淺談太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)

茍勇

摘 要：太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)今世界最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一，是可再生能源和新能源的重要組成部分，太陽能光伏建筑一體集成技術(shù)就是將光伏組件取代建筑原來的外圍結(jié)構(gòu)，或者在建筑的外表結(jié)構(gòu)鋪設(shè)光伏組件，通過這些位于建筑外面的光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而為建筑提供高效清潔的能源，減少傳統(tǒng)建筑的能源供給本文重點闡述了太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和各部分功能。

關(guān)鍵詞：太陽能；發(fā)電；光伏電池

中圖分類號：TK511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0132-02

1 光伏太陽能發(fā)電基本原理

太陽能電池，也稱光伏電池是光伏太陽能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器，其基本的工作原理是：太陽能光子能量被太陽能電池吸收后，太陽能電池中的半導(dǎo)體會有空穴—電子對產(chǎn)生，也就是光生載流子，空穴帶正電，電子帶負(fù)電，兩者的電性是相反的，在光伏電池半導(dǎo)體N-P節(jié)的靜電場作用下，光生載流子空穴和光生載流子分別被太陽能電池的負(fù)極和正極所收集，空穴、電子的定向運(yùn)動產(chǎn)生電流，也就有了電能，借助一定的裝置，這些電能就能夠被使用。

2 太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)

太陽能光伏建筑一體集成技術(shù)就是將光伏組件取代建筑原來的外圍結(jié)構(gòu)，或者在建筑的外表結(jié)構(gòu)鋪設(shè)光伏組件，通過這些位于建筑外面的光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而為建筑提供高效清潔的能源，減少傳統(tǒng)建筑的能源供給。根據(jù)光伏組件分布的位置，太陽能光伏建筑一體集成系統(tǒng)主要分為：太陽能光伏屋頂一體集成系統(tǒng)、太陽能光伏遮陽板一體集成系統(tǒng)、太陽能光伏幕墻一體集成系統(tǒng)等等，目前應(yīng)用最為廣泛的是太陽能光伏屋頂一體集成系統(tǒng)，太陽能光伏幕墻一體集成系統(tǒng)和太陽能光伏遮陽板一體集成系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展也非常的迅速。

太陽能光伏建筑一體集成系統(tǒng)的發(fā)電方式一般是使用聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)，太陽能光伏幕墻或者太陽能光伏屋頂產(chǎn)生的直流電不是被直接使用，而是借助逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，交流電被送到公共電網(wǎng)，用戶要用電時再到電網(wǎng)購買。和獨立的太陽能光伏系統(tǒng)相比，聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)具有運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用少、前期投資小優(yōu)點，此外聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)不需要蓄電池，減少了由于使用蓄電池而給環(huán)境帶來的污染。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)真正做到了隨發(fā)隨用，大大縮短了投資回收期，最大程度使用電能。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)需要得到地方電網(wǎng)企業(yè)的協(xié)助配合，對逆變控制器和電網(wǎng)質(zhì)量都有非常高的要求，因此如果需要采用聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)，就必須先對政策、經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)進(jìn)行詳盡的可行性分析。聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)主要是由太陽能電池方陣、控制器和聯(lián)網(wǎng)逆變器組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 太陽能電池方陣

太陽能電池方陣可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，是聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏的主要部件。依據(jù)聯(lián)網(wǎng)逆變器對輸入電壓的要求，構(gòu)成太陽電池方陣的晶體硅太陽能組件通過并聯(lián)、串聯(lián)固定在支架上，為了便于安裝，太陽能光伏電池方陣一般都是固定在屋頂?shù)闹Ъ苌?，如果在新建建筑、住宅時就考慮安裝聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏系統(tǒng)，可以提前預(yù)埋好螺栓，提交設(shè)置好安裝角度和安裝朝向，在實際安裝時就會方便很多。

光伏與建筑的結(jié)合，主要設(shè)計兩個方面的結(jié)合，一個是光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，另一個方面是光伏組件與建筑的結(jié)合：（1）光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合是光伏與建筑結(jié)合的初級目標(biāo)，是將建筑屋頂?shù)默F(xiàn)成的平板式太陽能光伏組件的輸出經(jīng)控制器、逆變器連到電網(wǎng)，電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)并聯(lián)向用戶供電，不足電力時向電網(wǎng)取用，多余電力時反饋給電力電網(wǎng)。（2）光伏組件與建筑的結(jié)合，光伏組件與建筑的結(jié)合是光伏與建筑結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)，就是要將建筑材料與光伏器件集成化。在沒有和光伏組件相結(jié)合前，一般都會使用瓷板、馬賽克、涂料以及玻璃等材料作為建筑的外墻，主要起到裝飾和保護(hù)的作用。如果與光伏結(jié)合，可以將光伏組件做成向陽外墻、屋頂、窗戶以及遮陽板等，這樣一方面可以起到傳統(tǒng)意義上的保護(hù)和裝飾作用，另一方面又可以發(fā)電，一物多用、一舉兩得，降低光伏系統(tǒng)造價，減少發(fā)電成本。一物多用的光伏組件器件必須具有傳統(tǒng)建筑材料所具有的電氣絕緣、隔熱保溫、防水防潮、防火阻燃、抗風(fēng)耐寒等特點，具有一定的剛度與強(qiáng)度且不易破碎，此外還要美觀大方、長壽命、安全可靠以及便于施工等特點。如果是用光伏組件做成窗戶，還需要能透光。在政府大力資助下，德國、美國以及日本等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的科研攻關(guān)，目前已經(jīng)研制成功很多建筑材料與光伏器件結(jié)合集成的產(chǎn)品，有的處于示范試驗階段，有的已經(jīng)在工程上成功應(yīng)用，這類新研制的產(chǎn)品有：半透明和透明光伏組件；雙層玻璃超大尺寸光伏幕墻，隔音隔熱外墻光伏構(gòu)件，無邊框大尺寸雙層玻璃層面光伏構(gòu)件，不同形狀、不同顏色、不同排列的光伏電池構(gòu)件，柔性墻體和屋面光伏構(gòu)件等。

2.2 太陽能光伏聯(lián)網(wǎng)逆變器

2.2.1 聯(lián)網(wǎng)逆變器的主要功能

太陽能光伏聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和核心部件之一是聯(lián)網(wǎng)逆變器，和獨立的逆變器相比，太陽能光伏聯(lián)網(wǎng)逆變器一方面可以將太陽能光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為電力電網(wǎng)上的交流電，另一方面還可以對交流電的電壓、頻率、相位、電流、無功和有功、電能品質(zhì)以及同步等實施控制，其具體的功能有：

（1）跟蹤控制最大功率點。太陽能光伏電池組輸出電壓和電流會跟隨太陽照度和太陽能光伏電池表面溫度變化，通過跟蹤這一變化，并實施控制，確保電池方陣處于最大功率輸出，最大程度上利用光能。

（2）自動啟動和關(guān)停。在白天日照時，根據(jù)日照條件，挖掘太陽能光伏電池組的轉(zhuǎn)換潛能，實現(xiàn)太陽能光伏聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的自動啟動和關(guān)停。

（3）謹(jǐn)防獨立運(yùn)行。如果光伏系統(tǒng)所在地出現(xiàn)突然停電，逆變器輸出電力和負(fù)荷電力又相同，此時逆變器輸出電壓不會有什么變化，很難探測到停電，此時太陽能光伏系統(tǒng)還是有可能繼續(xù)向當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)供電，出現(xiàn)光伏系統(tǒng)獨立運(yùn)行，這種情況對于電網(wǎng)的檢修人員來說，是非常危險的。為了避免出現(xiàn)事故，聯(lián)網(wǎng)逆變器必須有防止獨立運(yùn)行的功能。

（4）電壓自動穩(wěn)定。當(dāng)有電能剩余時，太陽能光伏系統(tǒng)向當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)逆流供電，此時很容易導(dǎo)致太陽能光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接處的電壓突然上升，進(jìn)而超過商用電網(wǎng)對電壓的要求，因此逆變器必須有電壓自動穩(wěn)定的功能，以便保證當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的正常運(yùn)行。

（5）自我修復(fù)功能。當(dāng)逆變器或者所在電網(wǎng)發(fā)生故障時，逆變器要能夠及時發(fā)現(xiàn)，并實施自我修復(fù)，修復(fù)不了的，要實施自動關(guān)停。

2.2.2 光伏聯(lián)網(wǎng)中逆變器的組成

聯(lián)網(wǎng)保護(hù)器和逆變器是聯(lián)網(wǎng)逆變器的兩個主要組成部分，具體如圖2所示。逆變器主要由三個部分組成，第一個部分是逆變部分，其功能是將直流轉(zhuǎn)換為交流，這主要是通過大功率晶體管的高速關(guān)閉導(dǎo)通來實現(xiàn)；第二部分是電子控制部分，該部分實現(xiàn)對逆變的控制，主要由電子回路構(gòu)成；第三部分是保護(hù)部分，當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時，該部分起到安全保護(hù)的作用，主要也是由電子回路構(gòu)成。

聯(lián)網(wǎng)保護(hù)器有些是單獨設(shè)置，但一般都是裝在逆變器中，是一種安全裝置，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)欠壓、電網(wǎng)電壓頻率變化大以及電網(wǎng)停電等情況時，聯(lián)網(wǎng)保護(hù)器可以及時監(jiān)測，并及時關(guān)停逆變器，盡快將電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)斷開，確保安全。

參考文獻(xiàn)

[1]劉彤.太陽能在建筑節(jié)能技術(shù)中的廣泛應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè)，2015（03）.

[2]趙爭鳴，雷一等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（12）.

[3]丁明，王偉勝.大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014（01）.