屋頂分布式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究

李陽波， 胡偉國

（遂昌縣明盛電業(yè)有限責(zé)任公司， 浙江 麗水 323300）

引言

傳統(tǒng)電能的開發(fā)使用火力、水利發(fā)電，消耗了大量的資源，造成了一定的環(huán)境問題，導(dǎo)致我國環(huán)境問題日益嚴(yán)重，始終未能得到有效解決，研究清潔能源開發(fā)已經(jīng)成為解決我國電力問題和環(huán)境問題的重要途徑。屋頂分布式光伏發(fā)電是近幾年出現(xiàn)的發(fā)電技術(shù)，有效減少了資源浪費和環(huán)境污染問題，有效促進(jìn)我國電力事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)

分布式光伏發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術(shù)，通常建立在用戶場地附近或屋頂，通過轉(zhuǎn)化太陽能或風(fēng)能的方式進(jìn)行發(fā)電，可以有效代替一部分火力發(fā)電和水利發(fā)電的資源利用，是一種因地制宜、清潔、就近利用、智能化的發(fā)電方式，是截至目前對太陽能、風(fēng)能等清潔能源最有效的利用方式。分布式光伏發(fā)電利用光伏組件，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，接入電能輸配網(wǎng)絡(luò)后就近為用戶提供電能，這種發(fā)電技術(shù)不僅有效降低了火力或水利發(fā)電的資源浪費，還降低了電能在長距離輸配過程中的損耗，有效緩解部分地區(qū)的用電緊張問題[1]。

2 分布式光伏發(fā)電技術(shù)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常情況下被劃分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩類，其中離網(wǎng)光伏發(fā)電屬于蓄電池充能，只需要光伏發(fā)電陣列、電子電力交換器、蓄電池即可組成一個完整的離網(wǎng)光伏發(fā)電組，蓄好能量的蓄電池即可應(yīng)用于不同的用電設(shè)施之中，具有靈活、簡單的特點。本文中重點分析的光伏發(fā)電系統(tǒng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電，由光伏發(fā)電陣列轉(zhuǎn)化，經(jīng)電力電子交換器和網(wǎng)絡(luò)化均衡后可直接接入外部電網(wǎng)，直接作用于附近的用戶，系統(tǒng)性造價較低，規(guī)模更大，利用起來更加方便，但其中涉及到的技術(shù)性內(nèi)容更多，不確定問題更多。

2.1 電力電子交換器

光伏發(fā)電中的光伏陣列是非常重要的發(fā)電部件，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化吸收的太陽能，當(dāng)光伏發(fā)電部件完成能源轉(zhuǎn)化后需要將其轉(zhuǎn)化為適合電能輸配網(wǎng)絡(luò)的電壓進(jìn)行輸出，電力電子交換器就是這樣一個功能。目前，常見的交換器是DC-DC-AC結(jié)構(gòu)，可以有效進(jìn)行升壓滿足電能輸配網(wǎng)絡(luò)對輸出電壓的要求，且能夠直接將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，供用戶使用；DC-AC結(jié)構(gòu)因輸入電壓高于輸出電壓的關(guān)系，只能進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)化；DC-DC結(jié)構(gòu)的交換器可以進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)化，因此常見的交換器結(jié)構(gòu)是DC-DC-AC結(jié)構(gòu)，屬于組合形式的交換器[2]。

2.2 儲能元件

儲能元件是光伏發(fā)電技術(shù)中非常重要的組成部分，因其在交流電路中無能量消耗，只有能源的轉(zhuǎn)化，因此被稱為儲能元件。擁有儲能元件的電路可以實現(xiàn)能源形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的平穩(wěn)過渡，保持能源能量的穩(wěn)定，是光伏發(fā)電技術(shù)中頗為重要的一環(huán)，尋找到合適的儲能元件搭配電力電子交換器，可以有效實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化，并提高能源利用效率，為就近用戶提供更多的優(yōu)質(zhì)清潔能源，更多地節(jié)省火力、水力發(fā)電的能源消耗。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化均衡控制

網(wǎng)絡(luò)化均能控制是分布式光伏發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。同一片場地內(nèi)，不同位置、角度的光伏發(fā)電單元會接收到不同量的太陽能，同一生產(chǎn)批次的電力電子交換器和儲能元件的功率存在細(xì)微差別，如何使不同容量的光伏發(fā)電單元能夠輸出相同比率的電能，就要依靠網(wǎng)絡(luò)化均能控制來實現(xiàn)。目前，網(wǎng)絡(luò)化均能控制的工作方式是通過本地通信網(wǎng)絡(luò)，自動調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)中各個發(fā)電單元的功率，使其維持在一個相對穩(wěn)定的輸出比率上，進(jìn)而實現(xiàn)輸出穩(wěn)定電壓的工作目標(biāo)。因為分布式光伏發(fā)電需要并聯(lián)入傳統(tǒng)電網(wǎng)，頂替一部分傳統(tǒng)發(fā)電方式產(chǎn)生的電能，一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓不穩(wěn)定，就會影響到用戶甚至整個網(wǎng)絡(luò)的電壓不穩(wěn)，為了避免類似的電壓波動導(dǎo)致的用戶用電故障，網(wǎng)絡(luò)化均能控制系統(tǒng)必不可少。

3 屋頂分布式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

目前，我國現(xiàn)行的關(guān)于光伏發(fā)電的有“光電建筑一體化”和“國家金太陽”等補貼項目，還有關(guān)于上網(wǎng)電價的優(yōu)化項目“分布式光伏發(fā)電”，都在不斷推進(jìn)我國分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用，對我國人民使用上更清潔的能源，減少資源消耗，降低環(huán)境污染程度具有重要作用。

3.1 屋頂分布式光伏發(fā)電優(yōu)勢

屋頂分布式光伏發(fā)電極大地發(fā)揮了光伏發(fā)電的就近使用優(yōu)勢，在城市發(fā)展不斷加深的當(dāng)代，大中小型城市中人口密集、寸土寸金，在用戶附近單獨劃分出場地進(jìn)行光伏發(fā)電明顯不現(xiàn)實，將光伏發(fā)電設(shè)置在閑置的屋頂或外墻面上，可以有效利用起建筑物的無用空間，減少額外用地的成本，提高分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用效果。

屋頂分布式光伏發(fā)電建立在屋頂或建筑物外墻面，距用戶的距離非常近，可以有效降低在用電緊張地區(qū)建設(shè)輸電設(shè)備或增設(shè)電網(wǎng)線路的建設(shè)成本，對于用戶來講，屋頂分布式光伏發(fā)電可以有效降低用電的成本。即使在冬季或陰天、夜晚無法進(jìn)行太陽能轉(zhuǎn)化的時間段，也可以使用外部電網(wǎng)進(jìn)行供電，在節(jié)約成本和資源的基礎(chǔ)上保證了用戶用電的穩(wěn)定性和可靠性。

屋頂分布式光伏發(fā)電契合了用電高峰期的用電需求，通常情況下，城市中的用電高峰集中在夏季，建筑物內(nèi)的用戶使用了大量的制冷、控溫設(shè)備，導(dǎo)致用電量飆升，但夏季同樣是屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)備能夠接受到大量太陽能的季節(jié)，有效保證了用戶用電穩(wěn)定性和可靠性的同時，降低了傳統(tǒng)發(fā)電消耗的化學(xué)資源量和對水體的污染量，極大地緩解用電和資源緊張問題[3]。且設(shè)置在屋頂和建筑外墻表面的分布式光伏發(fā)電設(shè)施有效阻隔了太陽光直射建筑物表面的概率，極大地降低了建筑物室內(nèi)的升溫程度，間接降低了室內(nèi)用戶對制冷、控溫設(shè)備的依賴性，減少了對電能的消耗，可以空余出部分電能供應(yīng)其他用戶；避免大面積直射后，建筑物外墻的損耗程度也能夠得到大幅度減低，充分節(jié)約了建筑物運維的成本和維修成本，對建筑物延長使用壽命亦有極大的幫助。

3.2 屋頂分布式光伏發(fā)電具體應(yīng)用方式

3.2.1 光伏發(fā)電設(shè)備代替屋頂材料

用光伏發(fā)電設(shè)備代替屋頂材料可以有效提高光伏發(fā)電的效率和可靠性，因為屋頂接收太陽能的效率最高，且遮擋最少，又因為現(xiàn)代建筑物多為平頂，光伏發(fā)電設(shè)備緊貼屋頂可以有效避免風(fēng)力對設(shè)備的影響，還可以節(jié)約支架的制作和安裝成本。光伏發(fā)電設(shè)備覆蓋的屋頂可以間接做到保溫隔熱，是能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能利用的保溫材料，只需要注意光伏發(fā)電設(shè)備的防水、防滲漏，且在北方地區(qū)使用的光伏發(fā)電材料需要能夠抵抗零下30～40℃甚至更低的室外溫度，就可以實現(xiàn)對屋頂材料的替換。屋頂瓦與光伏發(fā)電設(shè)備的結(jié)合，可以在實現(xiàn)轉(zhuǎn)化太陽能發(fā)電的基礎(chǔ)上，保護(hù)建筑物屋頂不會漏水、凍裂、高溫暴曬。

3.2.2 光伏發(fā)電設(shè)備代替建筑物外墻

目前，我國城市建筑中多采用玻璃幕墻、墻磚、保溫材料作為建筑物外墻，這使得建筑物外墻成為更新?lián)Q代速度最快的建筑物組成部分，且玻璃幕墻極容易對周邊居住的居民造成光污染。光伏發(fā)電設(shè)備代替建筑物外墻不僅可以實現(xiàn)對太陽能的吸收和利用，避免在夏季室內(nèi)溫度上升幅度過大，降低用戶對空調(diào)等設(shè)備的依賴性，從而降低電能的消耗，還可以避免光污染的形成，給周邊用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)和生活環(huán)境，還可以將多余的電能用于周邊LED、路燈、聲控?zé)?、公交站牌、?yīng)急電能儲蓄等需要電能維持的部分，也可以與路燈、圍欄等部分的分布式光伏發(fā)電設(shè)備結(jié)成網(wǎng)絡(luò)，共同進(jìn)行就近供電，充分提高屋頂分布式光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用效率和效果，為降低我國煤炭資源消耗量、減少發(fā)電導(dǎo)致的水污染問題作出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

屋頂分布式光伏發(fā)電技術(shù)是一種清潔、無污染的發(fā)電新技術(shù)，在資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面優(yōu)勢巨大，若能夠有效進(jìn)行優(yōu)化，充分提高對太陽能的轉(zhuǎn)化和利用，提高發(fā)電技術(shù)的性價比，就能夠充分在電力行業(yè)內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，提高清潔能源的利用效率，使我國電力進(jìn)入最優(yōu)管理狀態(tài)。