綠色建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力優(yōu)化分析

盧倩楠

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 引 言

光伏發(fā)電是可再生清潔能源，也是政策支持的快速發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)，在全國具備光照條件的地區(qū)推廣太陽能發(fā)電技術(shù)已成為必然[1]。綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中對太陽能發(fā)電提出明確要求，因此，如何提高綠色建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)的適應(yīng)性能應(yīng)深入研究。

1 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力因素分析

綠色建筑中的光伏發(fā)電系統(tǒng)為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光伏電池組件、控制器、逆變器和蓄電池組組成，系統(tǒng)如圖1所示[2]。光伏電池組件接受太陽光照射產(chǎn)生伏特效應(yīng)，太陽能由此轉(zhuǎn)化為電能；控制器來操控整個系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行管理；蓄電池組對盈余電能進(jìn)行存儲及釋放；光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器可轉(zhuǎn)化為交流電，供交流負(fù)載使用。欲提高系統(tǒng)的發(fā)電能力，主要針對光伏電池組件的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化即可。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

在光伏電池組件設(shè)計時，首先，應(yīng)根據(jù)光伏建筑類型選擇電池類型；其次，依據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所處地理位置日照條件確定光伏電池板接受光照輻射量，從而確定光伏組件的最佳傾角和最佳排布間距；最后，根據(jù)光伏系統(tǒng)容量及具體排布方式確定光伏組件的聯(lián)結(jié)方式。分析光伏方陣設(shè)計過程可知，通過改變光伏組件的排布方式提高光伏電池接收的光照輻射量可提高發(fā)電量；通過優(yōu)化光伏方陣的串并聯(lián)方式可以減少線路損耗從而提高發(fā)電總量；通過其他控制方式，光輻組件可提升發(fā)電效率。

2 提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力的方法分析

2.1 陰影遮擋損失優(yōu)化

當(dāng)光伏組件局部被遮擋，其會被當(dāng)做負(fù)載消耗其他正常工作組件產(chǎn)生的能量。為了將被遮擋的光伏組件與系統(tǒng)之間斷開聯(lián)系，可以在光伏電池片兩端并聯(lián)二極管，當(dāng)部分電池片受遮擋時，經(jīng)并聯(lián)的旁路二極管可形成正向偏壓，有效地將共同使用并聯(lián)二極管的正常電池片停止工作，如圖2所示。然而該方法也存在弊端，對于10排、每排6片電池的光伏組件，自帶3個旁路二極管，當(dāng)個別電池片被遮擋會影響與之串聯(lián)的所有電池片停止工作，總輸出功率會大幅降低。

圖2 旁路二極管避免熱斑效應(yīng)

為改善上述弊端，可通過改變光伏組件的安裝排布來實(shí)現(xiàn)。多數(shù)光伏組件安裝方式是長邊與地面垂直，每個支架布置一排或者兩排組件，而光伏組件的最佳間距是根據(jù)上午9時的光照條件計算所得，因此，在一天中必定會有某些時段光伏組件的底端會被遮擋，當(dāng)?shù)撞侩姵仄苷趽?，旁路二極管工作使整個一排光伏組件不工作，使得輸出功率大幅下降。為改善該情況，將光伏組件橫向放置，組件的短邊與地面垂直，則當(dāng)出現(xiàn)陰影遮擋僅有最底部的電池片停止工作，不會影響上部的光伏組件。將兩排組件均橫向安裝會增加總體安裝長度，將橫向及縱向布置光伏組件綜合利用，形成圖3中最下端的形式，可在充分利用空間的同時保證光伏組件受遮擋時功率損失最小。

圖3 組件安裝形式優(yōu)化圖

為減少受遮擋電池片造成的功率降低，除改變物理空間上的布置，還可以從改變光伏方陣中組件聯(lián)結(jié)的形式來減小遮擋產(chǎn)生的影響。常見的光伏組件聯(lián)結(jié)方式為SP型，如圖4中A所示。該方案中部分組件因遮擋而導(dǎo)致輸出特性變化，造成組串失配，整體輸出功率受影響。欲使光伏組件受遮擋，電流不同時，組串的電壓保持不變，提出TCT模型，如圖4中B所示。TCT模型可使每個光伏組件之間為串并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)某個光伏組件受遮擋時電流改變流向，使電壓穩(wěn)定。而TCT模型中電纜增加量大，在此基礎(chǔ)上減少電纜用量即為圖4中C所示。BL模型在TCT模型基礎(chǔ)上減少了電纜的用量，并在一定程度上保持電壓穩(wěn)定。相較于傳統(tǒng)SP模式，在單個組件受遮擋時，TCT和BL模型單個組件分別有4%和2.5%的功率提升，BL模型總輸出功率可提高22%。

圖4 組件SP.TCT.BL連接方式

2.2 線路損耗優(yōu)化

在光伏組件進(jìn)行串并聯(lián)及接入發(fā)電系統(tǒng)時，電纜連接方式不同對電纜的使用及線纜中電能的損耗會產(chǎn)生一定影響。因此，在保證光伏組串受遮擋時輸出功率影響最低的情況下，應(yīng)盡可能縮短線纜長度，此處將光伏組件單排串聯(lián)改為“U”型串聯(lián)，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，在光伏組串接入?yún)R流箱時，電纜長度可縮短一半。

圖5 組件U型連接優(yōu)化

光伏匯流箱定位，對于減少線纜使用量及線纜損耗也有一定影響。此時可利用曼哈頓法，以光伏方陣排布位置建立坐標(biāo)系，以串并聯(lián)點(diǎn)坐標(biāo)為自變量，電纜用量為因變量，計算確定匯流箱坐標(biāo)位置。確定匯流箱位置后，相應(yīng)確定逆變器及配電柜位置，此過程應(yīng)穿插在建筑專業(yè)設(shè)計過程中間。

2.3 MPPT效率優(yōu)化

日照強(qiáng)度及角度皆會影響光伏組件的輸出電壓，由光伏組件的伏安特性曲線可知，輸出功率與電流、電壓的變化不大，但根據(jù)實(shí)際測量，光照條件對光伏組件的電壓影響較大。為改善該狀況，在進(jìn)行逆變器選型時，光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤電壓反應(yīng)應(yīng)盡可能大，以提升系統(tǒng)的發(fā)電量。

3 結(jié) 論

綠色建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的提升還可以在光伏組件材質(zhì)選擇、光伏組件運(yùn)營期間維護(hù)等方面進(jìn)行拓展。本文主要在屋面光伏陣列方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏電池的種類也越來越多，其與建筑之間的結(jié)合形式不止為光伏屋頂，后續(xù)可以根據(jù)光伏電池與建筑不同的結(jié)合方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。

[1] 張 拓，衣建全，楊小天.太陽能光伏發(fā)電在我國建筑設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其重要意義[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報，2013，（5）：56-58.

[2] 韓 利，艾 芊.光伏技術(shù)在節(jié)能建筑中的應(yīng)用[J].低壓電器，2009，（2）：4-8.