分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中的應(yīng)用

李光光

（北京中瑞電子系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)院有限公司華東分院，江蘇 無錫 214135）

0 引 言

當(dāng)前，全球范圍面臨電力供需的矛盾性。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)了電力能源需求的上升，然而煤炭、石油等不可再生能源的成本較高且污染環(huán)境。因此，優(yōu)化電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，加速新型清潔能源的研制與應(yīng)用成為迫在敏捷，也是深化電力能源供應(yīng)側(cè)改革的關(guān)鍵所在。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于一種光能轉(zhuǎn)化電能的設(shè)備，即吸收太陽(yáng)光能源，利用自身的轉(zhuǎn)化功能，將光能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)備，當(dāng)需要應(yīng)用時(shí)，可將儲(chǔ)備電能進(jìn)行應(yīng)用。因?yàn)樘?yáng)光能屬于快速再生能源，所以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)良好，能夠降低民宅用戶的電費(fèi)支出。該系統(tǒng)在民用建筑中具有較為重大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

分布式光伏發(fā)電是基于“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”或是“全額上網(wǎng)”的一種模式，以就近發(fā)電、并網(wǎng)、轉(zhuǎn)換為基本特質(zhì)，能夠有效提升同等規(guī)模光伏發(fā)電量，且可緩解電力升壓和運(yùn)輸中的損耗問題，主要利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能的轉(zhuǎn)化。發(fā)電過程不消耗能源，污染性小、安全性高，且不受地域限制。

1.1 污染性較小

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，光伏發(fā)電無需燃燒煤炭，不會(huì)產(chǎn)生煙氣，因此不會(huì)造成環(huán)境污染。光能和燃煤的清潔程度有較大差異。光能并不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組組件造成污染，因此光伏發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較高。此外，傳統(tǒng)火力發(fā)電需要大量的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，而機(jī)械設(shè)備運(yùn)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音污染。但是，光伏發(fā)電沒有類似的機(jī)械設(shè)備，不會(huì)產(chǎn)生噪音污染[1]。

1.2 安全性較高

傳統(tǒng)火力發(fā)電主要以燃燒作為能源生產(chǎn)的核心，但在長(zhǎng)期燃燒下，其機(jī)組組件可能出現(xiàn)故障，小部分情況下會(huì)出現(xiàn)組件爆炸、漏電等事故，嚴(yán)重影響周邊環(huán)境的安全。光伏發(fā)電不需要燃燒就能夠?qū)崿F(xiàn)能源生產(chǎn)，所以具有較高的安全性。能源形式上，煤炭能源是一種實(shí)體能源，長(zhǎng)期應(yīng)用下可能堵塞火力發(fā)電的管道等，具有危險(xiǎn)性，但光能并不具備實(shí)體性，不會(huì)出現(xiàn)此類現(xiàn)象[2]。

1.3 應(yīng)用范圍較大

因?yàn)榛鹆Πl(fā)電需要的機(jī)械機(jī)組規(guī)模龐大，所以需要一個(gè)固定的專用場(chǎng)地作為支撐，無法應(yīng)用到其他地點(diǎn)。光伏發(fā)電的形式不需要太多的機(jī)械機(jī)組，僅通過太陽(yáng)能光伏板、小型元件支撐結(jié)構(gòu)即可。它的整體結(jié)構(gòu)較小，能夠直接應(yīng)用在民用建筑中，直接為用戶提供電能[3]。

1.4 穩(wěn)定性較高

光伏發(fā)電站主要以太陽(yáng)能電池作為能源轉(zhuǎn)換的主要驅(qū)動(dòng)力，而太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率十分穩(wěn)定，幾乎不會(huì)出現(xiàn)過多波動(dòng)，原因在于太陽(yáng)能電池的內(nèi)部存在光電量子效應(yīng)，產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換十分穩(wěn)定。相對(duì)于傳統(tǒng)火力發(fā)電方式，光伏發(fā)電極少出現(xiàn)電能供給中斷，電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性較高。

2 實(shí)例分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)例概況

某實(shí)例民用住宅為了改善住宅區(qū)域的電能供應(yīng)，將采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)。建設(shè)設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于民宅樓頂，以便太陽(yáng)能吸收。安裝數(shù)量為11臺(tái)，與民用建筑內(nèi)部的各類電氣設(shè)備連接，從而為電氣運(yùn)作提供電能。

2.2 逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵，可將太陽(yáng)能這一可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電能同頻、同相的交流電，并優(yōu)先輸送給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，余下的電能饋入電網(wǎng)，且有過壓、電壓頻率異常、過流、漏電流和絕緣阻抗等保護(hù)功能，是確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，在實(shí)例設(shè)計(jì)中，首先對(duì)逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用40 kW逆變器進(jìn)行構(gòu)建。在逆變器中，將每個(gè)光伏串的容量定為270×15=4 050 Wp。根據(jù)逆變器的參數(shù)，每臺(tái)40 kW的逆變器需要的光伏串?dāng)?shù)量最大配置為40÷4.05=9.8。所以，實(shí)際設(shè)計(jì)的每臺(tái)逆變器內(nèi)安裝了10串光伏串，包括了4串正極光伏串和4串負(fù)極光伏串，并為光伏串配置了電池板。為實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)充足，電池板的配置為每串光伏串15塊。在此條件下進(jìn)行測(cè)試，逆變器的總發(fā)電量為64.8 kWp。

2.3 電源設(shè)計(jì)

因?yàn)榉植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)受自然條件的限制，輸出功率存在固有的波動(dòng)性、隨機(jī)性。若大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)影響供電穩(wěn)定性。所以，在電源設(shè)計(jì)方面，將采用分布式低壓電源。將分布式低壓電源接入光伏系統(tǒng)，此時(shí)光伏發(fā)電的總安裝容量為64.8 kWp。設(shè)計(jì)方案上，主要在地下室變配電房處設(shè)計(jì)兩個(gè)單體分別直流，通過匯流后采用單體電井將電流引入逆變器，最終通過逆變器對(duì)電流進(jìn)行整流、調(diào)相、調(diào)壓和調(diào)頻等處理，進(jìn)而將電流匯入低壓母排，分布式電源并網(wǎng)接入。

3 實(shí)例分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用效率

光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用效率代表了光伏發(fā)電的供電效率。為了了解實(shí)例光伏電站的應(yīng)用功效，本文將根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為：照度1000 W/m2；溫度25±1℃；光譜特性為AM1.5的標(biāo)準(zhǔn)光譜。測(cè)試中，主要采用標(biāo)準(zhǔn)功率為270 Wp、尺寸為1650×992×35 mm3的光伏電池板進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，光伏電板的光電轉(zhuǎn)換效率為16.49%，計(jì)算方式為1.65×0.992×1000。

3.2 應(yīng)用時(shí)的遮光效率

遮光效率主要是為了使光能聚焦，避免光伏板無法接收到充足的光能。實(shí)例工程條件上，主要造成遮光的原因有三方面，即周圍建筑的遮擋、建筑電梯機(jī)房屋面對(duì)光伏電池板的遮擋和光伏陣列前后排直接的遮擋。為了了解實(shí)例工程光伏發(fā)電的實(shí)際效率，下面將針對(duì)這三項(xiàng)因素進(jìn)行逐一分析。

3.2.1 周圍建筑的遮擋

通過觀察可以看到，該工程周邊存在大量高層建筑，其中最高高度為83.2m，而實(shí)例工程建筑的高度統(tǒng)一為99.5 m，說明周邊建筑難以對(duì)實(shí)例工程的光伏發(fā)電板造成遮光。

3.2.2 建筑電梯機(jī)房屋面對(duì)光伏電池板的遮擋

建筑電梯機(jī)房屋面高度為104.1m，周圍建筑無遮擋，但機(jī)房本身高度高于光伏電板，所以造成了一定程度上的遮光。根據(jù)觀察，它遮擋了兩塊光伏電板，遮光率約為80%，屬于可接受范圍。

3.2.3 光伏陣列前后排直接的遮擋

光伏陣列前后排直接的遮擋，即為光伏板排列后相互之間的遮擋。在實(shí)例工程中，此類現(xiàn)象較為嚴(yán)重。除第一排無遮擋以外，其余均存在20%左右的面積遮擋，因此實(shí)例工程需要進(jìn)行調(diào)整。

針對(duì)光伏陣列前后排直接的遮擋現(xiàn)象，實(shí)例工程根據(jù)06K503《太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》規(guī)范，選取9：00—15：00時(shí)間區(qū)間的太陽(yáng)光照角度，計(jì)算得出光伏電池板陣列后排距離前排的距離，具體數(shù)值在223.6 mm以上。出于對(duì)之后維護(hù)工作的考慮，最終決定相互之間的距離為800 mm。

4 結(jié) 論

光伏發(fā)電站是現(xiàn)代電力發(fā)展的重要形式，具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在理論上能夠促進(jìn)電能供給的水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的節(jié)能效應(yīng)，因此可應(yīng)用于民用建筑層面。為了解光伏發(fā)電站在民用住宅的應(yīng)用，分析了光伏發(fā)電站的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合實(shí)例工程設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光伏發(fā)電站，探討了應(yīng)用效果和調(diào)整措施。