光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應用研究

葉小冬

（廣東廣筑工程設計有限公司）

1 引言

據調查，我國建筑物耗電量占社會總耗電量的50%以上，如何實現建筑物節(jié)能是我們迫切需要解決的問題。光伏發(fā)電是將太陽能轉換成電能的一種技術，這種技術實現的關鍵是太陽能電池組件。光伏發(fā)電具有受地域影響較小、安全可靠、無噪聲、低污染等優(yōu)點，特別是在建筑供配電中有廣闊的應用前景，在建筑中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以實現就近發(fā)電、并網、使用，減少電能在升壓及遠距離輸送的損耗，充分利用太陽能，減少化石能源消耗。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類及組成

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據是否與電網連接，目前可以將太陽能發(fā)電分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)方式、并網光伏發(fā)電系統(tǒng)方式兩種。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)方式就是獨立于電網之外設置的光伏發(fā)電系統(tǒng)，自發(fā)自用模式，該模式適用于遠離電網的偏遠地區(qū)；并網光伏發(fā)電系統(tǒng)方式是指太陽能板產生的直流電源經逆變器轉換成交流電之后，接入公共電網，系統(tǒng)概要圖詳見圖1。根據項目規(guī)模分為大型集中式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)和小型分散式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種，其中，小型分散式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)具有投資額小、建設周期短、可利用屋面安裝等優(yōu)點，廣泛用于建筑項目中，是并網光伏發(fā)電的主要模式。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池方陣、匯流箱、直流配電柜、逆變器、交流配電柜、變壓器及配電柜等控制系統(tǒng)與設備組成，還可以根據實際項目需求，設置供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。

圖1 并網光伏發(fā)電系統(tǒng)概要圖

分散式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行模式是太陽能電池板將太陽能轉換成電能，經直流匯流箱匯集，通過并網逆變器轉換成交流電為建筑自身設備供電，多余或不足的電力通過電網來調節(jié)輸出/供給。

表1 太陽能電池組件技術參數（型號：28010）

表2 40kW 組串式逆變器基本參數

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應用研究

3.1 項目情況介紹

該工程處于廣東地區(qū)，光照時間較長，地理條件優(yōu)越，太陽能電池板理想斜面安裝，年輻射量可達1400kW ·h/㎡～1800kW ·h/㎡，很適合發(fā)展光伏項目產業(yè)。

該工程作為辦公場所，白天主要用電負荷為各樓層辦公區(qū)域的計算機、打印機等設備、照明燈具和空調，以及一樓餐廳的廚房、冷藏室、冷庫用電設備等。為減少對其他設備的影響，本項目前期僅考慮將三級負荷納入光伏發(fā)電的供配電體系中。

該工程光伏發(fā)電系統(tǒng)供電對象選取為餐廳的冷藏室、冷庫，及二樓至六樓辦公區(qū)域的空調等用電設備，這些負荷均為三級負荷，短暫的停電不會對大樓員工正常的工作和生活造成較大影響。上述部分用電設備總裝機功率為33kW，計算負荷為31.4kW。參照相關規(guī)范，該工程光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為35kW。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)關鍵問題分析

1）系統(tǒng)并網模式分析

在系統(tǒng)組成方面，需考慮是否設置蓄電池組，采用儲能系統(tǒng)還是采用即發(fā)即用并網系統(tǒng)。

考慮到該工程發(fā)電量不大，增加蓄電池后在投資和管理各方面成本都會有所增加，在系統(tǒng)設置上采用即發(fā)即用模式發(fā)電，就地使用，并網而不上網。該工程太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇為不含蓄電池環(huán)節(jié)的不可調度式并網太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2）太陽能電池選擇分析

目前太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池（含薄膜太陽能電池）、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。結合工程的具體特點，從工程投資、占地及土地利用效率等多方面綜合考慮，進行最優(yōu)選擇，達到太陽能電池的最優(yōu)方案。

該工程選用單晶硅太陽能電池組件，該電池主要技術參數見表1。

該工程光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝容量為35kW，需要安裝280Wp 單晶硅組件125塊。共設計5 串太陽能電池組件，每串25 片，其功率為25×0.28kW=7kW。工程太陽能電池組件方陣布置方案為：0.28kW×25 片/串×5 串。為了減少光伏陣列到逆變器之間的連接線及方便日后維護，在室外配置1 臺光伏陣列防雷匯流箱，整個系統(tǒng)5 路光伏陣列接入匯流箱內，該匯流箱直接安裝在電池支架上。該工程太陽能電池板陣列安裝方式為屋頂支架安裝。

3）逆變器的選擇分析

太陽能電池產生的直流電需轉換成交流電后，才能為普通的交流設備供電，因此需增加逆變器來實現直流—交流轉換。

對于逆變器的選用，不僅需要從輸入直流電壓的范圍、輸出波形、輸出效率、輸出特性等方面考慮，也要兼顧其性價比和安全穩(wěn)定可靠性，逆變器應具有抗干擾能力、環(huán)境適應能力、順勢過載能力及各種保護功能。

該工程采用單臺40kW 帶隔離變壓器的三相并網逆變器，其防護等級為IP65，安裝在室外屋頂墻體上。40KW組串式逆變器的基本參數見表2。

4）并網低壓配電箱的設置

小型分散式光伏發(fā)電系統(tǒng)經過逆變器整流后，轉換成AC380V 50Hz 電源，光伏電源需與正常電網之間設置合理的并網方式，保證電源的可靠運行。小規(guī)模建筑用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網接入點一般選擇在低壓配電箱，在設備配電箱進線處設置雙電源轉換開關，當光伏發(fā)電系統(tǒng)的電量充足的情況下完全由光伏電源為該系統(tǒng)下的負荷供電，當陰雨天氣太陽能發(fā)電量不足或者光伏電路發(fā)生故障不能正常供電時，將供電電源切換到市電電源。

該項目并網低壓配電箱安裝在樓頂機房外墻上，配電箱一路進線引自光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器，另一路進線引自市電。當光伏系統(tǒng)發(fā)電量充足的情況下，引自光伏系統(tǒng)回路的進線開關處于閉合狀態(tài)，否則投切到市電回路，使進線開關閉合，確保該配電箱進線母排一直處于通電狀態(tài)。將配電箱低壓出線分別引至一樓冷藏室、冷庫低壓供電回路和二至六樓室內空調機各供電回路為其供電。

5）防雷接地設計

一般建筑物光伏發(fā)電設施均設置在屋頂位置，所處的環(huán)境比較特殊，需要著重考慮發(fā)電設施的直擊雷、感應雷的防護問題。

該工程在直擊雷防護方面，充分利用現有建筑物屋面裝設的接閃帶及避雷網，將光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池板、匯流箱、逆變器的金屬邊框、金屬支架等金屬構件與屋面接閃帶可靠連接。在感應雷防護方面，對于感應雷引起的過電壓保護，主要采用在直流側和交流側分別裝設電涌保護器，以防護過電壓對設備的損壞。

4 結語

該工程中光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量僅為35kW，按運行期年平均發(fā)電量約2.9 萬kW ·h、運行期25a 計算，共可發(fā)電72.5 萬kW ·h，可節(jié)省燃煤245.9t，可減少排放二氧化碳644.3t、二氧化硫5.4t、氮氧化物1.8t、粉塵3.6t，可見光伏發(fā)電項目的建設對于環(huán)境保護、減少大氣污染具有積極的作用，并有明顯的經濟效益和社會效益。

太陽能是開發(fā)潛力最大但已開發(fā)比例最低的能源類型，是取之不盡、用之不竭的，作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、使用經濟等優(yōu)點，逐步成為各國爭相研究發(fā)展的重點對象。隨著太陽能的深度開發(fā)，我們會繼續(xù)減少甚至消除資源匱乏的情況。