光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用研究

陳陶然 李璐

1.江蘇林洋新能源科技有限公司 江蘇 南京 210019

2.上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司南京分公司 江蘇 南京 210012

面對(duì)全球能源危機(jī),人們認(rèn)為應(yīng)該利用清潔和可再生的新能源,使這些新能源不僅實(shí)現(xiàn)自身利用價(jià)值而又能得到合理推廣應(yīng)用。眾所周知，太陽(yáng)能是一種可再生的清潔能源，具有一定的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)將光伏太陽(yáng)能發(fā)電作為太陽(yáng)能綜合儲(chǔ)存的重要技術(shù)支撐，能夠合理高效地傳輸和綜合利用太陽(yáng)能。在開(kāi)展綠色環(huán)保建筑設(shè)計(jì)工作過(guò)程中,我們首先應(yīng)該從環(huán)保節(jié)能的基本原則高度出發(fā),注意節(jié)能保護(hù)環(huán)境,讓現(xiàn)代人們永遠(yuǎn)停留在一個(gè)良好的生活氛圍中。在開(kāi)展綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中,光伏混合發(fā)電集成系統(tǒng)二者應(yīng)合理設(shè)計(jì)利用,將綠色建筑與光伏混合發(fā)電系統(tǒng)二者之間深入發(fā)展融合運(yùn)用起來(lái)。

一、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)律

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)能電池可以將能量轉(zhuǎn)化為電能來(lái)完成工作。其中利用的原理主要是在有陽(yáng)光的地方，將光能電池主板中的光能轉(zhuǎn)化成電能，給電池供電。顯而易見(jiàn)，只要有陽(yáng)光這種充分的必要條件，就能更好地提供電力。光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生交流負(fù)載時(shí)，應(yīng)合理利應(yīng)用適合的逆變器更換電流。一般來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括控制器、電池、光伏組件以及逆變器等。其中控制器是為了確保電池使用時(shí)間和使用壽命，避免電池因?yàn)轭l繁使用而損壞的現(xiàn)象。光伏發(fā)電組件用戶可以輕易將其與太陽(yáng)能和其他電能之間關(guān)系進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換。逆變器主要是將低頻直流電經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電。蓄電池就是一種用來(lái)儲(chǔ)存大量電能的,發(fā)揮在各種緊急情況下供電的重要作用。

二、現(xiàn)代民用建筑電路系統(tǒng)特征

在短距離現(xiàn)代化發(fā)展的同時(shí)，全國(guó)民用建筑住宅還具有以下特點(diǎn):面積大，樓層高度大，電動(dòng)自動(dòng)水平標(biāo)準(zhǔn)高。他們?yōu)榻ㄖ?yīng)系統(tǒng)提出了新的標(biāo)準(zhǔn)：（1）安全可靠性，供電電路規(guī)定必須設(shè)置主次兩種電路，按照一主一輔助的形式進(jìn)行電源供應(yīng)；（2）供配電位置要根據(jù)樓層自身的實(shí)際情況變化。一般處于高層的建筑物中的供配電變壓器需要設(shè)置在負(fù)荷的核心位置；（3）消防標(biāo)準(zhǔn)高，高樓層建筑設(shè)置多個(gè)消防出口，每個(gè)通道中配備滅火器，防止突發(fā)情況的發(fā)生。

三、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)構(gòu)筑一體化優(yōu)點(diǎn)

要使光電池和構(gòu)筑物二者相輔相成有兩種方法：第一，建筑與光伏系統(tǒng)的結(jié)合;第二，建筑與光伏設(shè)備的結(jié)合。建筑與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，是在住宅樓頂安裝密封光伏組件，形成逆變器、電池、控制器和負(fù)荷的發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件的用戶可以輕松地相對(duì)于太陽(yáng)能和其他能源轉(zhuǎn)換熱量。變頻器主要將低頻直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源。蓄電池就是一種用來(lái)給水儲(chǔ)存大量電能的,在各種緊急情況下發(fā)揮給水供電的重要作用。當(dāng)然，光伏設(shè)備還必須具備良好的建筑材料所需的隔熱性、絕緣性、防水防潮性、強(qiáng)度和剛性以及易碎等性能。作為窗戶材料要能透光。此外，還要滿足安全實(shí)用、美觀大方、方便施工等需求。

為了將太陽(yáng)能引入建筑光伏體系能源中，必須將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)集成到建筑配電系統(tǒng)中。其次，首先要滿足建筑供電的基本要求:必須達(dá)到滿足建筑電力設(shè)備的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。此系統(tǒng)根據(jù)民用建筑不同等級(jí)電力負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì);并網(wǎng)系統(tǒng)可與城市電網(wǎng)深度集成，可自由切換。

從建筑結(jié)構(gòu)、技術(shù)手段、經(jīng)濟(jì)效益等方面來(lái)看，從建筑供配電系統(tǒng)引入太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，并與建筑完美融合，從而獲得多方面的效益。例如：(1)節(jié)省土地，便于安裝太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)。太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏陣列一般設(shè)置在建筑物的屋頂或周圍墻壁上，不需要占用額外的土地資源或增加其他設(shè)施。適用于一線繁華城市人口密集的建筑和辦公區(qū)域；(2)減少資金投入，穩(wěn)定電力供應(yīng)，就地發(fā)電。在一定傳輸距離內(nèi),電廠建設(shè)可以大大減少其對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)的投資。光伏電力陣列與智能電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，提高光伏電力的安全可靠性和技術(shù)實(shí)用性；(3)為了便于節(jié)能，太陽(yáng)能光伏陣列可以安裝在節(jié)能設(shè)施的結(jié)構(gòu)上，如大型建筑的室內(nèi)屋頂或外墻，將剩余太陽(yáng)能能源轉(zhuǎn)化為其他電能，降低室外空調(diào)綜合使用溫度，從而大大減少室內(nèi)中央空調(diào)使用負(fù)荷。既能有效節(jié)約能源，減少電能浪費(fèi)，又好還能有效凈化室內(nèi)空氣，保證廚房室內(nèi)空氣清新質(zhì)量，避免由于傳統(tǒng)工業(yè)化學(xué)生物燃料生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程造成的室內(nèi)環(huán)境嚴(yán)重污染的問(wèn)題發(fā)生。

四、建筑供配電利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)研究

（一）太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理

太陽(yáng)能電池將光轉(zhuǎn)換為電能的基本原理是：太陽(yáng)能電池接受能量的光子后，半導(dǎo)體會(huì)生產(chǎn)出稱為“光生載流子”的電子-空穴對(duì)。二者電性相反，電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電。電性相反時(shí)被半導(dǎo)體P-N結(jié)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離。電子和空穴分別由太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極和陰極收集，在外部電路中產(chǎn)生電流，因此產(chǎn)生電力。這樣,光能便成功地被轉(zhuǎn)變成作為一種電能。

（二）太陽(yáng)能光伏發(fā)電種類劃分

從光伏綜合供電系統(tǒng)特征學(xué)的角度進(jìn)行分析,光伏綜合發(fā)電配套系統(tǒng)大致可以劃分為兩下三大類。一種類型是獨(dú)立的公共太陽(yáng)能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)(stand-alonepvsystem),它不需要使用公共熱力電網(wǎng)所能連接到的電力。這種形式現(xiàn)在是主流，主要用于小容量用戶、偏遠(yuǎn)無(wú)電區(qū)域和特殊領(lǐng)域的電力供應(yīng)。其次,與公共能源網(wǎng)格緊密連接的公共網(wǎng)格緊密連接系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)(gridconnectedpvsystem)如今,大型地區(qū)集中式綜合太陽(yáng)能發(fā)電站、零散式小型太陽(yáng)能發(fā)電屋頂站和太陽(yáng)能光伏發(fā)電站等系統(tǒng)，均普遍采用公共網(wǎng)格緊密連接系統(tǒng)形式。在夜間或者日照總量不足、多云的天氣、雨霧多的天氣時(shí),蓄電池直接向主要負(fù)載設(shè)備供電。負(fù)載輸入電壓經(jīng)常都會(huì)發(fā)生頻率波動(dòng),因此我們需要在電控系統(tǒng)上直接安裝電壓控制器軟件來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載電壓。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能超過(guò)負(fù)荷需求時(shí)，可以通過(guò)自動(dòng)控制，即“逆流”傳輸?shù)浇涣麟娋W(wǎng)，相反，當(dāng)陰雨天沒(méi)有陽(yáng)光或太陽(yáng)能供電達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以由城市電網(wǎng)供電。俗稱“電銷”。就是“積極潮流”，通常被稱為“購(gòu)買電力”。

（三）備用電池谷量的統(tǒng)計(jì)

對(duì)于單獨(dú)光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能發(fā)電和設(shè)備電力可能會(huì)受時(shí)間、環(huán)境和其他外界因素而的影響，因此這種不確定性要求供需兩端的電力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。蓄電池是維持這種平衡的“調(diào)節(jié)器”，其容量是否充足對(duì)確保持續(xù)的電力供應(yīng)極為重要。在白天，太陽(yáng)電池組直接提供設(shè)備所需電力；而在傍晚和雨季，如果白天陽(yáng)光充足，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)電，提供電池中儲(chǔ)存的電力。如辦公樓負(fù)荷日均用電量為22000w，相當(dāng)于48V、458.3ah。根據(jù)當(dāng)?shù)孛酚耆涨闆r，以5天平均最大梅雨日為例，電池容量為48V、2750ah，使用24節(jié)2V、2750ah電池。

（四）逆變器聯(lián)網(wǎng)回路方法

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)變頻電路設(shè)計(jì)和安裝復(fù)合網(wǎng)過(guò)程帶來(lái)的一系列成本控制系統(tǒng)問(wèn)題。目前,網(wǎng)絡(luò)電源逆變器的絕緣主要和電路絕緣模式主要類型有三種:在我國(guó)電網(wǎng)中，中高頻驅(qū)動(dòng)變壓器電網(wǎng)絕緣裝置模式、高頻變壓器電網(wǎng)絕緣裝置模式和電網(wǎng)無(wú)線電變壓器絕緣模式。除第一種檢測(cè)方法外,后兩種檢測(cè)方法中還可以直接同時(shí)檢測(cè)直流輸出電流和入輸出,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)安全性。無(wú)直流變壓器工作方式由于其在制造成本、體積、重量、效率等諸多方面的巨大優(yōu)勢(shì),得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。在該電路中，通過(guò)升壓電路將太陽(yáng)能電池板的直流電壓提高到無(wú)變壓器轉(zhuǎn)換器所需的電壓。變頻器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電?？刂破骶邆渚W(wǎng)絡(luò)保護(hù)繼電器的性能和網(wǎng)絡(luò)所需的手動(dòng)開(kāi)關(guān)，在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，可以立即分離變頻器和電網(wǎng)。

（五）建筑與光伏構(gòu)件深入融合

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以滿足建筑物的供配電功能。同時(shí)，與建筑結(jié)合的進(jìn)一步目標(biāo)是以光伏屋頂?shù)刃问綄?shí)現(xiàn)光伏器件與建筑材料的一體化。鑒于這些形式，建筑外墻一般采用涂料、馬賽克等材料。有的甚至使用昂貴的玻璃幕墻，其作用是保護(hù)室內(nèi)和裝飾。如果用光伏器件代替屋頂、外墻、遮陽(yáng)棚甚至窗戶等材料，那么光伏器件可以用作建筑和裝飾材料，也可以用于發(fā)電。然后這些普通的技術(shù)并不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的要需求，設(shè)備又提出了更高更新的要求。它需要具有耐熱性、阻斷電流、燃點(diǎn)低、防水防潮性能、抗風(fēng)雪性能、重量輕、有一定的強(qiáng)度和剛度、不易開(kāi)裂等性能。還應(yīng)具有與建筑材料、同步使用壽命、安全可靠、美觀大方，易于施工等特點(diǎn)。如果用作窗戶材料，應(yīng)該能透光。美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的一些公司和大學(xué)，在政府的支持下，經(jīng)過(guò)幾年的努力，研發(fā)出了很多集光伏器件和建筑材料于一體的產(chǎn)品。部分技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中，有的正在測(cè)試論證中。目前，公司開(kāi)發(fā)的光伏產(chǎn)品主要有雙層透明玻璃大中小尺寸光伏電池幕墻、透明半透明光伏電池模塊、隔熱節(jié)能隔音內(nèi)外壁光伏電池模塊、光伏電池屋頂玻璃瓦、大中小尺寸、無(wú)框、雙透明玻璃瓦屋頂光伏電池模塊，來(lái)替代位于源和屋頂玻璃表皮的光伏電池模塊，包括迥然不同材料的著色、不一樣的材料形狀和排列在不同高度的光伏電池柔性模塊等。

五、結(jié)論

工業(yè)太陽(yáng)能光伏一體化發(fā)電技術(shù)體系將逐步引入工業(yè)與民用建筑的光伏供配電，工業(yè)太陽(yáng)能光伏作為綠色生態(tài)可再生能源和清潔能源為民用建筑供電。不僅有效緩解了建筑能源危機(jī),而且十分符合國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展要求。在未來(lái)的發(fā)展中，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際國(guó)情，使太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在公共建筑中得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在中國(guó)的快速發(fā)展。