率；對電網也可以起到調峰作用，特別是夏天是用電高峰的季節，也正好是日照量最大、光伏系統發電量最多的時期，光伏陣列不僅吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，而且可以起到建筑節能減排作用，反過來影響用電量，致使其節約用電。這對于存在著水、電、土地等能源短缺的城市來說，太陽能資源是安全可靠且可貴的能源，如果能夠充分利用城市的太陽能進行光伏發電，這有利于吸收城市多余的熱量，降低室外綜合溫度，減少墻體得熱和室內空調冷負荷，有利于提高城市的能量利用效率，對城市建筑節能減排、改善人們的生活環境具有深遠的意義。

（2）基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統可以向公共電網逆流供電，其“晝發夜用”的發電特性正好可以對公共電網實行谷峰調節，多余或者不足的電力可以通過公共電網調節，多余時可以向公共電網輸電，不足時可以由公共電網供電。特定時期可以有效補充公共電網的供電量，提高其供電水平與能力，加強其供電的穩定性和可靠性，改善了電網的運行質量。

（3）基于城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統屬于分散式小型并網光伏發電系統，由于不僅具有投資小、建設快、占地面積小等優點，而且它比大型的光伏發電站更靈活、更利于普及、更利于能源安全，是光伏并網發電的未來發展趨勢。

由于太陽能光伏方陣與城市建筑物有機結合，不僅不占用額外的地面空間，還有效節約城市的能量資源，而且使城市建筑發展成具有獨立電源、自我循環式的新型節能減排建筑，更提高公共電網的穩定性與可靠性。是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，也是人類進步和社會、科技發展的必然，因此備受關注。

4 結束語

為了適應城市的建設發展，城市電網應充分利用綠色可再生能源且儲量豐富的太陽能資源。經過近三十年的研究、開發和試驗，中國在太陽能等新能源和可再生能源的開發利用方面取得了顯著進展，技術水平也有了較大提高，相關產業也有了初步規模。基于城市建筑屋頂光伏發電是一種非常有潛力、有價值、有方向的發電技術，光伏發電不僅能有效解決能源匱乏、土地緊張等問題，而且對改善人類的生存環境具有深遠的意義，是一項造福于人類的事情。由于城市建筑屋頂太陽能光伏發電系統具有高效、經濟、環保等諸多優點，相信隨著新能源的不斷發展和城市節能減排、綠色環保需求的日益增加，基于城市建筑屋頂太陽能光伏發電越來越成為太陽能應用發電的新潮流。

[1] 胡富靜.基于光伏發電支撐的農村供電系統研究[D].鄭州.華北水利水電大學.2013.

[2] 汪兆財.間歇式可再生能源發電系統控制策略及應用研究[D].鄭州. 鄭州大學.2012.

[3] 任新兵.太陽能光伏發電工程技術[M].北京.化學工業出版社.2012.

[4] 閏士職.基于太陽能光伏發電并網系統的研究[D].成都.西南交通大學.2009.

Preliminary study on adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of city architecture

YE Xinying
(Fujian Forestry Vocational and Technical College Nanping 353000)

With the continuous development and progress of science and technology, solar energy and the related industries have become one of the world's fastest growing industries. Because solar energy photovoltaic power generation has become one of the key research projects in the world in recent decades, photovoltaic power generation technology is more and more mature, and gradually is applied in real life. With the further improvement of the development of modern power electronics technology and control theory, the photovoltaic power generation technology based on solar also has changed to the power grid, so that it is possible to make research on the adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of City Architecture.

City architecture; Roof; Photovoltaic power generation; Grid-connected; Adjustable

2015年福建省中青年教師教育科研項目“城市建筑屋頂光伏發電并網可調式系統研究與應用”（編號JA15709，閩教科[2015]62號）