光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用

陳艷梅

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司）

1 引言

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，目前我國建筑物的能源消耗占總體能源消耗的一半以上，建筑物的節(jié)能減排已成為我國能源問題中最亟待解決的問題之一。而太陽能以其清潔、高效、可再生等特點(diǎn)成為解決能源緊缺問題的有力抓手。

城市的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的增長，用電量越來越大，現(xiàn)有的公網(wǎng)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)不斷顯現(xiàn)：運(yùn)行難、耗資巨大、故障頻發(fā)，末端用戶的用電可靠性不能得到保證，這些問題都對城市的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了巨大影響。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為分布式、清潔、可再生能源可大大緩解公網(wǎng)壓力，并可作為邊遠(yuǎn)地區(qū)的電力補(bǔ)充。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)源于1954 年，美國貝爾研究所第一次研究出單晶硅太陽能電池，從此開創(chuàng)了利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電的新時代。

光伏發(fā)電與建筑聯(lián)動，通過現(xiàn)有建筑物本身的受光面積，比如屋頂、外立面的光伏玻璃等，建立太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并給建筑本體進(jìn)行供電，這成為建筑物節(jié)能減排的重要途徑。本文研究太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑供配電中的應(yīng)用，對緩解我國能源緊缺和環(huán)境污染、降低建筑用電能耗問題有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

2.1 太陽能光伏板

在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)組成中，最核心的元器件就是太陽能的光伏板，它的主要成分是硅，它可以吸收太陽輻射通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。整個發(fā)電系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵就是光伏板的質(zhì)量。

2.2 蓄電池

蓄電池的主要用途是在陽光豐沛時補(bǔ)償和平抑系統(tǒng)功率的波動，在滿足用電要求的前提下把剩余的電能存儲起來用于在夜間和陰雨天氣時補(bǔ)償輸送回系統(tǒng)負(fù)載電路。

2.3 PWM控制模塊

通過測量系統(tǒng)電路中的電壓和電流數(shù)據(jù)，PWM 控制模塊可以分析出系統(tǒng)工況的最大功率上限，通過調(diào)整開關(guān)電源中占空比來生成電流擾動，監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時功率的變化來進(jìn)行功率最高點(diǎn)的跟蹤[2]。

2.4 單軸跟蹤系統(tǒng)

光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)主要分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)，考慮到建筑物受光表面的限制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造價過高等問題，雙軸跟蹤系統(tǒng)不適合在建筑物屋頂安裝，所以建筑中通常采用單軸跟蹤系統(tǒng)，其作用主要是利用光敏電阻的感光特性，測量光伏板上下的光強(qiáng)大小，進(jìn)而通過控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)光伏板的水平角度，確保太陽直射光伏板，提高系統(tǒng)的工作效率。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用分析

光伏發(fā)電是非常重要的清潔能源，如何把光伏發(fā)電應(yīng)用在民用建筑供配電系統(tǒng)中，將是未來建筑建設(shè)重要的發(fā)展方向。光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑的應(yīng)用中主要有一些問題。

1）光伏發(fā)電和市政大電網(wǎng)的結(jié)合分析

在一二級供電負(fù)荷中，需要有兩個電源，當(dāng)一級負(fù)荷其中一個負(fù)荷故障時，另一個需要保證正常工作。光伏發(fā)電只能在白天工作，遇到陰雨天氣時發(fā)電效率也會大大降低，這樣就導(dǎo)致其具有時效性的不穩(wěn)定特點(diǎn)，所以直接把光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一二級負(fù)荷的其中一路電源是不可行的。若要使用光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)作另一路電源就需要接入蓄電池幫助穩(wěn)定電力供應(yīng)。這種做法和傳統(tǒng)燈具接入UPS 電源等備用電源類似，把之前接入市政電網(wǎng)的備用電池改為接入光伏發(fā)電系統(tǒng)即可。在配置備用電源蓄電池時需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)所需蓄電池的大小，容量過小無法達(dá)到使用需求，過度加大容量又會造成浪費(fèi)，這對設(shè)計(jì)者來說是個矛盾的問題[3]。

所以基于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，用其提高供電的等級并不可靠，必須借助蓄電池來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而蓄電池的使用維護(hù)也會同時帶來很多問題。因此，通常情況下并不會考慮使用光伏發(fā)電提高供電等級，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅從最大發(fā)電可利用的角度考慮即可。

2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電負(fù)荷類別

在民用建筑中，電力負(fù)荷主要分為照明、動力和工業(yè)負(fù)荷三種，因工業(yè)負(fù)荷情況復(fù)雜，存在極大不確定性，所以采用光伏發(fā)電系統(tǒng)為工業(yè)負(fù)荷供電并不合適。光伏發(fā)電應(yīng)用在建筑領(lǐng)域主要為照明和動力負(fù)荷提供電力。在動力負(fù)荷啟動時，會有啟動電流沖擊系統(tǒng)，所以需要根據(jù)電機(jī)的啟動沖擊容量來確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量。動力負(fù)荷主要有新風(fēng)、空調(diào)、水泵和電梯等設(shè)備。空調(diào)系統(tǒng)在我國多數(shù)地區(qū)只在部分時間段運(yùn)行，這時光伏發(fā)電系統(tǒng)會進(jìn)入怠工狀態(tài)，新風(fēng)和水泵系統(tǒng)也是一樣，如果無法保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)，就會造成光伏發(fā)電利用率低下。因此，在為動力負(fù)荷供電時，除了光伏發(fā)電系統(tǒng)外，還需要接入市政大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，這樣才可以保障用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)最適合為照明系統(tǒng)進(jìn)行供電，在白天無法正常采光而需要覆蓋照明設(shè)備的建筑室內(nèi)區(qū)域，光伏發(fā)電系統(tǒng)會發(fā)揮最大效率。而對于夜間室外景觀的照明需求，通過接入蓄電池把白天產(chǎn)生的電能儲存后，在晚上提供照明使用，同樣有很好的效果。因?yàn)檎彰鞯男枨蟛⒉粫芗竟?jié)的影響，全年都有穩(wěn)定的應(yīng)用，使用光伏發(fā)電系統(tǒng)最為合適。

4 光伏發(fā)電的供配電設(shè)計(jì)

4.1 光伏接線箱設(shè)計(jì)

光伏接線箱內(nèi)安裝有直流斷路器、電涌保護(hù)器等設(shè)備，它負(fù)責(zé)連接光伏陣列中所有的光伏組件，在光伏發(fā)電系統(tǒng)維修和保養(yǎng)時負(fù)責(zé)分離電路對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時縮小受影響的范圍。在光伏箱中同時還需要安裝匯流銅母排和端子，所有的光伏設(shè)備組件都需要經(jīng)過線纜連接到母排，并在母排前后安裝隔離設(shè)備及短路防護(hù)設(shè)備，在安裝時需要把光伏接線箱安裝到方便檢修和操作的區(qū)域，安裝在室外環(huán)境的光伏接線箱還需要有防水和防腐蝕的保護(hù)措施[4]。

4.2 光伏配電箱的設(shè)計(jì)

光伏配電箱主要分為交流式配電箱和直流式配電箱兩種，配電箱中需要安裝匯流銅母排、直流斷路設(shè)備、電涌保護(hù)設(shè)備等電氣設(shè)備。光伏配電箱需要安裝在室內(nèi)干燥通風(fēng)的環(huán)境內(nèi)，如果需要安裝在戶外，則需要進(jìn)行防水、防腐處理，防護(hù)等級需要高于IP54。

4.3 并網(wǎng)配電箱的設(shè)計(jì)

并網(wǎng)配電箱是負(fù)責(zé)連接光伏發(fā)電系統(tǒng)和市政大電網(wǎng)最重要的設(shè)備，它主要有防雷接地、保護(hù)隔離、防逆流保護(hù)等能力。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)連接進(jìn)入市政大電網(wǎng)時，每個單獨(dú)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者需要關(guān)閉檢修時，就需要通過并網(wǎng)配電箱對兩個供電系統(tǒng)進(jìn)行有效隔離，這樣就可以對供配電系統(tǒng)和人身安全提供絕對的安全保護(hù)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)和市政大電網(wǎng)之間必須要有專門的連接裝置和隔離設(shè)備。

4.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)主要有防雷和接地保護(hù)兩方面，同時還要考慮兼顧建筑的電氣系統(tǒng)保護(hù)。雷電分為直擊雷和感應(yīng)雷兩種，直擊雷指直接擊中光伏陣列、配電設(shè)備周圍的雷擊，主要的保護(hù)措施是安裝避雷針和避雷帶。感應(yīng)雷是由電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)造成的雷電，防護(hù)感應(yīng)雷需要安裝電涌保護(hù)設(shè)備。雷擊具有極大的破壞性，除了危害人身安全，還會對電力設(shè)備造成損害，嚴(yán)重時會引發(fā)火災(zāi)，所以有效的防雷設(shè)計(jì)極為重要。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的接地主要是對人身安全進(jìn)行保護(hù)，另外也保證了發(fā)配電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。光伏板陣列的接地線纜需要和建筑的電氣系統(tǒng)接地連接，所有電氣設(shè)備的金屬外殼都需要獨(dú)立連接到接地干線，并且連接點(diǎn)要多于兩個，而且光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)還需要進(jìn)行等電位保護(hù)。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在建筑供配電中的意義

隨著綠色建筑概念的深入，以及公眾對節(jié)能減排的需求，國家從政策上積極支持綠色能源的使用，使太陽能光伏發(fā)電在建筑中的應(yīng)用越來越多，我國多個地市已經(jīng)明確了綠色建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，國家也對綠建有著不同程度的補(bǔ)助和獎勵，為了達(dá)到相關(guān)指標(biāo)，獲得獎勵和補(bǔ)助，很多甲方都采用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，既能符合政策導(dǎo)向，又能解決公網(wǎng)用電壓力，還能為用戶端節(jié)約電費(fèi)，可謂一舉多得。

6 結(jié)語

雖然，我國國內(nèi)對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，多為政策驅(qū)動，并由于使用成本高等問題，推廣范圍和認(rèn)可度還有限，但是，我國人口眾多，建筑體量大，對太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的使用具有巨大潛力。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用也會因其環(huán)保無污染、節(jié)能不占地、既能補(bǔ)充大電網(wǎng)又能滿足自身需求等要素的影響，迎來更大的市場發(fā)展空間。