淺談太陽能光伏建筑一體化系統

茍勇

摘 要：太陽能光伏發電是當今世界最有發展前景的新能源技術之一，是可再生能源和新能源的重要組成部分，太陽能光伏建筑一體集成技術就是將光伏組件取代建筑原來的外圍結構，或者在建筑的外表結構鋪設光伏組件，通過這些位于建筑外面的光伏組件將太陽能轉換為電能，進而為建筑提供高效清潔的能源，減少傳統建筑的能源供給本文重點闡述了太陽能光伏建筑一體化系統的主要結構和各部分功能。

關鍵詞：太陽能；發電；光伏電池

中圖分類號：TK511 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0132-02

1 光伏太陽能發電基本原理

太陽能電池，也稱光伏電池是光伏太陽能發電的能量轉換器，其基本的工作原理是：太陽能光子能量被太陽能電池吸收后，太陽能電池中的半導體會有空穴—電子對產生，也就是光生載流子，空穴帶正電，電子帶負電，兩者的電性是相反的，在光伏電池半導體N-P節的靜電場作用下，光生載流子空穴和光生載流子分別被太陽能電池的負極和正極所收集，空穴、電子的定向運動產生電流，也就有了電能，借助一定的裝置，這些電能就能夠被使用。

2 太陽能光伏建筑一體化系統

太陽能光伏建筑一體集成技術就是將光伏組件取代建筑原來的外圍結構，或者在建筑的外表結構鋪設光伏組件，通過這些位于建筑外面的光伏組件將太陽能轉換為電能，進而為建筑提供高效清潔的能源，減少傳統建筑的能源供給。根據光伏組件分布的位置，太陽能光伏建筑一體集成系統主要分為：太陽能光伏屋頂一體集成系統、太陽能光伏遮陽板一體集成系統、太陽能光伏幕墻一體集成系統等等，目前應用最為廣泛的是太陽能光伏屋頂一體集成系統，太陽能光伏幕墻一體集成系統和太陽能光伏遮陽板一體集成系統當前發展也非常的迅速。

太陽能光伏建筑一體集成系統的發電方式一般是使用聯網光伏系統，太陽能光伏幕墻或者太陽能光伏屋頂產生的直流電不是被直接使用，而是借助逆變器將直流電轉換為交流電，交流電被送到公共電網，用戶要用電時再到電網購買。和獨立的太陽能光伏系統相比，聯網光伏系統具有運行維護費用少、前期投資小優點，此外聯網太陽能光伏系統不需要蓄電池，減少了由于使用蓄電池而給環境帶來的污染。聯網太陽能光伏系統真正做到了隨發隨用，大大縮短了投資回收期，最大程度使用電能。聯網太陽能光伏系統需要得到地方電網企業的協助配合，對逆變控制器和電網質量都有非常高的要求，因此如果需要采用聯網太陽能光伏系統，就必須先對政策、經濟以及技術進行詳盡的可行性分析。聯網太陽能光伏系統主要是由太陽能電池方陣、控制器和聯網逆變器組成，具體結構如圖1所示。

2.1 太陽能電池方陣

太陽能電池方陣可以將太陽能轉換為電能，是聯網太陽能光伏的主要部件。依據聯網逆變器對輸入電壓的要求，構成太陽電池方陣的晶體硅太陽能組件通過并聯、串聯固定在支架上，為了便于安裝，太陽能光伏電池方陣一般都是固定在屋頂的支架上，如果在新建建筑、住宅時就考慮安裝聯網太陽能光伏系統，可以提前預埋好螺栓，提交設置好安裝角度和安裝朝向，在實際安裝時就會方便很多。

光伏與建筑的結合，主要設計兩個方面的結合，一個是光伏系統與建筑的結合，另一個方面是光伏組件與建筑的結合：（1）光伏系統與建筑的結合，光伏系統與建筑的結合是光伏與建筑結合的初級目標，是將建筑屋頂的現成的平板式太陽能光伏組件的輸出經控制器、逆變器連到電網，電網與光伏系統并聯向用戶供電，不足電力時向電網取用，多余電力時反饋給電力電網。（2）光伏組件與建筑的結合，光伏組件與建筑的結合是光伏與建筑結合的進一步目標，就是要將建筑材料與光伏器件集成化。在沒有和光伏組件相結合前，一般都會使用瓷板、馬賽克、涂料以及玻璃等材料作為建筑的外墻，主要起到裝飾和保護的作用。如果與光伏結合，可以將光伏組件做成向陽外墻、屋頂、窗戶以及遮陽板等，這樣一方面可以起到傳統意義上的保護和裝飾作用，另一方面又可以發電，一物多用、一舉兩得，降低光伏系統造價，減少發電成本。一物多用的光伏組件器件必須具有傳統建筑材料所具有的電氣絕緣、隔熱保溫、防水防潮、防火阻燃、抗風耐寒等特點，具有一定的剛度與強度且不易破碎，此外還要美觀大方、長壽命、安全可靠以及便于施工等特點。如果是用光伏組件做成窗戶，還需要能透光。在政府大力資助下，德國、美國以及日本等發達國家經過多年的科研攻關，目前已經研制成功很多建筑材料與光伏器件結合集成的產品，有的處于示范試驗階段，有的已經在工程上成功應用，這類新研制的產品有：半透明和透明光伏組件；雙層玻璃超大尺寸光伏幕墻，隔音隔熱外墻光伏構件，無邊框大尺寸雙層玻璃層面光伏構件，不同形狀、不同顏色、不同排列的光伏電池構件，柔性墻體和屋面光伏構件等。

2.2 太陽能光伏聯網逆變器

2.2.1 聯網逆變器的主要功能

太陽能光伏聯網系統的關鍵技術和核心部件之一是聯網逆變器，和獨立的逆變器相比，太陽能光伏聯網逆變器一方面可以將太陽能光伏電池產生的直流電轉化為電力電網上的交流電，另一方面還可以對交流電的電壓、頻率、相位、電流、無功和有功、電能品質以及同步等實施控制，其具體的功能有：

（1）跟蹤控制最大功率點。太陽能光伏電池組輸出電壓和電流會跟隨太陽照度和太陽能光伏電池表面溫度變化，通過跟蹤這一變化，并實施控制，確保電池方陣處于最大功率輸出，最大程度上利用光能。

（2）自動啟動和關停。在白天日照時，根據日照條件，挖掘太陽能光伏電池組的轉換潛能，實現太陽能光伏聯網系統的自動啟動和關停。

（3）謹防獨立運行。如果光伏系統所在地出現突然停電，逆變器輸出電力和負荷電力又相同，此時逆變器輸出電壓不會有什么變化，很難探測到停電，此時太陽能光伏系統還是有可能繼續向當地的電網供電，出現光伏系統獨立運行，這種情況對于電網的檢修人員來說，是非常危險的。為了避免出現事故，聯網逆變器必須有防止獨立運行的功能。

（4）電壓自動穩定。當有電能剩余時，太陽能光伏系統向當地的電網逆流供電，此時很容易導致太陽能光伏系統與電網的連接處的電壓突然上升，進而超過商用電網對電壓的要求，因此逆變器必須有電壓自動穩定的功能，以便保證當地電網的正常運行。

（5）自我修復功能。當逆變器或者所在電網發生故障時，逆變器要能夠及時發現，并實施自我修復，修復不了的，要實施自動關停。

2.2.2 光伏聯網中逆變器的組成

聯網保護器和逆變器是聯網逆變器的兩個主要組成部分，具體如圖2所示。逆變器主要由三個部分組成，第一個部分是逆變部分，其功能是將直流轉換為交流，這主要是通過大功率晶體管的高速關閉導通來實現；第二部分是電子控制部分，該部分實現對逆變的控制，主要由電子回路構成；第三部分是保護部分，當逆變器出現故障時，該部分起到安全保護的作用，主要也是由電子回路構成。

聯網保護器有些是單獨設置，但一般都是裝在逆變器中，是一種安全裝置，當發生電網欠壓、電網電壓頻率變化大以及電網停電等情況時，聯網保護器可以及時監測，并及時關停逆變器，盡快將電網與光伏系統斷開，確保安全。

參考文獻

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