光伏發電系統在建筑供配電中的應用研究

陳陶然 李璐

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面對全球能源危機,人們認為應該利用清潔和可再生的新能源,使這些新能源不僅實現自身利用價值而又能得到合理推廣應用。眾所周知，太陽能是一種可再生的清潔能源，具有一定的經濟可持續性和社會經濟性。光伏發電儲能系統將光伏太陽能發電作為太陽能綜合儲存的重要技術支撐，能夠合理高效地傳輸和綜合利用太陽能。在開展綠色環保建筑設計工作過程中,我們首先應該從環保節能的基本原則高度出發,注意節能保護環境,讓現代人們永遠停留在一個良好的生活氛圍中。在開展綠色節能建筑設計應用過程中,光伏混合發電集成系統二者應合理設計利用,將綠色建筑與光伏混合發電系統二者之間深入發展融合運用起來。

一、太陽能發電系統應用規律

在光伏發電系統的實際運行過程中，太陽能電池可以將能量轉化為電能來完成工作。其中利用的原理主要是在有陽光的地方，將光能電池主板中的光能轉化成電能，給電池供電。顯而易見，只要有陽光這種充分的必要條件，就能更好地提供電力。光伏發電系統發生交流負載時，應合理利應用適合的逆變器更換電流。一般來說，光伏發電系統主要包括控制器、電池、光伏組件以及逆變器等。其中控制器是為了確保電池使用時間和使用壽命，避免電池因為頻繁使用而損壞的現象。光伏發電組件用戶可以輕易將其與太陽能和其他電能之間關系進行熱能轉換。逆變器主要是將低頻直流電經過轉化轉變為高頻交流電。蓄電池就是一種用來儲存大量電能的,發揮在各種緊急情況下供電的重要作用。

二、現代民用建筑電路系統特征

在短距離現代化發展的同時，全國民用建筑住宅還具有以下特點:面積大，樓層高度大，電動自動水平標準高。他們為建筑供應系統提出了新的標準：（1）安全可靠性，供電電路規定必須設置主次兩種電路，按照一主一輔助的形式進行電源供應；（2）供配電位置要根據樓層自身的實際情況變化。一般處于高層的建筑物中的供配電變壓器需要設置在負荷的核心位置；（3）消防標準高，高樓層建筑設置多個消防出口，每個通道中配備滅火器，防止突發情況的發生。

三、太陽能光伏系統構筑一體化優點

要使光電池和構筑物二者相輔相成有兩種方法：第一，建筑與光伏系統的結合;第二，建筑與光伏設備的結合。建筑與光伏系統相結合，是在住宅樓頂安裝密封光伏組件，形成逆變器、電池、控制器和負荷的發電系統。光伏組件的用戶可以輕松地相對于太陽能和其他能源轉換熱量。變頻器主要將低頻直流電源轉換為高頻交流電源。蓄電池就是一種用來給水儲存大量電能的,在各種緊急情況下發揮給水供電的重要作用。當然，光伏設備還必須具備良好的建筑材料所需的隔熱性、絕緣性、防水防潮性、強度和剛性以及易碎等性能。作為窗戶材料要能透光。此外，還要滿足安全實用、美觀大方、方便施工等需求。

為了將太陽能引入建筑光伏體系能源中，必須將太陽能發電系統集成到建筑配電系統中。其次，首先要滿足建筑供電的基本要求:必須達到滿足建筑電力設備的電能質量標準。此系統根據民用建筑不同等級電力負荷標準進行設計;并網系統可與城市電網深度集成，可自由切換。

從建筑結構、技術手段、經濟效益等方面來看，從建筑供配電系統引入太陽能發電系統，并與建筑完美融合，從而獲得多方面的效益。例如：(1)節省土地，便于安裝太陽能并網系統。太陽能并網系統的光伏陣列一般設置在建筑物的屋頂或周圍墻壁上，不需要占用額外的土地資源或增加其他設施。適用于一線繁華城市人口密集的建筑和辦公區域；(2)減少資金投入，穩定電力供應，就地發電。在一定傳輸距離內,電廠建設可以大大減少其對輸電網絡的投資。光伏電力陣列與智能電網技術結合，提高光伏電力的安全可靠性和技術實用性；(3)為了便于節能，太陽能光伏陣列可以安裝在節能設施的結構上，如大型建筑的室內屋頂或外墻，將剩余太陽能能源轉化為其他電能，降低室外空調綜合使用溫度，從而大大減少室內中央空調使用負荷。既能有效節約能源，減少電能浪費，又好還能有效凈化室內空氣，保證廚房室內空氣清新質量，避免由于傳統工業化學生物燃料生產開發過程造成的室內環境嚴重污染的問題發生。

四、建筑供配電利用光伏發電系統的技術研究

（一）太陽能光伏發電的工作原理

太陽能電池將光轉換為電能的基本原理是：太陽能電池接受能量的光子后，半導體會生產出稱為“光生載流子”的電子-空穴對。二者電性相反，電子帶負電荷，空穴帶正電。電性相反時被半導體P-N結產生的靜電場分離。電子和空穴分別由太陽能電池的陽極和陰極收集，在外部電路中產生電流，因此產生電力。這樣,光能便成功地被轉變成作為一種電能。

（二）太陽能光伏發電種類劃分

從光伏綜合供電系統特征學的角度進行分析,光伏綜合發電配套系統大致可以劃分為兩下三大類。一種類型是獨立的公共太陽能風力發電機組系統(stand-alonepvsystem),它不需要使用公共熱力電網所能連接到的電力。這種形式現在是主流，主要用于小容量用戶、偏遠無電區域和特殊領域的電力供應。其次,與公共能源網格緊密連接的公共網格緊密連接系統太陽能光伏發電屋頂系統(gridconnectedpvsystem)如今,大型地區集中式綜合太陽能發電站、零散式小型太陽能發電屋頂站和太陽能光伏發電站等系統，均普遍采用公共網格緊密連接系統形式。在夜間或者日照總量不足、多云的天氣、雨霧多的天氣時,蓄電池直接向主要負載設備供電。負載輸入電壓經常都會發生頻率波動,因此我們需要在電控系統上直接安裝電壓控制器軟件來自動調節負載電壓。并網光伏發電系統，當太陽能電池板產生的電能超過負荷需求時，可以通過自動控制，即“逆流”傳輸到交流電網，相反，當陰雨天沒有陽光或太陽能供電達不到標準時，可以由城市電網供電。俗稱“電銷”。就是“積極潮流”，通常被稱為“購買電力”。

（三）備用電池谷量的統計

對于單獨光伏發電系統，太陽能發電和設備電力可能會受時間、環境和其他外界因素而的影響，因此這種不確定性要求供需兩端的電力實現動態平衡。蓄電池是維持這種平衡的“調節器”，其容量是否充足對確保持續的電力供應極為重要。在白天，太陽電池組直接提供設備所需電力；而在傍晚和雨季，如果白天陽光充足，系統就會發電，提供電池中儲存的電力。如辦公樓負荷日均用電量為22000w，相當于48V、458.3ah。根據當地梅雨日情況，以5天平均最大梅雨日為例，電池容量為48V、2750ah，使用24節2V、2750ah電池。

（四）逆變器聯網回路方法

光伏并網發電系統的主要技術設計難點是網絡變頻電路設計和安裝復合網過程帶來的一系列成本控制系統問題。目前,網絡電源逆變器的絕緣主要和電路絕緣模式主要類型有三種:在我國電網中，中高頻驅動變壓器電網絕緣裝置模式、高頻變壓器電網絕緣裝置模式和電網無線電變壓器絕緣模式。除第一種檢測方法外,后兩種檢測方法中還可以直接同時檢測直流輸出電流和入輸出,進一步提高了系統安全性。無直流變壓器工作方式由于其在制造成本、體積、重量、效率等諸多方面的巨大優勢,得到了廣泛的實際應用。在該電路中，通過升壓電路將太陽能電池板的直流電壓提高到無變壓器轉換器所需的電壓。變頻器將直流電轉換為交流電。控制器具備網絡保護繼電器的性能和網絡所需的手動開關，在發生突發事件時，可以立即分離變頻器和電網。

（五）建筑與光伏構件深入融合

光伏發電系統可以滿足建筑物的供配電功能。同時，與建筑結合的進一步目標是以光伏屋頂等形式實現光伏器件與建筑材料的一體化。鑒于這些形式，建筑外墻一般采用涂料、馬賽克等材料。有的甚至使用昂貴的玻璃幕墻，其作用是保護室內和裝飾。如果用光伏器件代替屋頂、外墻、遮陽棚甚至窗戶等材料，那么光伏器件可以用作建筑和裝飾材料，也可以用于發電。然后這些普通的技術并不能滿足現代社會的要需求，設備又提出了更高更新的要求。它需要具有耐熱性、阻斷電流、燃點低、防水防潮性能、抗風雪性能、重量輕、有一定的強度和剛度、不易開裂等性能。還應具有與建筑材料、同步使用壽命、安全可靠、美觀大方，易于施工等特點。如果用作窗戶材料，應該能透光。美國、日本、德國等發達國家的一些公司和大學，在政府的支持下，經過幾年的努力，研發出了很多集光伏器件和建筑材料于一體的產品。部分技術已經應用在現實生活中，有的正在測試論證中。目前，公司開發的光伏產品主要有雙層透明玻璃大中小尺寸光伏電池幕墻、透明半透明光伏電池模塊、隔熱節能隔音內外壁光伏電池模塊、光伏電池屋頂玻璃瓦、大中小尺寸、無框、雙透明玻璃瓦屋頂光伏電池模塊，來替代位于源和屋頂玻璃表皮的光伏電池模塊，包括迥然不同材料的著色、不一樣的材料形狀和排列在不同高度的光伏電池柔性模塊等。

五、結論

工業太陽能光伏一體化發電技術體系將逐步引入工業與民用建筑的光伏供配電，工業太陽能光伏作為綠色生態可再生能源和清潔能源為民用建筑供電。不僅有效緩解了建筑能源危機,而且十分符合國家綠色環保的發展要求。在未來的發展中，我們應該根據實際國情，使太陽能光伏發電技術在公共建筑中得到廣泛應用，促進太陽能發電技術在中國的快速發展。