公共建筑光伏發電系統設計要點及應用

國家能源集團 王黎璐

國能通惠（北京）科技有限公司 羅亞東

1 引言

隨著我國提出綠色發展的要求，建筑行業的發展核心逐漸轉變為低碳、綠色、無污染的趨勢，為達到穩定發展目標提供有效途徑。光伏發電系統能夠把太陽能轉化成電能，將其應用在公共建筑中，可以有效緩解各個地區的電力壓力。在實際設計公共建筑光伏發電系統設計時，必須掌握設計要點，保證系統的科學性與合理性，發揮出該系統的應用價值。

2 光伏發電系統的簡述

光伏發電是利用太陽能的方式，目前該發電方式已經被廣泛應用在日照時間較長而且具有大量光照的區域中。光伏發電系統如今已經成為我國生產新能源的一種重要方式。

在光伏發電系統中關鍵設備為太陽能光伏板，儲能設施、逆變器以及配電端屬于其相應的配套設施，該發電系統可以把太陽能轉化成電能，隨后輸入供用電端，光伏發電系統的發電流程如圖1所示。

圖1 光伏發電系統的發電流程

在設計光伏發電系統時，應保證系統能夠穩定、高質量運行，為做到該要求，實際設計時應全面考慮輸出功率、系統保護、運行安全以及閉網控制、充電系數等方面的參數。太陽能電池能夠輸出的實際電壓、電流大小和負載電阻自身的大小具有重要的關系，選擇恰當的電阻值能夠讓輸出電壓和電流的乘積處于最高值Pm，以此獲得最大的輸出功率。將工作電壓和電流的最大值稱為Um、Im，這時最大功率為Pm=UmIm。填充系數（FF）計算公式如式（1）所示：

3 公共建筑光伏發電系統設計要點

3.1 結合實際情況

在實際設計公共建筑光伏發電系統時，為保證設計質量，應與結構特點和建筑類型等相結合，根據實際情況進行設計，保證光伏發電系統不會給建筑的功能以及安全方面帶來影響。首先，研究人員要分析公共建筑當地的氣候情況和近幾年的太陽能資源情況，為設計光伏發電系統奠定基礎。其次，分析建筑本身能夠接受日光輻射的情況，如建筑物附近是否存在其他遮擋、建筑能夠接受的最長光照時間等。最后，確保和建筑物的外立面處于協調狀態，按照其裝飾風格，進行相應的設計，保證具有統一性。此外，在處理外立面中的透光區域時，可以優先使用采光頂進行施工，防止給室內采光帶來不良影響，將光能收集和自然采光相結合[1]。

在設計和安裝光伏組件時，既要充分考慮系統和組件安裝給公共建筑結構帶來的不良影響，還要從系統組件的穩定性出發，保證系統結構具有極高的安穩性、質量。所以，在設計過程中應對結構進行相應的計算，提前做好風險預估以及風險防范工作，保證后期施工作業時的安全性。

3.2 選擇恰當的光伏系統

光伏系統投入生產之后負載供電的方法不同，可以把光伏發電系統分為并網光伏系統、獨立光伏系統以及混合光伏系統等，光伏系統的類型以及適用場地見表1。其中并網光伏系統在我國經常被應用在分布式光伏發電建筑項目中，主要原因在于此系統能夠把電網當作儲存電能的裝置，不需要再額外配備電池，能夠節省成本，對占地要求較低；而且該系統在雷雨天、強降雨等天氣下，能夠直接把電網和光伏系統之間的聯系切斷，確保電網供電具有極高的穩定性和持續性。

表1 光伏系統的類型以及適用場地

在獨立光伏系統中，傳輸給負載的所有電力皆來源于光伏系統，該系統的結構極為簡單，部分能夠直接給負載提供直流電的系統，對逆變環節的依賴性較高。因此，可以把該系統應用在偏遠山區或者周圍設施不發達的公共建筑中。

混合光伏系統和其他系統相比具有極高的穩定性和持續性，本系統能夠把多種發電方式融入光伏系統中，保證系統在給負載供電時具有穩定性[2]。若是在深夜或陰天時，雖然光伏系統的輸出功率相對較小，但其他方式依舊能夠持續供電，能夠解決傳統、單一光伏系統存在的穩定性差、持續力度不足等問題。

4 公共建筑光伏發電系統設計要點的應用——以某商業樓為例

某商業樓屬于甲類建筑，為一棟中型商場。整棟樓宇中皆具有中央空氣調節系統，為了達到我國對甲類建筑的要求，其在建造期間需要完成65%以上的節能設計目標，以此滿足《公共建筑節能設計標準》的需求。因此，結合該商業樓的實際用途和需求發現光伏發電系統不僅具有較高的經濟性，具備實用性，因此該建筑選擇采用光伏發電系統。

4.1 設計發電系統

公共建筑光伏發電系統和地面光伏發電系統具有較大的差異性，其在設計光伏方陣時需要考慮建筑面積和對采光的實際需求，所以應按照光伏方陣的布置面積、日照情況等，選擇恰當的發電功率配套系統，保證所設計出的發電系統能夠達到建筑的具體需求。

4.2 設計光伏方陣

現代化的公共建筑對外觀裝飾以及構造的要求相對較高，在設計光伏方陣時，應按照其外飾以及外形特點進行設計，而且方陣的形狀、顏色、板塊大小、朝向等皆需要保證和公共建筑的外立面設計保持一致[3]。設計人員為達到該目標在實際設計時需要積極、主動地和建筑單位進行溝通。另外，在實際設計時還需要確定光伏發電系統的實際類型，如并網系統、混合系統等，按照光伏輸出功率、光伏系統選型，科學設置逆變器和控制器等。

4.3 選擇光伏系統

上文對當前常用的光伏系統進行逐一分析，混合光伏系統、并網光伏系統以及獨立光伏系統彼此之間的優缺點，而且適用范圍并不完全。該公共建筑在設計選擇光伏系統時，為了保證供電的穩定性和安全性，選擇采用混合光伏系統，確保經濟效益，給予顧客高質量的購物體驗。

4.4 選擇光伏實施方式

現階段，在采用的光伏實施方式為光伏采光頂以及光伏幕墻等，光伏實施方式類型與優點見表2。在安裝光伏采光頂時不僅需要保證光伏組件安裝具有極高的安全性以及防滲漏等，還應該滿足室內的采光需求。所以，應用的光伏元件需要具備透光性，通常將透光率保持在11%～14%。

表2 光伏實施方式類型與優點

在實際應用過程中需要把光伏組件和屋面相結合，使用玻璃采光頂、光伏屋面等。在光伏建筑中使用光伏屋面，可以在一定程度上發揮出屋頂空間的作用，還可以優化屋面的透光率，使其產生多種節能降耗的作用。該采光頂的優點是能夠和公共建筑相互結合，開發屋頂空間，而且不會影響建筑物外立面的設計藝術。

光伏幕墻是采用光電板代替傳統玻璃膜墻，由玻璃構件組成的一種光伏發電系統，其構造方法和傳統的玻璃幕墻具有極高的相似性，應用高性能的光電板組件，讓光伏幕墻具有較好的遮陽、采光以及保溫性能。從功能角度出發能夠有效取代玻璃幕墻，能夠把光能轉化成電能，社會、經濟與環境效益極為明顯。我國常用的光伏幕墻為半透明幕墻與不透明幕墻。其中，半透明幕墻基本使用非晶硅薄膜電池，主要優點為對襯底材料的要求較低，能夠在低溫情況下沉積在玻璃襯底中[4]；缺點為對光能的利用效率比較低。不透明幕墻中所用的光電光主要為多晶硅與單晶硅組件，優點為遮陽性能優越以及對光電的轉化效率相對較高。因為在使用光伏幕墻時，不僅要達到發電的功能要求，還應滿足公共建筑物對采光和造型等方面的需求，為達到該目標，其造價成本相對較高。

從建筑的安全性、穩定性、美觀性出發，為達到“增綠降耗”的目的，本商業樓采用光伏采光頂和光伏幕墻結合使用，以此保證經濟性。

4.5 設計光伏組件

光伏發電板所使用的材料有效接觸面積將會直接決定系統自身的發電功率，為有效提升發電效率，必須與建筑物的朝向和所在地的日照條件等相結合。同時，做好光伏發電系統和建筑結構之間的協同設計，在符合其功能需求的基礎上，保證設計具有和諧、統一性以及美觀性[5]。在該商業樓中光伏發電系統處于室外，對基礎設備的要求性相對較高，在實際設計時還對面板組件、結構支撐系統進行優化。

4.6 設計光伏線路

在光伏發電系統中電路屬于其運行基礎，該系統是通過若干功能的組件與電子元器件利用電路進行連接，以達到傳輸電能的目的。在實際設計電路時，應將幕墻組件和屋面組件進行單獨設計，隨后把獨立的光伏組件使用串聯的方法進行連接。按照光伏發電系統對整體輸出功率的具體要求，將6 個光伏單體串聯組成一套完整的光伏組件，其再利用匯流組件形成完善的光伏系統。在光伏系統的電路中串聯相應的逆變器，最后接入配電端。在實際電路中控制器與電量表串聯，完成對電路的監控控制與電量統計。

4.7 設計效果

光伏發電系統能夠有效滿足公共建筑的用電負荷。為分析其變化趨勢，本文對某商業樓1月和8月的電力負荷進行分析。其中，某商業樓1月的電力負荷數據見表3，某商業樓8月的電力負荷數據見表4。

表3 某商業樓1月份的電力負荷數據

表4 某商業樓8月份的電力負荷數據

由表3 可知，由于1月處于冬季，天氣較為寒冷，電力負荷略顯上升，但整體電力水平較為穩定，電力的消耗具有一定的規律。因此，從電力費用角度進行分析，應用光伏發電系統具有極高的經濟價值。

5 結語

隨著我國社會對電力的需求越來越大，且不可再生資源面臨著枯竭的危險，在公共建筑中應用可再生能源屬于必經之路。在公共建筑中應用光伏發電系統，具有極高的經濟價值，并且能夠促進建筑行業綠色、低碳發展。