我國民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計的研究

冒堅

摘要：本文對民用建筑光伏系統(tǒng)的分類和組成進行了研究，詳細分析了光伏電池的分類和優(yōu)缺點，光伏電池的特性參數(shù)和電氣特性，儲能裝置、逆變器的分類和特性參數(shù)，分析了民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計的原則和內(nèi)容，研究了光伏系統(tǒng)的設計方法，以充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的功能效用，為后續(xù)建筑電氣的高效使用提供保障。

關鍵詞：民用建筑;光伏系統(tǒng);電氣設計

引言

光伏發(fā)電技術是當前時代背景下應用較為廣泛的發(fā)電技術。在光伏電池的作用下，太陽能能夠被直接轉化為電能，有助于減少能量在傳輸過程中發(fā)生的損耗。同時，太陽能技術的應用也可以就降低我國的發(fā)電成本，實現(xiàn)對無電地區(qū)的供電。但由于我國在民用建筑光伏系統(tǒng)的設計研究中存在不足，使得光伏發(fā)電技術的發(fā)展受到了一定的阻礙，需要相關技術人員加以重視。

1 民用建筑光伏系統(tǒng)的分類與組成

在民用建筑建設中，光伏系統(tǒng)的設立目的在于將太陽能直接轉化為可用電能，主要分為獨立光伏系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩種。而隨著科技水平的不斷提高，當前的民用建筑在光伏系統(tǒng)的選擇中以智能微網(wǎng)光伏系統(tǒng)為主要選擇。與其他系統(tǒng)相比，由于該系統(tǒng)連接的電網(wǎng)往往處于獨立運行的狀態(tài)，使得其具備完整的發(fā)輸配電功能，能夠滿足電網(wǎng)負載穩(wěn)定運行的要求。

1.1 獨立光伏系統(tǒng)

獨立光伏系統(tǒng)主要指未與公共電網(wǎng)相連的系統(tǒng)，主要用于偏遠山村、高原沙漠等地區(qū)，或部分無電區(qū)域，其裝機容量往往在幾十瓦到幾百瓦之間，且供電效果受周邊環(huán)境影響較大，供電穩(wěn)定性也難以得到保障。獨立光伏系統(tǒng)主要以光伏方陣、儲能裝置、充放電控制器等設置組成，切當供電形式為交流電時，還需安裝逆變器，保證輸電工作的有序進行。

如圖1所示，光伏電池方陣接受到光照時，其會將太陽能轉化為可供負載運行的電能，并將剩余電能儲存至蓄電池組等儲能裝置中，以在無光照的情況下，為負載運行提供電能。

1.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連的光伏系統(tǒng)，主要應用于有公用電網(wǎng)的地區(qū)。從實際效果來看，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的裝機容量較大，供電質量與穩(wěn)定性都相對較高，且受外界環(huán)境因素的影響較小。經(jīng)過多年研究實踐，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的技術發(fā)展相對成熟，且在當前行業(yè)中的應用也愈發(fā)廣泛。

如圖2所示，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由光伏方陣、逆變器等設備組成。當光伏方陣接收到光照時，其產(chǎn)生的電能會通過逆變器轉化為與公共電網(wǎng)同頻的交流電能。但與獨立光伏系統(tǒng)不同，在滿足負載運行的電能需求后，系統(tǒng)會將剩余電能輸送至公共電網(wǎng)中，以滿足其他負載的運行需求。同時，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)其儲能裝置類型的不同分為可調(diào)度式與不可調(diào)度式兩種。可調(diào)度式系統(tǒng)能夠在接受光照時將多余電能儲存在儲能裝置中，以滿足公共電網(wǎng)出現(xiàn)異常時系統(tǒng)的運行需要。而不可調(diào)度式修通則無法在公共電網(wǎng)出現(xiàn)異常時正常工作。因此，可調(diào)度式系統(tǒng)對太陽能的利用更加充分，還能對公用電網(wǎng)進行調(diào)峰。但其在使用過程中不僅會受到儲能裝置本身特性的限制，還存在投資及運行成本高，易在廢棄后對環(huán)境造成污染等問題，不能大規(guī)模使用。不可調(diào)度式系統(tǒng)由于以公共電網(wǎng)代替儲能裝置，使得公共電網(wǎng)的整體性價比更高，適合進行大規(guī)模的推廣應用。

此外，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)其并網(wǎng)方式又可以分為逆流系統(tǒng)與非逆流系統(tǒng)兩種。其中，逆流系統(tǒng)在接受光照時，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能主要用于支持負載運行，待負載運行結束后再將剩余電能傳輸至公共電網(wǎng)中，并在無光照的情況下由公共電網(wǎng)提供電能;非逆流系統(tǒng)則為在有光照時，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能全部傳輸至負載中，并在無光照的情況下有公共電網(wǎng)負責負載運行的電力支持。

2 民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計原則和內(nèi)容

作為建筑電氣設計中的重要內(nèi)容，技術人員在進行民用建筑光伏系統(tǒng)的電氣設計時，應當堅持協(xié)調(diào)統(tǒng)一的設計原則，保證光伏系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)的設計效果均能與建筑電氣設計的整體效果相匹配。當兩種設計出現(xiàn)偏差時，應以建筑電氣系統(tǒng)的標準為主，對光伏系統(tǒng)的電氣設計進行調(diào)整，以保障民用建筑電氣設計的整體效果。

民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計的內(nèi)容如下：首先，對光伏系統(tǒng)建設地點的地理信息、氣候特征等信息進行全面研究，并結合建筑物的使用功能、負載性質等，對光伏系統(tǒng)的類型進行合理選擇，并編制相應的系統(tǒng)設計方案。隨后，設計人員需要根據(jù)上述信息選擇適宜的光伏系統(tǒng)組件，并對光伏方陣的朝向、間距等進行合理設計，以最大化提高光伏方陣的發(fā)電效率。其次，技術人員需要對光伏系統(tǒng)裝機容量進行計算，并根據(jù)裝機容量選擇適宜的逆變器，再根據(jù)逆變器及相關組件的參數(shù)計算光伏組件的串并聯(lián)數(shù)。再次，技術人員還需對光伏系統(tǒng)的發(fā)電量進行準確計算。而當光伏系統(tǒng)存在儲能環(huán)節(jié)時，還需根據(jù)需要完成儲能環(huán)節(jié)的設計。最后，對光伏接電箱、配電柜、線纜等設施進行供配電設計，以便充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的作用。

3 民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計方式

3.1 光伏方陣設計

在方陣設計開始前，技術人員需要確定建設地點的各項信息，如經(jīng)緯度、海拔、氣候特性等。只有對環(huán)境信息有足夠的了解，后續(xù)太陽能光伏方陣的設計效果才能得到保障。同時，技術人員還需關注太陽能資源條件，如全年太陽輻射總量、年平均日照時間等。這些信息是決定光伏方陣整體朝向、間距等信息的基礎，也是設計人員開展方陣設計的重要前提。

首先，技術人員需要明確，光伏方陣的朝向通常以其方位角與組件傾角來確定。其中，方位角指方陣向陽面的法線在水平面上的投影與正南方向的夾角。太陽輻射對方位角的變化十分敏感，一般而言，位于北半球的光伏組件在其方位角為正南時，所接受的太陽輻射量最大。但由于在實際的建設過程中，光伏方陣的朝向常會在不同因素的影響下，無法保持標準的正南設置，這使得在實際的建設過程中，技術人員需將方陣的方位角保持在正南方向±20°左右。在這一區(qū)間內(nèi)，太陽輻射量并不會發(fā)生明顯的變化，這在高緯度及太陽能資源充沛的區(qū)域更加明顯。

其次，在光伏方陣運行過程中，不同電池間的相互遮擋現(xiàn)象較為嚴重，這使得前排組件常會處于后排方陣的陰影中，導致其無法充分接受光照，進而對其發(fā)電效率造成了嚴重的影響。這在屋頂光伏方陣中十分常見。因此，在設計方陣形式的過程中，技術人員的首要任務就是對方陣的最小間距進行準確計算。另外，對具體的設計過程而言，方陣的間距應當比最小間距稍大一些，以便后續(xù)光伏組件與電氣裝置安裝工作的展開。

此外，光伏組件在安裝過程中可采用固定式、可調(diào)節(jié)式與自動跟蹤式三種方式進行安裝。受技術及成本等因素的限制，民用建筑設計中往往采用固定式支架進行安裝，其最小間距的計算方式如下：

3.2 供配電設計

3.2.1 光伏接線箱設計

光伏接線箱指將光伏方陣中的所有組件進行有效連接的箱體保護器流斷路器、電涌保護其等設施也被安裝在箱體中。通過該設備的應用，技術人員能夠在對光伏系統(tǒng)進行檢查、維護的過程中對電路進行分離、保護，并在光伏系統(tǒng)發(fā)生故障的過程中減小停電范圍。其中，接線箱內(nèi)部需設置匯流銅母排和端子，以通過線纜將光伏組件引至匯流母排中，并在母排前后分別設置隔離電器與短路保護電器等，使接線箱得以安全運行。此外，設計人員還需對接線箱的位置進行合理調(diào)整，并做好接線箱的防水、防等級措施，保證其防護登記在IP54以上，以便后續(xù)操作及檢修工作的展開。而帶有數(shù)據(jù)采集或通信功能的接線箱的防護等級應在IP65以上。

3.2.2 光伏配電箱設計

光伏配電箱主要包括直流配電箱與交流配電箱兩種。配電箱內(nèi)部一般設置匯流銅母排，并安裝直流斷路器、電涌保護器等元件。在室內(nèi)，配電箱的存放場需保持干燥，且其位置也需便于維護和檢修。室外配電箱應具備相應的防水、防腐等措施，防護等級應在IP54以上。

3.2.3 并網(wǎng)配電箱（柜）設計

并網(wǎng)配電箱的主要作用在于將光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)進行連接，其具備防雷接地、電能計量、隔離、保護等功能。另外，當光伏系統(tǒng)并網(wǎng)完成后，一旦公共電網(wǎng)或系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障問題，且兩系統(tǒng)間未能及時脫離，就可能對電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定及人身安全造成重要的影響。因此，技術人員必須在光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)間安裝專門的連接裝置與隔離設備。

3.2.4 光伏系統(tǒng)保護設計

光伏系統(tǒng)保護設計的主要內(nèi)容為防雷與接地保護，其設計人員還需對建筑電氣系統(tǒng)設計加以考慮。一般而言，雷擊主要分為直擊雷與感應雷兩種形式。其中，直擊雷指雷擊與光伏方陣直接接觸，使雷電貫穿于光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，需通過安裝避雷針或避雷帶等方式完成保護。而感應雷則指在電磁感應或靜電感應的影響下產(chǎn)生的雷擊現(xiàn)象，主要通過安裝電涌保護器等設置進行處理。從實際表現(xiàn)來看，雷電的破壞力相對巨大，不僅會導致設備損害，影響電力系統(tǒng)的正常運行，還會給現(xiàn)場人員的安全帶來嚴重的威脅，引發(fā)火災等重大安全事故。因此，科學合理的防雷設計十分重要。

在接地保護中，設計人員需要明確，接地的首要開展目標在于保障現(xiàn)場人員的安全，避免設備受到損害。在證光伏方陣得接需要保證光伏方陣的接地線與建筑接地系統(tǒng)相聯(lián)系，連接點應保持在兩處以上，且全部的金屬設備均需要單獨接到接地干線上，而不能在串聯(lián)后再接到干線上。

結束語

在當前的民用建筑中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計能夠有效降低建筑能耗，提高建筑施工單位的經(jīng)濟效益。這不僅有助于節(jié)能環(huán)保目標的落實，還能為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施奠定基礎。由此，本文對民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設計進行研究，通過對光伏方陣設計及供配電設計進行分析，提出了相應的設計方案，以便提高電氣設計水平，使光伏系統(tǒng)的效用得以充分發(fā)揮。

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