太陽(yáng)能光伏建筑一體化的分析與設(shè)計(jì)

郭 海

（福建九牧集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361004）

在全球能源日益短缺的今天，開(kāi)發(fā)可再生能源已成為全世界面臨的重大課題。而光伏發(fā)電，尤其是光伏建筑一體化（BIPV）發(fā)電系統(tǒng)，就是利用安裝在建筑物或與建筑物結(jié)合在一起的太陽(yáng)能電池（光伏電池）的光電效應(yīng)，直接把太陽(yáng)能這種可再生能源的輻射能轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式，它所生成的電能經(jīng)過(guò)與其相配套的逆變控制器的轉(zhuǎn)換，直接滿足該建筑的用電需求。如果所生成的電能有富余，則會(huì)輸送給市政電網(wǎng)，如果電能不夠該建筑的使用，則直接從市政電網(wǎng)饋入（如圖1所示）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物能耗至少占世界總能耗的 30%，BIPV將是未來(lái)光伏發(fā)電的最大市場(chǎng)，太陽(yáng)能電源系統(tǒng)與建筑物的結(jié)合，將使太陽(yáng)能電源向替代能源過(guò)渡，成為世界能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，從而根本改變太陽(yáng)能電源在世界能源中的從屬地位。

圖1 光伏建筑一體化（BIPV）并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理

太陽(yáng)投向地球的能量資源是無(wú)窮大，永不枯竭的，從而使光伏建筑一體化的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)具有諸如清潔并減少溫室氣體排放、平衡電網(wǎng)負(fù)荷、降低電力輸送成本等優(yōu)點(diǎn)。

太陽(yáng)能光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)通常采用與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的形式，包括設(shè)計(jì)條件、光伏組件設(shè)計(jì)以及逆變器、配套設(shè)備、硬件設(shè)施等在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)步驟

光伏建筑一體化太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟包括當(dāng)?shù)刭Y源和情況的可行性研判、太陽(yáng)能光伏組件及電池容量的計(jì)算、包括逆變器等在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如圖2所示）。

圖2 光伏建筑一體化太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）太陽(yáng)能光伏電池板要與建筑物外形及周邊環(huán)境協(xié)調(diào)。

2）在不影響建筑物結(jié)構(gòu)和造價(jià)允許的情況下，盡可能多的布置太陽(yáng)能電池板。

3）如果太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電容量不是非常大，就盡可能將控制器與逆變器結(jié)合為一體，具體情況見(jiàn)表1。

1.3 設(shè)置地點(diǎn)和建筑物的條件

廈門地處我國(guó)東南沿海地區(qū)，地點(diǎn)在東經(jīng)118°04′04″、北緯 24°26′46″，平均海拔 201m，年平均氣溫在21℃左右，平均濕度76%，年平均降雨量在1200mm左右，每年5月至8月雨量最多，風(fēng)力一般為3～4級(jí)，每年會(huì)受3～5個(gè)臺(tái)風(fēng)影響，年日照輻射量在5000～6000MJ/m2范圍內(nèi)，要滿足抗風(fēng)壓（130km/h，2400pa）及抗直徑 25mm 冰雹（以 23m/s）的沖擊。

要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、現(xiàn)有狀況可以鋪設(shè)多少太陽(yáng)能電池板，并確定太陽(yáng)能電池方陣的安裝位置，可根據(jù)場(chǎng)地的大小和每塊太陽(yáng)能電池組件的尺寸進(jìn)行布置，盡量在朝南方向單排安裝，如果一排安裝不下，可分幾排安裝，但在計(jì)算過(guò)程中要考慮建筑物、樹(shù)木的遮擋，以及電池板的傾斜角。本例中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，廈門某小區(qū)共有6棟各6層的坐北朝南居民建筑物，小區(qū)雖有綠化，但沒(méi)有高的樹(shù)木，周圍也沒(méi)有其它高的建筑物或鐵塔，因此周邊環(huán)境不會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池形成陰影。同時(shí)經(jīng)測(cè)量每棟建筑物屋面尺寸分別為36m×12m，考慮到安裝以及將來(lái)的維護(hù)通道，每棟建筑物屋面的有效尺寸為 33m×10m。光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸送的電能將與小區(qū)配電系統(tǒng)并網(wǎng)連接。

2 光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能光伏方陣的設(shè)計(jì)

2.1 BIPV中光伏組件的技術(shù)要求

1）基本原則：滿足平均天氣和建筑物條件下，盡可能增大光伏板方陣的面積，從而發(fā)出更多電能。

2）合格的電池組件應(yīng)該達(dá)到一定的技術(shù)要求：

（1）光伏組件在規(guī)定工作環(huán)境下，使用壽命應(yīng)大于 20年（標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境是 AM1.5，太陽(yáng)輻射量1kW/m2，環(huán)境溫度為25℃）。

（2）光伏組件在20年壽命期內(nèi)，其功率衰降不得低于原功率的80%。

（3）光伏組件的電池上表面顏色應(yīng)均勻一致，無(wú)機(jī)械損傷，焊點(diǎn)及互連條表面無(wú)氧化斑。

（4）組件的每片電池與互連條應(yīng)排列整齊，組件的框架應(yīng)整潔無(wú)腐蝕斑點(diǎn)。

（5）組件的封裝層中不允許氣泡或脫層在某一片電池與組件邊緣形成一個(gè)通路，氣泡或脫層的幾何尺寸和個(gè)數(shù)應(yīng)符合相應(yīng)的產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范規(guī)定。

（6）組件的功率面積比大于65W/m2，功率質(zhì)量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。

（7）組件EVA的交聯(lián)度應(yīng)大于65%，EVA與玻璃的剝離強(qiáng)度大于30N//cm，EVA與組件背板材料的剝離強(qiáng)度大于 15N/cm（EVA膠膜是乙烯和醋酸乙烯脂的共聚物，是一種熱固性的膜狀熱熔膠，是電池封裝的黏結(jié)材料）。

（8）組件在正常條件下的絕緣電阻必須大于200M?。

表1

（9）組件的一些重要性能參數(shù)：轉(zhuǎn)換效率N≥85%；填充因子FF在0.5～0.8之間；36片電池片串聯(lián)的組件峰值電壓為17～17.5V；36片電池片串聯(lián)的組件開(kāi)路電壓為21V左右。

（10）有著可靠的防雪、防結(jié)露、防過(guò)熱、防沙塵、防雷、抗雹、抗臺(tái)風(fēng)和抗震等技術(shù)措施。

2.2 太陽(yáng)能光伏方陣的最佳傾角的確定

在光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光伏方陣的放置角度對(duì)光伏系統(tǒng)的接收到的太陽(yáng)輻射有很大影響，影響到整個(gè)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。雖然光伏方陣的放置形式有固定式和自動(dòng)跟蹤式，但自動(dòng)跟蹤式的初期安裝和維護(hù)成本比較高，本文不做考慮。我國(guó)地處北半球，太陽(yáng)能光伏方陣通常朝南安裝，但光伏方陣安裝的傾角不能估計(jì)，也不能籠統(tǒng)的定義為當(dāng)?shù)氐木暥?，需要通過(guò)計(jì)算確定，如果采用固定式的安裝方式，一旦完成安裝，光伏方陣就不能再進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于負(fù)載負(fù)荷均勻或近似均衡的光伏建筑一體化光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射均勻性對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響很大，對(duì)其進(jìn)行量化處理而引入一個(gè)量化參數(shù)，即輻射累計(jì)偏差δ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Htβ為傾角β的斜面上各月平均太陽(yáng)輻射量；Htβ為該斜面上的年平均太陽(yáng)輻射量，M(i)為第i月的天數(shù)?？梢?jiàn)，δ的大小直接反映了全年輻射的均勻性，δ越小輻射均勻性越好。按照負(fù)載的負(fù)荷均勻或近似均衡的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的要求，理想情況當(dāng)然是選擇某個(gè)傾角使得Htβ為最大值，δ為最小值。但實(shí)際情況是，二者所對(duì)應(yīng)的傾角有一定的間隔，因此選擇太陽(yáng)能電池組件的傾角時(shí)，只考慮最大值Htβ或取δ最小值必然會(huì)有片面性，應(yīng)當(dāng)在二者所應(yīng)的傾角之間進(jìn)行優(yōu)選。為此，需要定義一個(gè)新的量來(lái)描述傾斜面上太陽(yáng)輻射的綜合性，稱其為傾斜輻射系數(shù)，以K表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，H為水平面上的年平均太陽(yáng)輻射量。由于Htβ與β都與光伏電池組件的傾角有關(guān)，所以當(dāng)K取極大值時(shí)應(yīng)當(dāng)有(dK/dβ)=0。求解上述三式，即可求得最佳傾角。通過(guò)上述方法的計(jì)算，可以求出廈門地區(qū)的太陽(yáng)能電池方陣的安裝傾角為29.6°，為方便計(jì)算，我們?nèi)?0°。

2.3 太陽(yáng)能光伏電池板的有效面積的確定

廈門處于北緯24°26′46″，光伏方陣也將安裝在屋面上，方向朝南，并與屋面成 30°安裝傾角。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算，得到以下結(jié)果：①屋面的有效尺寸33m×10m，且電池方陣傾角30°；②即10/(cos30°)= 11.55，③所以太陽(yáng)能電池方陣的有效尺寸是33m×11.55m。

表2

通過(guò)表2得到2009年廈門市太陽(yáng)能年輻射量為5505.11MJ/M2，即 1529.20kW·h/m2r。

2.4 BIPV中光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的主要目的就是要計(jì)算出系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需的太陽(yáng)能電池組件的數(shù)量，同時(shí)也要協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，在滿足系統(tǒng)工作的最大可靠性基礎(chǔ)上盡量地減少系統(tǒng)成本的投入。建筑光伏一體化（BIPV）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電量，通常使用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

年發(fā)電量(kW·h)=當(dāng)?shù)啬昕傒椛淠?kW·h/m2)×光伏方陣面積(m2)×電池組件轉(zhuǎn)換效率×修正系數(shù)，即P=HANK(N=單晶硅 13%，多晶硅 11%，本案例使用多晶硅)=1529.2×(33×11)×13%×0.8×0.92×0.92×0.95×0.85=39456.85(kW·h)(年發(fā)電量)

其中，當(dāng)?shù)啬贻椛淞康臄?shù)據(jù)取自表1，而K分別由k1，k2，k3，k4，k5，k6組成，k1為太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期運(yùn)行性能衰降修正系數(shù)，常為 0.8；k2為灰塵遮擋引起太陽(yáng)能電池板透明度修正系數(shù)，常為0.92；k3為太陽(yáng)能電池溫升導(dǎo)致功率下降修正系數(shù)，常為0.92；k4為導(dǎo)電損耗修正系數(shù)，常為0.95；k5為逆變器效率，常為0.85；k6為太陽(yáng)能電池板朝向及傾斜角修正系數(shù)，常為0.93。

2.5 光伏組件的電路

（1）光伏組件的等效電路見(jiàn)圖3。

如圖3所示，當(dāng)有太陽(yáng)照射時(shí)，太陽(yáng)能芯片ISC接收陽(yáng)光，整個(gè)電池連接負(fù)載（R）后形成一個(gè)閉合電路，也就是電池向負(fù)載送電能，負(fù)載的電壓為U，電流I；而圖3說(shuō)明了太陽(yáng)能光伏方陣是由電池組件、旁路二極管、帶避雷器的直流接線箱構(gòu)成。

圖3 太陽(yáng)能光伏電池等效電路

圖4 太陽(yáng)能電池方陣電路圖

2.6 BIPV中發(fā)電系統(tǒng)容量中的光伏方陣數(shù)量的計(jì)算

因?yàn)?BIPV中的發(fā)電系統(tǒng)，是在現(xiàn)有建筑物上盡可能鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板，在設(shè)計(jì)過(guò)程從常用太陽(yáng)能光伏電池中選擇與現(xiàn)有建筑物（例如屋面）尺寸相匹配的組件。在本案例中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算，已經(jīng)知道每棟建筑物屋面的太陽(yáng)能光伏方陣的最大尺寸范圍是33×11m，通過(guò)計(jì)算和比較，選擇常規(guī)組件的尺寸為1485×665mm，峰值電壓為17.2V，峰值電流為6.31A，峰值功率110W的太陽(yáng)能光伏組件。當(dāng)然，也可以按照屋面現(xiàn)有尺寸重新加工太陽(yáng)能光伏組件，但成本會(huì)高很多。

1）太陽(yáng)能光伏方陣的總數(shù)量：

2）太陽(yáng)能光伏方陣的組件的串聯(lián)數(shù)量：380/17.2≈22塊（市政電網(wǎng)電壓是 380V，每個(gè)組件的電壓17.2V）。

3）太陽(yáng)能光伏方陣組件的并聯(lián)數(shù)量：負(fù)載總負(fù)荷/單片組件負(fù)荷=(15×2×6×3)/(6.31)≈86 塊。

A．普通居民家庭負(fù)荷通常是3KW，也就是15A的電流（如表3所示）。

B．該小區(qū)每棟樓有 3個(gè)單元，每單元每層 2戶家庭，共6層。

2.7 BIPV中的光伏太陽(yáng)能電池組件外型尺寸的確定

通過(guò)上述太陽(yáng)能光伏方陣的相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，并參考電池組件的技術(shù)要求，就可以選擇電池組件的技術(shù)規(guī)格并安裝太陽(yáng)能光伏組件。像本案例一樣，對(duì)于已有建筑是直接在樓頂架設(shè)太陽(yáng)能電池板（太陽(yáng)能光伏方陣），一是減輕對(duì)屋面的破壞進(jìn)而降低安裝成本；二是進(jìn)一步提高散熱能力，太陽(yáng)能電池板與屋面或地面都是成一定的角度（本案例的傾角是30°），也就是在太陽(yáng)能電池板的下面有一定的空間，從而更容易將太陽(yáng)能電池組件所散發(fā)出的熱量散去，提高太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電功率和發(fā)電效率。另外，如果是現(xiàn)有建筑，尤其是新建筑，除屋面外，在建筑的南側(cè)，甚至東側(cè)或西側(cè)的外墻都用太陽(yáng)能電池板代替建筑外墻磚，就能更加提高太陽(yáng)能光伏方陣的發(fā)電量。通過(guò)以上分析，擬選擇規(guī)格尺寸為1485mm×665mm的多晶硅電池組件作為本案例的太陽(yáng)能光伏方陣。而通過(guò)計(jì)算可知六棟樓的年發(fā)電量為236,741.1kW·h/y。

表3

3 光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)中逆變器控制器的設(shè)計(jì)

3.1 逆變控制器的功能

對(duì)于BIPV系統(tǒng)，因需要向交流負(fù)載或市政電網(wǎng)供電，必須配備相應(yīng)的逆變控制器，其主要有逆變、控制、保護(hù)功能，具體作用是將直流電變換為交流電，同時(shí)對(duì)所轉(zhuǎn)換交流電的頻率、電壓、相位、有功與無(wú)功、同步、包括電壓波動(dòng)和偕波在內(nèi)的電能品質(zhì)等進(jìn)行控制。而并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輸入電壓是每塊組件輸出電壓（一般為17V或35V左右）的整數(shù)倍，其額定功率應(yīng)稍大于太陽(yáng)電池方陣的輸出功率，整個(gè)系統(tǒng)還必須配備必要的檢測(cè)、并網(wǎng)、報(bào)警、自動(dòng)控制、測(cè)量及顯示等一系列功能，特別是必須具備防止“孤島效應(yīng)”的功能，以確保光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全。

3.2 逆變控制器的設(shè)計(jì)要求

BIPV的光伏發(fā)電系統(tǒng)將與市政電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)逆變控制器提出了較高的技術(shù)要求：

1）要求逆變控制器輸出波形失真度不超過(guò)5%的三相正弦波電流。光伏系統(tǒng)饋入公用電網(wǎng)的電力，必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的指標(biāo)，如逆變控制器的輸出電流不能含有直流分量，高次諧波必須盡量減少，不能對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染等。

2）要求逆變控制器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運(yùn)行。光伏系統(tǒng)的能量來(lái)自太陽(yáng)能，而日照強(qiáng)度隨氣候而變化，所以工作時(shí)輸入的直流電壓變化較大，這就要求逆變控制器能在不同的日照條件下均能高效運(yùn)行。

3）要求逆變控制器能使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)。太陽(yáng)能電池的輸出功率與日照、溫度、負(fù)載的變化有關(guān)，即其輸出特性具有非線性關(guān)系。而且在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有限定，其偏差不超過(guò)額定值的±3%，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)≤±6%；在負(fù)載突變或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)變化情況下，其輸出電壓偏差不超過(guò)額定值的±8%或±10%。這就要求逆變控制器具有最大功率跟蹤功能，即不論日照、溫度、電壓等如何變化，都能通過(guò)逆變器的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)方陣的最佳運(yùn)行。

4）要求逆變控制器具有體積小、可靠性高、噪聲低等特點(diǎn)。對(duì)于戶用的光伏系統(tǒng)，其逆變控制器通常安裝在室內(nèi)或掛在墻上，因此對(duì)其體積、重量均有限制。另外，對(duì)整機(jī)的可靠性也提出較高的要求。由于太陽(yáng)能電池的壽命均在20年以上，所以與其配套設(shè)備的壽命也必須相當(dāng)長(zhǎng)。

5）在有些場(chǎng)合，要求在市電斷電狀況下，在有日照時(shí)逆變控制器能夠單獨(dú)供電。又由于逆變控制器由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電，不消耗公網(wǎng)電力。在低日照強(qiáng)度下，逆變控制器應(yīng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)代的光伏發(fā)電系統(tǒng)在 50W/m2的日照強(qiáng)度下，即可以實(shí)現(xiàn)向公共電網(wǎng)供電；而且即使逆變控制器在額定功率10%的輸入情況下，也能保證90%的轉(zhuǎn)換效率。

6）光伏建筑一體化逆變控制器還必須具有一系列防雷擊、過(guò)電流、過(guò)熱、短路、反接、直流電壓異常、電網(wǎng)電壓異常等檢測(cè)、保護(hù)及報(bào)警功能。特別是電網(wǎng)突然發(fā)生故障時(shí)，逆變控制器必須將BIPV光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠自動(dòng)從主網(wǎng)解列或在極短時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)（喪失主電網(wǎng)電壓、短路在0.1s、反向/逆向電流保護(hù)在0.5s、絕緣破壞或者孤島效應(yīng)2s），以保障電網(wǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 孤島效應(yīng)的危害

由于光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)是直接將太陽(yáng)能逆變后饋送給電網(wǎng)或用戶，所以需要各種完善的保護(hù)措施。對(duì)于通常系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)的方陣或功率器件過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱等故障狀態(tài)，可以通過(guò)逆變控制器里的硬件電路檢測(cè)，配合軟件加以判斷、識(shí)別并進(jìn)行處理。但光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，還需要考慮當(dāng)市政電網(wǎng)因故障而跳脫時(shí)，就出現(xiàn)一個(gè)BIPV發(fā)電系統(tǒng)與用戶的負(fù)載形成市政電網(wǎng)無(wú)法掌控的自控孤島（如圖 4所示），如果孤島運(yùn)行發(fā)生，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就必須同電網(wǎng)斷開(kāi)，否則既會(huì)給維護(hù)檢測(cè)人員帶來(lái)危害，又會(huì)影響恢復(fù)供電后的供電質(zhì)量。而如果控制系統(tǒng)能不斷地檢測(cè)電壓波形和相位等變化要素或者經(jīng)常輸入周期性地頻率，就能檢測(cè)這些脈沖。

圖5 光伏建筑一體化的功率流向

光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)必須萬(wàn)無(wú)一失地防止孤島效應(yīng)的發(fā)生，因此，其逆變控制器必須具有反孤島效應(yīng)的功能。國(guó)際能源委員會(huì)專門制定了標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.2000-929和UL1741特別強(qiáng)調(diào)了逆變控制器的反孤島效應(yīng)功能，同時(shí)給出了逆變控制器在市政電網(wǎng)斷電后檢測(cè)孤島現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)，并限定了逆變控制器在市政電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)間（見(jiàn)表4），這些對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)和選擇逆變控制器時(shí)又多了些技術(shù)要求。

表4

4 太陽(yáng)能光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)

BIPV發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施主要包括交流配線系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)、以及運(yùn)行、監(jiān)控、檢測(cè)、防雷、接地系統(tǒng)等。

4.1 交流配電系統(tǒng)

裝設(shè)電隔離、漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，以便維護(hù)和故障處理，同時(shí)為了防止雷擊，在交流電網(wǎng)輸出側(cè)裝設(shè)避雷器。另外，裝有智能化計(jì)量?jī)x表、濾波器，經(jīng)技術(shù)部門鑒定的電流、電壓、電量、功率因數(shù)等儀器，監(jiān)測(cè)送入電網(wǎng)的電量特性，記錄系統(tǒng)的各種電氣性能參數(shù)，包括環(huán)境輻射、溫度、風(fēng)速、大氣污染、發(fā)電系統(tǒng)等的參數(shù)，以及交流過(guò)壓、欠壓保護(hù)、電網(wǎng)頻率異常保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等功能的設(shè)置，都為光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行提供相關(guān)依據(jù)。

4.2 直流配電系統(tǒng)

采用不同線徑的電纜，將太陽(yáng)能光伏電池分組串聯(lián)，并滿足市政電網(wǎng)對(duì)電壓的要求；再將每組光伏電池并聯(lián)，滿足負(fù)載對(duì)發(fā)電功率的要求，最終構(gòu)成太陽(yáng)能光伏方陣。每組光伏電池輸入側(cè)都裝有隔離二極管、防反二極管，防止出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，以便進(jìn)一步保護(hù)電池板。配電盤還裝有吸收浪涌的壓敏電阻，并在電池輸入側(cè)裝有避雷器，防止雷擊對(duì)系統(tǒng)造成損壞和電流倒灌。而直流過(guò)壓、欠壓保護(hù)、直流接地漏電保護(hù)、模塊保護(hù)的設(shè)置，以及光伏電池方陣的電線、電纜全部封閉在電纜橋架里的實(shí)現(xiàn)，減少外部環(huán)境的影響，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 其他輔助配套設(shè)施

光伏建筑一體化太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的監(jiān)控設(shè)施，可以配合逆變控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄和控制，并將故障、報(bào)警、及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行記錄，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而光伏發(fā)電系統(tǒng)中的大部分都處在露天中，并且分布面積大（本文案例中單棟建筑物的太陽(yáng)能光伏方陣面積就達(dá)360m2），存在著直接和間接雷擊的危害。

同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其相關(guān)設(shè)施及建筑物有著直接的連接，就會(huì)對(duì)光伏系統(tǒng)的雷擊還涉及到建筑物、相關(guān)用電負(fù)荷及設(shè)施，就更需要將光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行防雷和接地分別單獨(dú)設(shè)置。

在完成光伏發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)施的設(shè)計(jì)、選型后，就可以進(jìn)行相關(guān)輔助配套設(shè)施的設(shè)計(jì)和選型，比如光伏方陣的支架、電氣開(kāi)關(guān)、電氣電纜、配電箱，以及相關(guān)監(jiān)控、防雷、保護(hù)的電氣配件等，從而按照光伏、電氣、建筑的相關(guān)規(guī)范完成光伏建筑一體化的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)。

5 BIPV發(fā)電系統(tǒng)的效益和發(fā)展前景

1）效益分析

其一，經(jīng)濟(jì)效益方面，按照廈門市目前居民電價(jià)0.45元/kW·h（每戶月度用電＜150kW·h），該案例中六棟居民小區(qū)每年可節(jié)省電費(fèi)10.65萬(wàn)元。按照太陽(yáng)能光伏方陣的最低壽命20年計(jì)算，該案例中六棟普通居民住宅的光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)可發(fā)電473.4萬(wàn)kW·h，20年總計(jì)節(jié)省電費(fèi)213.03萬(wàn)元，而且具有極低的運(yùn)行和維護(hù)成本（幾乎接近零），也就是節(jié)省了運(yùn)行成本，而事實(shí)上，20年僅僅是光伏方陣的最低使用年限，光伏方陣發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行20年后，仍然具有發(fā)電能力。

其二，環(huán)保方面，在廈門市的該案例中案例中六棟普通居民住宅的光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量約為23.67萬(wàn)kW·h，按目前中國(guó)火電廠煤耗，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約92.75t，年粉塵減排量約1.16t，年灰渣減排量約24.39t，年二氧化碳減排量約41.06t，年二氧化硫減排量約1.85t。

其三，社會(huì)效益方面，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與建筑的完美結(jié)合，充分體現(xiàn)了低碳、綠色、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展理念，也為廈門進(jìn)一步增添了“宜居”元素。同時(shí)，也為海西乃至全國(guó)的高科技普及教育，以及節(jié)能、環(huán)保的倡導(dǎo)和宣傳，起到了促進(jìn)作用。

2）未來(lái)展望

雖然太陽(yáng)能光伏建筑一體化有著很好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益，但初次高的改造和安裝成本暫時(shí)制約了其發(fā)展。這主要是太陽(yáng)能光伏方陣的晶體硅成本很高所至。前幾年我國(guó)的BIPV的造價(jià)大約為50元/W（25萬(wàn)元/100mm2），歐美日本等國(guó)大約為3～4美元/W，由于研發(fā)的提高和技術(shù)的成熟，到2010年底，歐美日本等國(guó)的BIPV的建造成本可以降到6美分/ W·h，相當(dāng)于4元/W·h，經(jīng)專家預(yù)測(cè)，再過(guò)十年，BIPV的建造成本可以降到火電發(fā)電的成本，再加上其20～50年極低運(yùn)行成本的使用期，太陽(yáng)能光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)將是21世紀(jì)新能源發(fā)展的新趨勢(shì)。

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