分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中的應用

李光光

（北京中瑞電子系統(tǒng)工程設計院有限公司華東分院，江蘇 無錫 214135）

0 引 言

當前，全球范圍面臨電力供需的矛盾性。社會經(jīng)濟的發(fā)展驅動了電力能源需求的上升，然而煤炭、石油等不可再生能源的成本較高且污染環(huán)境。因此，優(yōu)化電力生產(chǎn)結構，加速新型清潔能源的研制與應用成為迫在敏捷，也是深化電力能源供應側改革的關鍵所在。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于一種光能轉化電能的設備，即吸收太陽光能源，利用自身的轉化功能，將光能轉化為電能進行儲備，當需要應用時，可將儲備電能進行應用。因為太陽光能屬于快速再生能源，所以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能效應良好，能夠降低民宅用戶的電費支出。該系統(tǒng)在民用建筑中具有較為重大的現(xiàn)實價值。

1 光伏發(fā)電的優(yōu)點

分布式光伏發(fā)電是基于“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”或是“全額上網(wǎng)”的一種模式，以就近發(fā)電、并網(wǎng)、轉換為基本特質，能夠有效提升同等規(guī)模光伏發(fā)電量，且可緩解電力升壓和運輸中的損耗問題，主要利用半導體材料的光電效應來實現(xiàn)太陽能向電能的轉化。發(fā)電過程不消耗能源，污染性小、安全性高，且不受地域限制。

1.1 污染性較小

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，光伏發(fā)電無需燃燒煤炭，不會產(chǎn)生煙氣，因此不會造成環(huán)境污染。光能和燃煤的清潔程度有較大差異。光能并不會對發(fā)電機組組件造成污染，因此光伏發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性相對較高。此外，傳統(tǒng)火力發(fā)電需要大量的機械設備進行能源轉換，而機械設備運作時會產(chǎn)生噪音污染。但是，光伏發(fā)電沒有類似的機械設備，不會產(chǎn)生噪音污染[1]。

1.2 安全性較高

傳統(tǒng)火力發(fā)電主要以燃燒作為能源生產(chǎn)的核心，但在長期燃燒下，其機組組件可能出現(xiàn)故障，小部分情況下會出現(xiàn)組件爆炸、漏電等事故，嚴重影響周邊環(huán)境的安全。光伏發(fā)電不需要燃燒就能夠實現(xiàn)能源生產(chǎn)，所以具有較高的安全性。能源形式上，煤炭能源是一種實體能源，長期應用下可能堵塞火力發(fā)電的管道等，具有危險性，但光能并不具備實體性，不會出現(xiàn)此類現(xiàn)象[2]。

1.3 應用范圍較大

因為火力發(fā)電需要的機械機組規(guī)模龐大，所以需要一個固定的專用場地作為支撐，無法應用到其他地點。光伏發(fā)電的形式不需要太多的機械機組，僅通過太陽能光伏板、小型元件支撐結構即可。它的整體結構較小，能夠直接應用在民用建筑中，直接為用戶提供電能[3]。

1.4 穩(wěn)定性較高

光伏發(fā)電站主要以太陽能電池作為能源轉換的主要驅動力，而太陽能電池的轉換效率十分穩(wěn)定，幾乎不會出現(xiàn)過多波動，原因在于太陽能電池的內部存在光電量子效應，產(chǎn)生的能量轉換十分穩(wěn)定。相對于傳統(tǒng)火力發(fā)電方式，光伏發(fā)電極少出現(xiàn)電能供給中斷，電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性較高。

2 實例分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

2.1 實例概況

某實例民用住宅為了改善住宅區(qū)域的電能供應，將采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)。建設設計中，預計將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于民宅樓頂，以便太陽能吸收。安裝數(shù)量為11臺，與民用建筑內部的各類電氣設備連接，從而為電氣運作提供電能。

2.2 逆變器系統(tǒng)設計

逆變器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用的關鍵，可將太陽能這一可再生能源轉變?yōu)榕c電能同頻、同相的交流電，并優(yōu)先輸送給當?shù)刎摵晒╇姡嘞碌碾娔莛伻腚娋W(wǎng)，且有過壓、電壓頻率異常、過流、漏電流和絕緣阻抗等保護功能，是確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的基礎。因此，在實例設計中，首先對逆變器進行設計，主要采用40 kW逆變器進行構建。在逆變器中，將每個光伏串的容量定為270×15=4 050 Wp。根據(jù)逆變器的參數(shù)，每臺40 kW的逆變器需要的光伏串數(shù)量最大配置為40÷4.05=9.8。所以，實際設計的每臺逆變器內安裝了10串光伏串，包括了4串正極光伏串和4串負極光伏串，并為光伏串配置了電池板。為實現(xiàn)電力供應充足，電池板的配置為每串光伏串15塊。在此條件下進行測試，逆變器的總發(fā)電量為64.8 kWp。

2.3 電源設計

因為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)受自然條件的限制，輸出功率存在固有的波動性、隨機性。若大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，勢必會影響供電穩(wěn)定性。所以，在電源設計方面，將采用分布式低壓電源。將分布式低壓電源接入光伏系統(tǒng)，此時光伏發(fā)電的總安裝容量為64.8 kWp。設計方案上，主要在地下室變配電房處設計兩個單體分別直流，通過匯流后采用單體電井將電流引入逆變器，最終通過逆變器對電流進行整流、調相、調壓和調頻等處理，進而將電流匯入低壓母排，分布式電源并網(wǎng)接入。

3 實例分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用分析

3.1 光電轉換應用效率

光電轉換應用效率代表了光伏發(fā)電的供電效率。為了了解實例光伏電站的應用功效，本文將根據(jù)標準測試條件進行測試。標準測試條件為：照度1000 W/m2；溫度25±1℃；光譜特性為AM1.5的標準光譜。測試中，主要采用標準功率為270 Wp、尺寸為1650×992×35 mm3的光伏電池板進行測試。測試結果顯示，光伏電板的光電轉換效率為16.49%，計算方式為1.65×0.992×1000。

3.2 應用時的遮光效率

遮光效率主要是為了使光能聚焦，避免光伏板無法接收到充足的光能。實例工程條件上，主要造成遮光的原因有三方面，即周圍建筑的遮擋、建筑電梯機房屋面對光伏電池板的遮擋和光伏陣列前后排直接的遮擋。為了了解實例工程光伏發(fā)電的實際效率，下面將針對這三項因素進行逐一分析。

3.2.1 周圍建筑的遮擋

通過觀察可以看到，該工程周邊存在大量高層建筑，其中最高高度為83.2m，而實例工程建筑的高度統(tǒng)一為99.5 m，說明周邊建筑難以對實例工程的光伏發(fā)電板造成遮光。

3.2.2 建筑電梯機房屋面對光伏電池板的遮擋

建筑電梯機房屋面高度為104.1m，周圍建筑無遮擋，但機房本身高度高于光伏電板，所以造成了一定程度上的遮光。根據(jù)觀察，它遮擋了兩塊光伏電板，遮光率約為80%，屬于可接受范圍。

3.2.3 光伏陣列前后排直接的遮擋

光伏陣列前后排直接的遮擋，即為光伏板排列后相互之間的遮擋。在實例工程中，此類現(xiàn)象較為嚴重。除第一排無遮擋以外，其余均存在20%左右的面積遮擋，因此實例工程需要進行調整。

針對光伏陣列前后排直接的遮擋現(xiàn)象，實例工程根據(jù)06K503《太陽能集熱系統(tǒng)設計與安裝》規(guī)范，選取9：00—15：00時間區(qū)間的太陽光照角度，計算得出光伏電池板陣列后排距離前排的距離，具體數(shù)值在223.6 mm以上。出于對之后維護工作的考慮，最終決定相互之間的距離為800 mm。

4 結 論

光伏發(fā)電站是現(xiàn)代電力發(fā)展的重要形式，具有多項優(yōu)勢，在理論上能夠促進電能供給的水平，同時實現(xiàn)高效的節(jié)能效應，因此可應用于民用建筑層面。為了解光伏發(fā)電站在民用住宅的應用，分析了光伏發(fā)電站的應用優(yōu)勢，并結合實例工程設計了相應的光伏發(fā)電站，探討了應用效果和調整措施。