建筑光伏優(yōu)化設計的探索和實踐

郭琳琳 鞠振河 劉 婕

（沈陽工程學院，沈陽 110136）

目前中國房屋總建筑面積約500 億m2，可利用面積約計50 億m2。如果利用20%的面積安裝太陽光伏方陣就會有100GWp。通過國家倡導優(yōu)先支持的分布式光伏發(fā)電政策，利用建筑發(fā)展光伏，即發(fā)即用、余電上網(wǎng)等等措施，即節(jié)省了常規(guī)化石能源的消耗，極大緩解不斷增長的電力負荷帶來的遠距離輸電所造成的損失，同時減少了大量霧霾排放物。

我國建筑部門把光伏建筑分為安裝型（BAPV）和構件型（BIPV）兩種，用等式來表示則為“BMPV=BIPV+BAPV”。BMPV 是目前世界光伏發(fā)電的重要應用領域和主要市場。

太陽能光伏建筑是太陽能光伏系統(tǒng)與現(xiàn)代建筑的完美結合，在建筑結構外表面鋪設光伏組件提供電力，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與屋頂、天窗、幕墻等建筑融合為一體，建筑綠色環(huán)保住宅。將光伏技微電網(wǎng)術和建筑相結合則為分布式光伏發(fā)電技術提供了更加靈活更加方便的新型分布式光伏發(fā)電應用技術。

將太陽能發(fā)電應用在平時的建筑中的技術，在電氣工程中已廣泛應用，對于一棟房屋來說，其坐落的朝向、高度、屋頂?shù)膬A向、屋檐的寬度等因素都對太陽能光伏組件的發(fā)電量有重大的影響。圖1為建筑光伏優(yōu)化設計執(zhí)行的程序框圖。

由圖1建筑光伏優(yōu)化設計執(zhí)行的程序框圖表明，一旦建筑的基地選定后，設計進程是一個反復的過程。當決定了住宅在基地中的位置，并進行旋轉以獲得最好的太陽能性能之后，要在建筑中選擇不同的太陽能技術，運行計算機能源模擬，最終計算投資回報。每一個步驟之后結果可能要返回上一步驟做出某些調整。這種過程是反復的，要對每種可能性嘗試和探索。運行這種方法將產(chǎn)生多種設計方案，可以結合外觀因素的考慮加以比較和討論。

圖1 建筑光伏優(yōu)化設計執(zhí)行的程序框圖

典型的住宅屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、并網(wǎng)逆變器和控制器等三大部分構成，如圖2所示。

圖2 典型住宅屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

下面以沈陽工程學院示范基地太陽能房項目作為案例，對案例的光伏陣列進行詳細分析。

1 總體結構設計

建筑基地位于沈陽工程學院圖書館西側，考慮到周邊建筑物以及樹木的遮擋，這些在陰影的概念里屬于靜態(tài)陰影，對于光伏組件的發(fā)電量有很大的影響，所以選址之前要測量整個基地的陰影遮擋率，將遮擋率相對最小的區(qū)域作為建筑的坐落位置。同時收集有關氣象學、太陽輻射以及當?shù)貧夂虻臄?shù)據(jù)資料。經(jīng)過大量選點的遮擋率的比較，選取以下12個點的圍繞區(qū)域作為建筑建設的位置，如圖3所示。

建筑各光伏安裝關鍵點的全年光照率見表1。

圖3 光照率選點

表1 各點全年光照率

以上光照率是使用太陽眼（solar eye）儀器在距地面1.5m 高的水平位置測得，能避開部分底矮灌木造成的陰影的影響，具有一定的說服力，但光伏組件鋪設在距地面高至少4m 的屋頂上，因此該區(qū)域的遮擋率雖然能證明此區(qū)域是最好的光伏建筑選址，但并不代表光伏組件鋪設位置光照率（光伏組件鋪設位置的光照率需要在建筑建成后重新在距地面4m 的位置測量）。

2 光伏陣列設計

該光伏建筑電氣系統(tǒng)的直流部分的設計，分為組件選型、方陣設計、方陣排布及相應的支架、基礎、連接線纜設計。

2.1 光伏組件選型

由于國產(chǎn)多晶硅太陽電池近年來發(fā)展迅速，國產(chǎn)高效多晶平板電池組件被各種電站選用，電池效率達到17～18%，通過ISO 9001 質量體系認證及UL、TUV、IEC 等一系列國際認證，能保證光伏組件輸出功率達到25年以上，電池效率與穩(wěn)定性均處于世界先進水平。

在建設光伏建筑一體化項目中，也常常選用多晶硅電池，這種組件的特點是：①優(yōu)質牢固的鋁合金邊框可抗御強風、冷凍，并且不易變形；②新穎特別的邊框設計能加強玻璃與邊框的密封；③鋁合金邊框的長短邊備有安裝孔，滿足不同安裝方式的要求；④高透光率的低鐵超透光玻璃增強抗沖擊力；⑤優(yōu)質的EVA 材料和背極材料。

考慮到屋頂面積有限這一因素，結合光伏組件規(guī)范，組件功率越大，其面積越大，對于屋頂施工越困難，越影響美觀。因此選用30W/17V 的光伏組件，組件規(guī)格如圖4所示。

圖4 30W/17V 光伏組件規(guī)格

該30W/17V 光伏組件的主要參數(shù)見表2。

表2 MT-30 光伏組件參數(shù)

2.2 光伏陣列的排布

每片太陽電池只能產(chǎn)生大約0.5V 的直流電壓，遠低于實際使用所需電壓。為了滿足實際應用的要求，需要把太陽電池串聯(lián)成組件。太陽電池組件包含一定數(shù)量的太陽電池，這些太陽電池通過導線連接。該電氣系統(tǒng)安保所用光伏組件封裝36 片太陽電池片，正常輸出電壓17V 左右。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件串、并聯(lián)組成太陽電池方陣，以獲得所需的電壓和電流。太陽電池組件串、并聯(lián)組成方陣是根據(jù)太陽電池組件和逆變器的性能參數(shù)以級在 -20℃～70℃的驗算溫度情況下來設計的。

對于一個獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，設計的總原則是：在保證滿足負載供電的前提下，確定使用最小的電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。但是此光伏建筑系統(tǒng)屬于并網(wǎng)系統(tǒng)，雖然其中5000W 的微網(wǎng)系統(tǒng)有儲能裝置，但是此部分的蓄電池容量設計在能量控制下不需要根據(jù)負載來設計。其實對于一棟單層的房屋建筑來說，其負載是普通照明、電腦、電視、空調等，負載功率非常小，如果要按照負載功率來算的話，極少的光伏組件就能滿足。大部分光伏組件產(chǎn)生的電量，主要并入電網(wǎng)使用。

該光伏建筑電氣系統(tǒng)有四個模塊構成：屋頂微網(wǎng)部分（含儲能）、屋頂并網(wǎng)部分、南面光伏玻璃幕墻并網(wǎng)部分、科技樓并網(wǎng)部分。

1）屋頂微網(wǎng)部分

微網(wǎng)部分的蓄電池為48V 系統(tǒng)，假設設計一個5000W 的光伏系統(tǒng)。則需要m塊光伏組件串聯(lián)，共n串。串聯(lián)數(shù)m由太陽電池方陣的工作電壓決定，應考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對電池組件的影響；按照太陽能年總輻射量或年日照時間的10年平均值即能確定光伏組件的并聯(lián)數(shù)n。則：

系統(tǒng)工作電壓U=48V；

系統(tǒng)功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= (1 +η)U= (1 + 30%)× 48 = 62.4V；

光伏組件串聯(lián)數(shù)m=U0u= 62.4 17 = 3.67塊，取4 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 4 × 30 = 120W；

并聯(lián)數(shù)n≈P P0= 5000 120 = 41.67串，取42 串。

經(jīng)計算，屋頂微網(wǎng)部分30W/17V 光伏組價共168 塊（一串4 塊，總共42 串），總功率為5.04kW。

微網(wǎng)168 塊組件的排布形式如圖5所示。

圖5 屋頂南面微網(wǎng)部分光伏組件排布

2）屋頂并網(wǎng)部分

并網(wǎng)部分的系統(tǒng)電壓為220V，假設5000W 的光伏系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作電壓U=220V；

系統(tǒng)功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= 360V ；

光伏組件串聯(lián)數(shù)m=U0u= 360 17 = 21.1塊，取20 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 20 × 30 = 600W；

并聯(lián)數(shù)n≈P P0= 5000 600 = 8.33串，取9 串。

經(jīng)計算，屋頂并網(wǎng)部分30W/17V 光伏組價共180 塊（一串20 塊，總共9 串），總功率為5.4kW。

并網(wǎng)180 塊組件的排布形式如圖6所示。

圖6 屋頂并網(wǎng)部分光伏組件排布

2.3 匯流箱設計

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用戶可以將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來，組成一個個光伏串列，再將若干個光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流箱，在光伏匯流箱匯流后，通過直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用，從而構成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)與市電并網(wǎng)。這樣做的目的是為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連線。

若干光伏陣列接入?yún)R流箱，通過光伏專用熔斷器保護后，接入光伏防反充二極管，防止太陽能光伏陣列中串聯(lián)起來的光伏電池板有逆流現(xiàn)象的產(chǎn)生，再通過直流斷路器接入到逆變器中，有防雷功能的匯流箱要加入防雷器（浪涌保護器），當雷擊發(fā)生時，能將過大的電能泄掉，保證電能的正常輸出，從而避免對匯流箱的傷害。

屋頂微網(wǎng)部分：一個光伏串列電流為I1=1.76A，共 42 個光伏串列，接入 4 個 12 路匯流箱（HLX1201），其中前三個匯流箱12 路全部接入（36串），剩下6 串接入下一個匯流箱，這樣此匯流箱有6 路是多余的，其不影響系統(tǒng)的管理，不需要做任何處理。這樣42 組線進4 個匯流箱，出來4 組線，大大減少了線纜的數(shù)量。最后再將這4 組線通過一個4 路匯流箱，輸出端就只有一組電纜了，即可通過直流斷路器直接接入逆變器的輸出端（如圖7所示）。

如圖7所示，一次匯流箱體內(nèi)均未接入斷路器和避雷器，這是因為一次匯流箱輸出電流較二次匯流箱小，在二次匯流箱內(nèi)接入的防雷器和直流斷路器，同時能對一次匯流起到過流保護和防雷擊的作用。

屋頂并網(wǎng)部分：一共9 個光伏串列，并入一個12 路匯流箱即可。

圖7 屋頂微網(wǎng)部分匯流箱

綜上所述，本光伏建筑電氣系統(tǒng)中共需要6 個匯流箱，其中5 個12 路（HLX1201），1 個4 路（HLX0401）。匯流箱還必須滿足屋頂內(nèi)安裝的使用條件，絕緣防護等級要達到IP65，接入最大光伏串列的開路電壓值可得DC900V，熔斷器的耐壓值不小于DC1000V，每路光伏組串具有二極管防反充保護功能，配有光伏專用避雷器。

3 建筑屋頂各個區(qū)域光伏發(fā)電結果估算

不同朝向安裝的光伏組件的發(fā)電量估算原則：

假定向南最佳傾角固定安裝的光伏組件發(fā)電量為100，對于其他朝向，全年發(fā)電量均有不同程度的減少（估算值，見圖8）。說明：在不同地區(qū)及不同太陽輻射條件下，減少的程度各不相同。

圖8 太陽電池方陣不同朝向的相對發(fā)電量

1）南斜面發(fā)電量

南斜面屋頂，正南傾斜角30°，根據(jù)遼寧省地方規(guī)程《太陽能光伏建筑一體化技術規(guī)程》P47 頁，查得沈陽地區(qū)正南 30°傾角年平均日輻照量4.57kW·h/m2，即這個區(qū)域的峰值日照時間為4.57h/m2/day。該斜面發(fā)電包括微電網(wǎng)發(fā)電和部分并網(wǎng)發(fā)電。

南斜面光伏微電網(wǎng)發(fā)電量日發(fā)電量為

南斜面部分并網(wǎng)（20 塊/串、兩個串列）發(fā)電量日發(fā)電量為

2）東斜面發(fā)電量

東斜面的發(fā)電量是屋頂并網(wǎng)發(fā)電的一部分，20塊/串，共3 個串列，另外東南合并的1 個串列也算入東斜面發(fā)電量，其日發(fā)電量為

3）西斜面發(fā)電量

西斜面的發(fā)電量是屋頂并網(wǎng)發(fā)電的一部分，20塊/串，共3 個串列，其日發(fā)電量為

4）總光伏發(fā)電量與房子實測負載之間的能量平衡關系

綜上所述，太陽能房室內(nèi)保持22℃～25℃之間的舒適溫度及新風循環(huán)前提下，每天太陽能總發(fā)電量為：23.03＋5.484＋8.226＋6.170=42.91kW·h。

由于太陽能光照幅度有很多因素的影響，所以其發(fā)電量每天會有波動。通過圖10 智能光伏微電網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以決定室內(nèi)的負載的使用情況。每天的負載使用情況不一樣，導致其用電量也不一樣。 以8月份前20 天為例，據(jù)圖9能量平衡實驗數(shù)據(jù)分析結果可以詳細的分析該月份的發(fā)電量以及用電量。具體數(shù)據(jù)分析見表3。

圖9 能量平衡實驗數(shù)據(jù)分析

圖10 智能光伏微電網(wǎng)操作系統(tǒng)

表3 8/1-8/20 的發(fā)電量和用電量的數(shù)據(jù)采集

經(jīng)計算，8月份前 20 天太陽能總發(fā)電量為744.1kW·h；負載總用電量為316.1kW·h；剩余的電量，即并入電網(wǎng)的總電量為428kW·h。折算到日發(fā)電量為：太陽能日發(fā)電量37.21kW·h，負載日用電量15.81kW·h，剩余電量21.4kW·h。

4 結論

本文論述了住宅中的光伏發(fā)電應用，尤其對屋頂?shù)墓夥嚵械匿佋O、排布以及匯流箱的設計做了詳細的說明。光伏建筑在住宅中的應用在國內(nèi)尚處于發(fā)展期，還未廣泛應用，事實上，國外的無數(shù)案例已經(jīng)證明，光伏發(fā)電應用在住宅中，有很大的優(yōu)勢，比如：節(jié)約空間、自發(fā)自用、回收期短、可持續(xù)使用。因此，這種太陽能發(fā)電的綠色建筑應該得到關注，并且廣泛推廣起來。本案例從建筑的總體節(jié)能出發(fā)，采用微能耗太陽能建筑技術，通過光伏建筑的優(yōu)化設計，建筑的能源完全可以來自太陽能，即實現(xiàn)零排放。

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