屋頂太陽能光伏的高效應用

文 周民一 深圳市均益安聯光伏系統工程有限責任公司

屋頂光伏的高效應用一直是光伏應用領域的重要研究課題。最早的光伏應用多采用電站的方式。屋頂電站是將規模化的電站搬到了空閑屋頂上。由于大部分建筑屋頂面積有限，不具有規模化、轉換效率低等問題，使早期很多屋頂電站大多成為了“形象工程”。最早建設位于深圳園博園的1MW屋頂光伏電站(圖1),就是在三個不同的樓面上搭建而成。早期的光伏電站，采用高壓并網，對網電有一定影響。

屋頂光伏發電經過多年的發展取得了一定的進步，由分布式屋頂光伏逆變上網，逐漸演變到采用屋頂光伏自發自用方式，提高了光伏應用的市場化率。隨著光伏產業的規模化發展，光伏組件的標準化生產，屋頂建筑的個性化和屋頂光伏的標準化之間必然形成差異，其結果是以犧牲光伏應用效率為代價。

1 高效非逆變技術的優勢

1.1 低壓直流減少損耗

高效非逆變技術是指屋頂光伏采用直流模式、低壓制式；光伏發電和負載、儲能相匹配的個性化設計等系統性技術。與逆變的屋頂電站不同，高效非逆變技術采用的是低壓直流，光伏電直接給直流負載提供電能。逆變電站采用高壓傳輸；變壓器內的分布式自發自用，也需串聯至360V的電壓；采用20～22塊24V的光伏板串聯，串聯后光伏組開路電壓最高可達1000V電壓。因此，對于光伏孤島效應的避讓是目前光伏安裝中首要的安全要素。安全設計的斷電保護也是以降低效率為代價的。

實踐中我們不難發現，光伏板由于生產過程的工藝繁多，其電壓、電流、功率一致性很難達到理想要求。如美國SUNPOWER（被行業稱之最為高效組件之一）的背接式組件，其參數表也是按照每塊電池板逐一編號注明參數的，還不包括用肉眼即可看出電池板表面的色差。所以，如果按照規范的電池組件搭構逆變的屋頂電站，即使是自發自用的分布式光伏應用，僅是光伏板的串聯，不一致性導致的組件損耗至少在10%以上。

高效非逆變技術主要應用于建筑內部的直流照明負載。直流照明如不作整流，本身并不需按照市電電壓制式，無需進行22塊72串組件串聯成高壓。一般用于在12V負載可以即發即用。所以12V 的光伏板直接給負載供電很容易實現。但是如果設計功率大一些，可以設計為24V、36V、48V（安全電壓以內）等。普通的照明負載功率并不要求很大。減少了串聯損耗，才真正實現光伏高效的自發自用和即發即用。

1.2 負載電壓制式設計

電池片因為制造工藝存在一定的差異，所以串聯越多，損耗有可能越大。現在的封裝工藝多已采用機器人進行封裝。但電池片的色差情況，卻在所難免。色差導致光伏板對光子吸收的頻率差異，從而使效率有所損失。對于單晶硅板的規模封裝，大都采用72片串。高效非逆變技術則不同，可根據建筑特點“量體裁衣”式，不用設計成800～1000V的開路電壓。按照負載電壓制式設計，直流的負載電壓，一般為12V或24V，光伏板的開路電壓設計為21V或42V；大大減少了光伏電池串聯損耗。

1.3 依據建筑個性定制自有規范

高效非逆變雖然是依據建筑個性化設計，但是考慮到生產的成本，也制定了自有的規范化。可采用36串、32串或28串單晶硅電池板。如住建部大院內的建筑節能項目（圖2），采用的是32片串的光伏電池板。項目是1萬平米的地下車庫照明面積，屋頂光伏組件設計了80m2的屋頂面積，安裝了12kWp背接式光伏高效單晶硅。該項目已經正常使用了9年，目前依然非常節能和可靠。

圖2

1.4 縮小風荷載提高安全性

高效非逆變的屋頂光伏，采用36片或32片的組件，比起分布式逆變光伏電站在風荷載設計上要少很多，也安全很多。72片（156×156）的組件，每塊面積約為1.8m2。而高效單晶硅組件，36片或32片只有不到0.9 m2的面積，風壓量不到逆變技術的1/2，對于屋頂光伏而言，建筑屋頂光伏風荷載安全計算以及防范非常重要，成本影響也很大。

2 高效非逆變才是真正的屋頂光伏自發自用

2.1 實現建筑內的自發自用

將光伏定位于能源應用的拾遺補缺或者補充，是高效非逆變技術的出發點。比如光伏是直流發電，將光伏的直流電直接應用直流負載是高效非逆變的主要技術依據。將光伏的發電全部和優先完全使用，才是高效非逆變技術的核心目的。

2.2 適用于高層為主的城市建筑

中國地少人多，屋頂資源非常有限。在有限的建筑屋頂上構建光伏電站，存在很大的弊端。首先是屋頂面積有限，無法形成規模的光伏逆變上網；其次是光伏的轉換效率很低；加上風荷載要求、光伏的高壓傳輸以及孤島效應等方面，都制約著光伏屋頂電站的實際應用。從實踐來看，盡管國家不斷推出各項獎勵措施來發展屋頂電站，但是10年來，政府的光伏鼓勵政策在不停變化，說明了這種模式還需待于不斷創新。高效非逆變應用，雖不像逆變電站那樣享受政府的諸如光伏電站規模、“金太陽”、發電量等各種補貼，但它在建筑節能的實際應用中，被廣泛認為是實用安全穩定經濟的技術而擁有市場。

2.3 高效非逆光伏的應用領域及效益

高效非逆變光伏發電目前主要應于建筑的地下車庫、樓道，以及建筑智能化和監控用電，這些負載用電大都是直流低壓。高效非逆變光伏系統配合高效的光伏專用蓄電池，在設計上，光伏發電直接為負載提供電力，多余的光伏電力向專用的蓄電池蓄能。優先使用光伏電，市電作為陰雨天和光伏蓄電池不足時的應急補充。效率提高主要是將光伏電全部用光，光伏發電也不因逆變、轉換或者其它間接因素而損失。

圖3 超高層深圳康佳研發大廈的高效非逆變光伏加儲能的屋頂光伏項目

以深圳市民中心項目（圖4）為例，該項目設計的光伏規模為120kWp，采用高效非逆變技術，光伏發電直接給10萬m2（可停車2598輛）的地下車庫LED照明提供電力。以節電替換傳統電力消耗，每年節電超過120萬kWh。如果項目采用的是逆變電站發電上網，相同規模的光伏，年發電量約為15萬kWh。前者是后者效率的8倍。該高效非逆變項目已經穩定運行了6年，采用的是合同能源管理的投資模式，由第三方機構進行節能評價和檢測，技術上具有很強的競爭力。

3 高效非逆變光伏應用亟待解決的問題

3.1 需要國家政策支持

采用逆變的屋頂電站技術方法簡單，容易形成規模化、成套化，是光伏電池生產廠家極力要求推廣的。因此，國家對光伏的補貼政策基于對電池廠家扶持而有所傾斜。高效非逆變針對屋頂特點“量體裁衣”設計光伏，技術相對復雜。尤其對于高層建筑，還需考慮壓降問題，設計要求較高。對于大面積的屋頂，如果可以形成規模化的光伏發電，采用逆變電站技術，簡單易行。還可以獲得政府用電補貼，尤其是城市商業用電電費較高的，具有一定經濟效益。但是，現實中城市的屋頂資源緊缺，可供光伏電站項目屋頂少之又少，不少強制性的光伏電站成為“形象工程”。高效非逆變技術，可以針對各種不同的屋頂，采用個性化設計，但單個項目所消化的光伏電池要減少很多。

高效非逆變技術是集發電、用電、蓄能一體化設計的。這種模式目前很難享受到政府光伏發電補貼。如2011年深圳均益安聯公司承建的深圳華僑城歡樂海岸PV-LED項目總投資為1000萬元，政府部門僅對華僑城建筑節能補貼了150萬元。

圖4

3.2 現有建筑節能設計標準不匹配

根據近期出臺的國家關于建筑節能的設計要求，規定了按照光伏發電量和建筑用電量的比例進行計量評分，這個規定用于建筑節能評分也不盡合理。光伏發電屬于新能源應用，進入建筑節能，不應單方面考核光伏的發電量。如采用高效非逆變技術，通過新能源應用，減少了建筑上傳統耗電量才屬于真正的建筑節能。高效非逆變技術應用在建筑領域，已經成功地運行了10年，且在沒有光伏政策補貼的情形下，越來越多的客戶選擇了高效非逆變技術，并領略到高效非逆變光伏應用的優勢。

隨著城市智能化、智慧城市應用的興起，采用高效非逆變光伏應用，已經不再局限于PV-LED的地下車庫、樓道照明。光伏發電智能系統加入建筑智能化系統，監控系統等直流應用，使得光伏直流應用更加貼合現代建筑的需求。

3.3 尚未列入國家消防產品標準

直流的光伏發電，光伏電不再向網電饋電，形成了獨立于市電之外的低壓直流供電，系統還備有蓄能裝置。可作為真正意義上建筑的應急電源。技術可行、功能具備，但一直沒有被列入國家的消防產品標準，影響了屋頂光伏發電市場的應用。

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