綠色建筑中光伏發電系統的設計

摘 要：文章針對綠色建筑內光伏發電系統的設計，歸納了光伏發電系統的設計流程，總結了光伏組件、逆變器、匯流箱的選型和安裝要求，闡述了獨立運行和并網運行系統方案在設計階段的區別，提出了有效的系統運行方案。從經濟運行角度計算了光伏系統運行過程中的收益。通過實際應用的案例，介紹設計方案、設備選型和系統接線，量化分析收益和設計成果。

關鍵詞：建筑光伏發電；并網發電；經濟效益估算；綠色建筑；分布式能源

引言

隨著國家大力推進節能減排戰略，綠色建筑的概念日益被人們接受。我國到2020年，綠色建筑占新建建筑比重將超過30%。在綠色建筑評價體系中，對太陽能的利用是重要的一部分。太陽能光伏發電技術目前較為成熟，市場上應用廣泛，市場運營模式健全，經濟效益可觀，而且國家大力扶持，有一系列補貼政策。所以太陽能是目前利用最廣泛的可再生能源，我國太陽能資源豐富，發展潛力巨大。建筑光伏發電較集中式光伏電站，對土地資源的要求更低，且電能可以就地消納，無需長距離傳送，避免了電能的損耗，同時對公共電網的沖擊也較小。建筑屋頂可利用面積大，增長潛力巨大，是可再生能源發展利用的重要方向。

綠色建筑的光伏系統在設計應用時，需要考慮其他方面的要求，如對建筑結構承載能力的考量，對建筑功能和外觀的影響。系統設計會變得更為復雜，根據所在地區的氣候特點，建筑的周邊環境，陰影遮擋，選擇相應的光伏組件，安裝位置和方式，兼顧建筑的外觀，同時考慮發熱對建筑的影響。設計流程為：光伏電量需求分析，確定光伏系統的形式，收集當地日照、氣象、地理等條件，確定建筑可利用光伏發電的區域；光伏組件的選型與布置、確定發電容量，控制器、逆變器的型號容量選擇，組件的支架與安裝方式設計，交流側系統設計，系統防雷、接地與保護的設計與配置，監控和測量系統的設計。

1 光伏發電主要設備選型

1.1 光伏組件的選型及安裝

1.1.1 光伏電池類型及特點分析

光伏組件需滿足下列要求：（1）有足夠的機械強度，能夠承受諸如冰雹等極端天氣的影響；（2）有良好的密封性，可以防風、防水、減少外界對太陽能電池的腐蝕；（3）抗紫外線輻射；（4）絕緣良好；（5）電池單元間的連接可靠且能耗??；（6）有足夠的工作壽命，一般工程上要求有20年以上的使用壽命；（7）組件之間的特性偏差不大，有相同的輸出特性。主流的太陽能組件尺寸規格大約有兩種，1000mm×1600m和1000mm×1900mm，分別由60個和72個電池片組成。整個系統應盡量選擇同一型號的光伏組件，避免出現各支路電流不平衡，各時段效率不同等情況。

1.1.2 光伏設備的組裝要求

光伏電池方陣應選擇朝南安裝，如果有特殊原因限制，方陣面向東或西偏轉的角度不應大于當地地理緯度的角度[1]。在屋頂安裝光伏系統時，應設置避雷裝置及欄桿扶手等保護設施。光伏陣列一般為固定式安裝，安裝傾角可參考文獻[1]附錄B的值，不同于集中式電站，建筑光伏與屋頂面積、周邊環境、屋頂承載力等相關，宜根據實際情況進行綜合考慮。光伏設備支架的承載和防風及屋頂的承重應經過嚴格力學計算的驗證。光伏組件間距的設計原則是在冬至當天9：00～15：00光伏方陣不被阻擋。

光伏陣列的布置需要綜合考慮屋頂面積的利用率和早晚陣列前后遮擋所造成的熱斑效應來選擇橫排或豎排方式。根據理論計算，橫向排布可比縱向排布多5%左右的發電量，增加20%的占地面積，但安裝的工程量和難度會稍大。

1.2 光伏逆變器的選型

光伏逆變器將光伏發出的直流電轉換為民用電壓的交流電或并網點電壓的交流電，是光伏發電系統中關鍵的一個環節。光伏逆變器的選型原則如下：（1）由于光伏逆變器容量越大，單位功率制造成本越低，效率越高，對于綠色建筑，可考慮選用一臺容量可覆蓋發電功率的逆變器；（2）由于一天中光伏發電量變化較大，需要選擇直流輸入電壓范圍寬的逆變器，從而可以最大限度地利用太陽能，增加光伏系統發電時間；（3）需要有抗干擾能力和過載能力；（4）當光伏發電系統發生故障后，逆變器應能將光伏系統從主網中解列，當故障排除后應能重新并網；（5）光伏逆變器必須裝有防止孤島運行的保護措施[2]。

MPPT（Maximum Power Point Tracking最大功率點跟蹤）控制器可以對光伏陣列直流輸出的最大功率點進行跟蹤，光伏電池的輸出特性隨環境溫度和日照強度的變化會呈現不同的功率輸出特性，MPPT控制器及其算法可以通過改變負載特性提高光伏組件的發電效率。典型的MPPT算法有：擾動觀察法、定壓跟蹤法、模糊控制法、導納增量法[3]。這些控制算法各有優缺點，應用于建筑光伏系統時需要根據實際環境情況及項目需求選擇合適的算法。

根據實際的設計經驗，光伏組件的串聯數目一般為18個、20個或22個，依據光伏組件的選型計算出逆變器MPPT電壓最大值和最小值以及最大直流輸入電壓，選擇符合要求的MPPT電壓范圍，并估算整個系統的發電功率和直流側總電流，最后決定逆變器型號和個數。

1.3 匯流箱的選型及安裝

匯流箱的作用是將光伏方陣的多路直流輸出電纜分組并匯集，使得接線有序便于維護，在發生局部故障時，可以局部檢修，不影響整體工作，匯流箱的下一級接入逆變器，建筑光伏系統中常用12串或16串輸入的匯流箱，匯流箱中應由直流故障保護單元、斷路器、熔斷器、防雷、浪涌保護器等元件構成，并配有電量檢測系統和通信單元，可以實時將匯流箱內部的分支電流、電壓和功率等參數上傳到控制中心并可以遠程操作開關。匯流箱的安裝位置應就近安裝在組件串的附近，從而減少電纜鋪設長度和線損。箱體的安裝高度滿足各限制的要求，箱體底部留有足夠空間用來安裝、維修，箱體的防護等級應根據現場環境確定。

2 光伏系統運行方案

2.1 獨立運行系統

獨立光伏系統即離網光伏發電系統，系統所發出的電能提供本建筑物內電器使用，與公共電網隔離。負荷類型可以是直流負荷，交流負荷或者交直流混合的負荷。系統可分為有蓄電池和無蓄電池系統。在有蓄電池系統中，當發電功率大于本地負荷，可以將電能存儲于蓄電池中，在發電低谷時使用。當發電功率低于負荷，并且蓄電池提供的電量仍不滿足要求時，可以使用公共電網提供負荷。系統中需要安裝光伏控制器，在蓄電池充滿電時，光伏系統停止發電，防止蓄電池過充，當蓄電池低電量時，停止蓄電池放電，有效保護蓄電池。

2.2 并網運行系統

并網運行是通過并網逆變器將所發的電能直接并入電網，光伏發電系統可以看做是一個分布式的電源，在建筑的公共電網接入點，電能可以是由電網流入建筑，也可以由建筑流向電網。相比獨立運行系統，并網運行可以不采用蓄電池和光伏控制器，但需要并網逆變器和防孤島運行系統。并網運行可以充分利用光伏電能，不會造成能量浪費，系統的固定成本比獨立運行系統小，使用壽命一般按25年設計，而獨立系統受制于蓄電池的使用壽命一般為10年左右，并網系統的運行維護成本也相對較低，目前并網技術已經成熟，建筑周邊的電網接入點較多，因此，在設計建筑光伏發電系統時，一般重點考慮并網運行方案。并網逆變器配置以太網通訊和RS-485接口，把數據傳輸到計算機上觀察、操作，監控系統應對下列參數進行監測和顯示：光伏陣列直流側的電壓和電流、交流側電壓和電流、當日發電量、實時發電功率、總發電量、太陽輻射量、環境溫度等系統參數、光伏組件溫度，減少的二氧化碳排放量和故障狀態等信息。

2.3 系統接線的設計方法

以并網運行系統為例，并網接入電網的方式有：專線接入和支線接入方式。在設計系統前應先統計光伏組件的總數，選擇串聯個數和總串數，根據串數選擇合適的光伏匯流箱型號和個數，組成光伏系統直流側的接線。為保證系統電壓穩定，每一串組件個數必須相同，而每個匯流箱接入的串數可以不同，要以節省匯流箱個數為原則進行分配。統一連接到室內直流配電柜，直流電壓接入光伏逆變器逆變后連接到公共電網中。并網型建筑光伏發電系統是典型的分布式電源，為保證并網后對公共電網的沖擊影響不超過限值，要求分布式電源的裝機容量不超過上一級變壓器容量的20%。

3 經濟效益分析

在設計建筑光伏系統時，經濟效益是衡量項目是否可行的一個重要指標，需提供經濟效益的評估表，確定投資回收周期和收益。建筑光伏系統輸出功率相對較小，一般而言，一個建筑光伏系統項目的容量在數千千瓦以內，相比集中式電站，免去了土地價格，降低了安裝費用和輸配電費用。建筑光伏系統項目在發電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產生污染，環保效益突出，因此，發電系統的外部效益同樣不可忽視。

光伏系統的實際收益為：壽命期內發電量上網的總收入加上政府補貼收入，扣除設備采購安裝費用和維護保養費用。每塊太陽能光伏組件年發電量W1為：

W1=■×？濁1×S×103 （1）

式中：E-安裝地點的年太陽輻射量，MJ/m2，根據氣象資料取值；η1-光伏組件能量轉換效率，%，根據樣本資料取值；S-光伏組件面積，m2。光伏系統年發電量W2為：

W2=W1×N×？濁2×？濁3 （2）

式中：N為系統中光伏組件的總數；η2為逆變器效率，%；η3為計入其他傳輸損耗加上光伏設備維修保養停運損耗的系統效率，%；《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》國家光伏上網補貼價為0.42元/kWh，期限為20年，各地還有不同的地方性補貼政策和電價，設計使用壽命內的總收益為：

式中：Pgt：光伏發電上網功率，kWh；Pct：光伏發電自發自用功率，kWh；Pg：國家補貼，元/kWh；Pl：地方性補貼，元/kWh；Pk：工商業或民用電價，元/kWh；Pc：脫硫燃煤電價，元/kWh；t1：國家補貼期內總時數，h；t2：地方性補貼期內總時數，h；t3：設計壽命期內總時數，h；R1：設備的平均損耗率，%；R2：平均供電可靠率，%；Ig：光伏發電系統的初始投資，元；Mei：光伏系統第i年的運行維護費用，元。隨著中國光伏產業鏈的完善和普及，光伏組件和光伏逆變器的價格不斷下降，安裝成本也逐步降低，電能不需要遠距離輸送，降低了網損，因此建筑光伏系統的投資回報率不斷提高，成為綠色建筑的一個重要應用技術。

4 案例

以上海地區一個綠色建筑示范工業園屋頂光伏系統的設計為例，選擇并網運行模式，可利用的屋頂面積約為5000m2，采用1496塊1.6m*1m的光伏組件，最大輸出功率為250W，裝機容量374kWp。22塊組件為一串，共68串，每12串接入同一個匯流箱，不同建筑之間不宜共用匯流箱，所以項目總計使用7個匯流箱。所有直流線路接入園區的配電間的直流配電柜內，采用一個550kVA的三相逆變器，滿載MPPT電壓范圍為450-850V，最大輸入電流為1200A。

光伏組件分別安裝在2個車間、1個辦公樓的屋頂以及停車場頂棚上，組件的安裝傾斜角度為25°。上海地區的年太陽輻射量約在4700MJ/m2[4]，則每塊太陽能光伏組件年發電量為421.2kWh，1496塊光伏組件的年發電量為630115kWh。逆變器平均效率為96%，其他傳輸損耗加上光伏設備維修保養停運的損耗，系統的效率按80%計算，光伏系統的年發電量可以達到500000kWh以上。根據《上海市可再生能源和新能源發展專項資金扶持辦法》，分布式光伏的“度電補貼”金額為工、商業用戶0.25元/kWh，補貼時間為5年，上海市的脫硫燃煤電價為0.4593元/kWh?！蛾P于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》國家補貼為0.42元/kWh，期限為20年。本項目光伏組件設計使用壽命為25年，系統設計使用年限為25年。預計7～8年可收回投資，其余工作年份收入即為收益。

5 結束語

（1）光伏發電系統的設計需要遵循可靠性、合理性、經濟性的原則，既保證可以長期可靠運行，滿足預計的發電量需求，又以經濟合理的方式配置整個系統，以最小的投資達成設計的目標。系統設計可分為兩個階段，第一階段選型和布置光伏組件，確定直流側電能的參數。第二階段完成整個系統的設計，對系統中用到的電力電子設備選型，匹配第一階段設計的參數。

（2）總結了對光伏系統設計中重要設備的選型，在建筑光伏發電系統中，可按照預算投資和發電量需求選擇采用單晶硅或多晶硅光伏材料，計算出最優光伏組件串并聯組合。逆變器的選型需要根據光伏陣列的串并聯數，選擇最大電壓，最大電流和容量，而直流電壓輸入范圍需與MPPT控制器結合，范圍盡量寬。保護系統至少監測到每一串光伏組件的工作狀況，配置過流、過壓、雷電、浪涌等保護單元，并網運行需安裝防孤島運行保護。光伏組件的安裝和布置原則是盡量多地收集太陽能，同時考慮到電壓恒定和遮擋的問題。

（3）采用離網型式的光伏系統時，需要配置蓄電池和光伏控制器，能量利用率較低。而并網系統對并網條件要求較高，需配置相關繼電保護系統，雙向電能表和足夠容量的并網接入點。目前，并網設備已較為成熟，城市電網容量和規模越來越大，為追求更高的發電效率和經濟效益，優先考慮采用并網發電系統。

（4）目前光伏發電可以享受上網電價和政府補貼，一般7～10年可收回投資，其余十多年壽命期內的收入都是利潤，隨著光伏產業技術升級，市場擴大，設備的成本已大幅降低，即使補貼政策今后退出，光伏系統仍然可以盈利。合理地設計建筑光伏系統可以提高發電效率，減少能量損耗，提供更穩定可靠的電能，減少污染排放。

參考文獻

[1]GB 50797-2012.光伏發電站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[2]鄭詩程，丁明，等.光伏發電系統及其孤島效應的仿真與實驗研究[J].系統仿真學報，2005.

[3]黃克亞，尤鳳翔，李文石.組合模糊控制技術與擾動觀察法提升光伏發電MPPT性能[J].測控技術，2012，31（7）：130-135.

[4]代彥軍，許煜雄，王如竹.上海太陽能建筑一體化技術與系統集成研究與應用[A].全國住宅工程太陽能熱水應用研討會論文集[C].

2004.