我國民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計的研究

冒堅

摘要：本文對民用建筑光伏系統(tǒng)的分類和組成進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了光伏電池的分類和優(yōu)缺點，光伏電池的特性參數(shù)和電氣特性，儲能裝置、逆變器的分類和特性參數(shù)，分析了民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計的原則和內(nèi)容，研究了光伏系統(tǒng)的設(shè)計方法，以充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的功能效用，為后續(xù)建筑電氣的高效使用提供保障。

關(guān)鍵詞：民用建筑;光伏系統(tǒng);電氣設(shè)計

引言

光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前時代背景下應(yīng)用較為廣泛的發(fā)電技術(shù)。在光伏電池的作用下，太陽能能夠被直接轉(zhuǎn)化為電能，有助于減少能量在傳輸過程中發(fā)生的損耗。同時，太陽能技術(shù)的應(yīng)用也可以就降低我國的發(fā)電成本，實現(xiàn)對無電地區(qū)的供電。但由于我國在民用建筑光伏系統(tǒng)的設(shè)計研究中存在不足，使得光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到了一定的阻礙，需要相關(guān)技術(shù)人員加以重視。

1 民用建筑光伏系統(tǒng)的分類與組成

在民用建筑建設(shè)中，光伏系統(tǒng)的設(shè)立目的在于將太陽能直接轉(zhuǎn)化為可用電能，主要分為獨立光伏系統(tǒng)與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩種。而隨著科技水平的不斷提高，當(dāng)前的民用建筑在光伏系統(tǒng)的選擇中以智能微網(wǎng)光伏系統(tǒng)為主要選擇。與其他系統(tǒng)相比，由于該系統(tǒng)連接的電網(wǎng)往往處于獨立運行的狀態(tài)，使得其具備完整的發(fā)輸配電功能，能夠滿足電網(wǎng)負(fù)載穩(wěn)定運行的要求。

1.1 獨立光伏系統(tǒng)

獨立光伏系統(tǒng)主要指未與公共電網(wǎng)相連的系統(tǒng)，主要用于偏遠(yuǎn)山村、高原沙漠等地區(qū)，或部分無電區(qū)域，其裝機(jī)容量往往在幾十瓦到幾百瓦之間，且供電效果受周邊環(huán)境影響較大，供電穩(wěn)定性也難以得到保障。獨立光伏系統(tǒng)主要以光伏方陣、儲能裝置、充放電控制器等設(shè)置組成，切當(dāng)供電形式為交流電時，還需安裝逆變器，保證輸電工作的有序進(jìn)行。

如圖1所示，光伏電池方陣接受到光照時，其會將太陽能轉(zhuǎn)化為可供負(fù)載運行的電能，并將剩余電能儲存至蓄電池組等儲能裝置中，以在無光照的情況下，為負(fù)載運行提供電能。

1.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連的光伏系統(tǒng)，主要應(yīng)用于有公用電網(wǎng)的地區(qū)。從實際效果來看，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量較大，供電質(zhì)量與穩(wěn)定性都相對較高，且受外界環(huán)境因素的影響較小。經(jīng)過多年研究實踐，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展相對成熟，且在當(dāng)前行業(yè)中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。

如圖2所示，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由光伏方陣、逆變器等設(shè)備組成。當(dāng)光伏方陣接收到光照時，其產(chǎn)生的電能會通過逆變器轉(zhuǎn)化為與公共電網(wǎng)同頻的交流電能。但與獨立光伏系統(tǒng)不同，在滿足負(fù)載運行的電能需求后，系統(tǒng)會將剩余電能輸送至公共電網(wǎng)中，以滿足其他負(fù)載的運行需求。同時，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)其儲能裝置類型的不同分為可調(diào)度式與不可調(diào)度式兩種。可調(diào)度式系統(tǒng)能夠在接受光照時將多余電能儲存在儲能裝置中，以滿足公共電網(wǎng)出現(xiàn)異常時系統(tǒng)的運行需要。而不可調(diào)度式修通則無法在公共電網(wǎng)出現(xiàn)異常時正常工作。因此，可調(diào)度式系統(tǒng)對太陽能的利用更加充分，還能對公用電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰。但其在使用過程中不僅會受到儲能裝置本身特性的限制，還存在投資及運行成本高，易在廢棄后對環(huán)境造成污染等問題，不能大規(guī)模使用。不可調(diào)度式系統(tǒng)由于以公共電網(wǎng)代替儲能裝置，使得公共電網(wǎng)的整體性價比更高，適合進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

此外，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)根據(jù)其并網(wǎng)方式又可以分為逆流系統(tǒng)與非逆流系統(tǒng)兩種。其中，逆流系統(tǒng)在接受光照時，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能主要用于支持負(fù)載運行，待負(fù)載運行結(jié)束后再將剩余電能傳輸至公共電網(wǎng)中，并在無光照的情況下由公共電網(wǎng)提供電能;非逆流系統(tǒng)則為在有光照時，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能全部傳輸至負(fù)載中，并在無光照的情況下有公共電網(wǎng)負(fù)責(zé)負(fù)載運行的電力支持。

2 民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計原則和內(nèi)容

作為建筑電氣設(shè)計中的重要內(nèi)容，技術(shù)人員在進(jìn)行民用建筑光伏系統(tǒng)的電氣設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)堅持協(xié)調(diào)統(tǒng)一的設(shè)計原則，保證光伏系統(tǒng)在各環(huán)節(jié)的設(shè)計效果均能與建筑電氣設(shè)計的整體效果相匹配。當(dāng)兩種設(shè)計出現(xiàn)偏差時，應(yīng)以建筑電氣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)為主，對光伏系統(tǒng)的電氣設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，以保障民用建筑電氣設(shè)計的整體效果。

民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計的內(nèi)容如下：首先，對光伏系統(tǒng)建設(shè)地點的地理信息、氣候特征等信息進(jìn)行全面研究，并結(jié)合建筑物的使用功能、負(fù)載性質(zhì)等，對光伏系統(tǒng)的類型進(jìn)行合理選擇，并編制相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計方案。隨后，設(shè)計人員需要根據(jù)上述信息選擇適宜的光伏系統(tǒng)組件，并對光伏方陣的朝向、間距等進(jìn)行合理設(shè)計，以最大化提高光伏方陣的發(fā)電效率。其次，技術(shù)人員需要對光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量進(jìn)行計算，并根據(jù)裝機(jī)容量選擇適宜的逆變器，再根據(jù)逆變器及相關(guān)組件的參數(shù)計算光伏組件的串并聯(lián)數(shù)。再次，技術(shù)人員還需對光伏系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行準(zhǔn)確計算。而當(dāng)光伏系統(tǒng)存在儲能環(huán)節(jié)時，還需根據(jù)需要完成儲能環(huán)節(jié)的設(shè)計。最后，對光伏接電箱、配電柜、線纜等設(shè)施進(jìn)行供配電設(shè)計，以便充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的作用。

3 民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計方式

3.1 光伏方陣設(shè)計

在方陣設(shè)計開始前，技術(shù)人員需要確定建設(shè)地點的各項信息，如經(jīng)緯度、海拔、氣候特性等。只有對環(huán)境信息有足夠的了解，后續(xù)太陽能光伏方陣的設(shè)計效果才能得到保障。同時，技術(shù)人員還需關(guān)注太陽能資源條件，如全年太陽輻射總量、年平均日照時間等。這些信息是決定光伏方陣整體朝向、間距等信息的基礎(chǔ)，也是設(shè)計人員開展方陣設(shè)計的重要前提。

首先，技術(shù)人員需要明確，光伏方陣的朝向通常以其方位角與組件傾角來確定。其中，方位角指方陣向陽面的法線在水平面上的投影與正南方向的夾角。太陽輻射對方位角的變化十分敏感，一般而言，位于北半球的光伏組件在其方位角為正南時，所接受的太陽輻射量最大。但由于在實際的建設(shè)過程中，光伏方陣的朝向常會在不同因素的影響下，無法保持標(biāo)準(zhǔn)的正南設(shè)置，這使得在實際的建設(shè)過程中，技術(shù)人員需將方陣的方位角保持在正南方向±20°左右。在這一區(qū)間內(nèi)，太陽輻射量并不會發(fā)生明顯的變化，這在高緯度及太陽能資源充沛的區(qū)域更加明顯。

其次，在光伏方陣運行過程中，不同電池間的相互遮擋現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這使得前排組件常會處于后排方陣的陰影中，導(dǎo)致其無法充分接受光照，進(jìn)而對其發(fā)電效率造成了嚴(yán)重的影響。這在屋頂光伏方陣中十分常見。因此，在設(shè)計方陣形式的過程中，技術(shù)人員的首要任務(wù)就是對方陣的最小間距進(jìn)行準(zhǔn)確計算。另外，對具體的設(shè)計過程而言，方陣的間距應(yīng)當(dāng)比最小間距稍大一些，以便后續(xù)光伏組件與電氣裝置安裝工作的展開。

此外，光伏組件在安裝過程中可采用固定式、可調(diào)節(jié)式與自動跟蹤式三種方式進(jìn)行安裝。受技術(shù)及成本等因素的限制，民用建筑設(shè)計中往往采用固定式支架進(jìn)行安裝，其最小間距的計算方式如下：

3.2 供配電設(shè)計

3.2.1 光伏接線箱設(shè)計

光伏接線箱指將光伏方陣中的所有組件進(jìn)行有效連接的箱體保護(hù)器流斷路器、電涌保護(hù)其等設(shè)施也被安裝在箱體中。通過該設(shè)備的應(yīng)用，技術(shù)人員能夠在對光伏系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)的過程中對電路進(jìn)行分離、保護(hù)，并在光伏系統(tǒng)發(fā)生故障的過程中減小停電范圍。其中，接線箱內(nèi)部需設(shè)置匯流銅母排和端子，以通過線纜將光伏組件引至匯流母排中，并在母排前后分別設(shè)置隔離電器與短路保護(hù)電器等，使接線箱得以安全運行。此外，設(shè)計人員還需對接線箱的位置進(jìn)行合理調(diào)整，并做好接線箱的防水、防等級措施，保證其防護(hù)登記在IP54以上，以便后續(xù)操作及檢修工作的展開。而帶有數(shù)據(jù)采集或通信功能的接線箱的防護(hù)等級應(yīng)在IP65以上。

3.2.2 光伏配電箱設(shè)計

光伏配電箱主要包括直流配電箱與交流配電箱兩種。配電箱內(nèi)部一般設(shè)置匯流銅母排，并安裝直流斷路器、電涌保護(hù)器等元件。在室內(nèi)，配電箱的存放場需保持干燥，且其位置也需便于維護(hù)和檢修。室外配電箱應(yīng)具備相應(yīng)的防水、防腐等措施，防護(hù)等級應(yīng)在IP54以上。

3.2.3 并網(wǎng)配電箱（柜）設(shè)計

并網(wǎng)配電箱的主要作用在于將光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)進(jìn)行連接，其具備防雷接地、電能計量、隔離、保護(hù)等功能。另外，當(dāng)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)完成后，一旦公共電網(wǎng)或系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障問題，且兩系統(tǒng)間未能及時脫離，就可能對電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定及人身安全造成重要的影響。因此，技術(shù)人員必須在光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)間安裝專門的連接裝置與隔離設(shè)備。

3.2.4 光伏系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計

光伏系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計的主要內(nèi)容為防雷與接地保護(hù)，其設(shè)計人員還需對建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計加以考慮。一般而言，雷擊主要分為直擊雷與感應(yīng)雷兩種形式。其中，直擊雷指雷擊與光伏方陣直接接觸，使雷電貫穿于光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，需通過安裝避雷針或避雷帶等方式完成保護(hù)。而感應(yīng)雷則指在電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)的影響下產(chǎn)生的雷擊現(xiàn)象，主要通過安裝電涌保護(hù)器等設(shè)置進(jìn)行處理。從實際表現(xiàn)來看，雷電的破壞力相對巨大，不僅會導(dǎo)致設(shè)備損害，影響電力系統(tǒng)的正常運行，還會給現(xiàn)場人員的安全帶來嚴(yán)重的威脅，引發(fā)火災(zāi)等重大安全事故。因此，科學(xué)合理的防雷設(shè)計十分重要。

在接地保護(hù)中，設(shè)計人員需要明確，接地的首要開展目標(biāo)在于保障現(xiàn)場人員的安全，避免設(shè)備受到損害。在證光伏方陣得接需要保證光伏方陣的接地線與建筑接地系統(tǒng)相聯(lián)系，連接點應(yīng)保持在兩處以上，且全部的金屬設(shè)備均需要單獨接到接地干線上，而不能在串聯(lián)后再接到干線上。

結(jié)束語

在當(dāng)前的民用建筑中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計能夠有效降低建筑能耗，提高建筑施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。這不僅有助于節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的落實，還能為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施奠定基礎(chǔ)。由此，本文對民用建筑光伏系統(tǒng)電氣設(shè)計進(jìn)行研究，通過對光伏方陣設(shè)計及供配電設(shè)計進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案，以便提高電氣設(shè)計水平，使光伏系統(tǒng)的效用得以充分發(fā)揮。

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