公共建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用分析

黃超強(qiáng)

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000）

建筑綠色化和低碳化是今后一段時(shí)期內(nèi)建筑發(fā)展的主旋律，也是破解全球能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的必由之路。中國(guó)是全球能源消耗大國(guó)，單位GDP對(duì)應(yīng)的能耗指標(biāo)始終居高不下，國(guó)內(nèi)能源供需矛盾時(shí)有顯現(xiàn)，能源可持續(xù)和安全問(wèn)題逐漸凸顯[1]?；诖?，優(yōu)化調(diào)整中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和組成，大力推廣新能源對(duì)于中國(guó)今后一段時(shí)期的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義；而太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)不產(chǎn)生任何溫室氣體，是不折不扣的綠色能源生產(chǎn)方式，真正實(shí)現(xiàn)了能源生產(chǎn)過(guò)程中的零排放、零污染。目前，太陽(yáng)能已成為中國(guó)大力推廣使用的新能源之一，在未來(lái)必將擁有更加廣闊的前景[2]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一種重要形式，在光照充足、日照時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)得到了廣泛推廣，光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是太陽(yáng)能光伏板，配套設(shè)施包括逆變器、配電端、儲(chǔ)能設(shè)施等，光伏發(fā)電系統(tǒng)能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)后供用電端使用。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已成為中國(guó)諸多新能源生產(chǎn)形式的重要組成部分之一[3]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)要求

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行，設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮閉網(wǎng)控制、運(yùn)行安全、系統(tǒng)保護(hù)、輸出功率監(jiān)測(cè)等參數(shù)，現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

做好系統(tǒng)電壓、相位、頻率等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，做好與并網(wǎng)參數(shù)的對(duì)比，確保逆變器輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)一致；合理布置逆變器，并做好參數(shù)調(diào)試，以最大程度提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；光伏系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)停啟功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)輸出異常，應(yīng)能夠自動(dòng)切斷交流輸出，系統(tǒng)進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)達(dá)到延遲時(shí)間后，自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行；為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在極端條件下的安全性，系統(tǒng)應(yīng)具備過(guò)載保護(hù)、失壓預(yù)警、頻率監(jiān)控、防雷保護(hù)、短路保護(hù)等功能；光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)設(shè)計(jì)電壓值必須大于光伏組件在極端氣溫條件下的開路電壓最大值，光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的各種元器件的最大容許電壓值不能低于設(shè)計(jì)電壓[4]。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)原則

公共建筑光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑類型、結(jié)構(gòu)特性等合理設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全、功能等造成不良影響。

3.1.1 建筑設(shè)計(jì)

首先，應(yīng)考慮建筑所在地的氣候環(huán)境特點(diǎn)，重點(diǎn)分析該地區(qū)太陽(yáng)能資源情況；其次，應(yīng)考慮建筑自身接受太陽(yáng)輻射的條件，比如該建筑周圍是否存在其他建筑遮擋、建筑接受光照時(shí)長(zhǎng)等；再者，需要與建筑外立面相協(xié)調(diào)，根據(jù)建筑外立面裝飾面層風(fēng)格，進(jìn)行合理的布局設(shè)計(jì)，確保與建筑外立面相協(xié)調(diào)，與周圍整體建筑環(huán)境相協(xié)調(diào)，以達(dá)到整體統(tǒng)一的效果；對(duì)于外立面的透光部位，應(yīng)合理代替采光頂施工，以避免影響室內(nèi)采光效果，實(shí)現(xiàn)自然采光與光能收集的有機(jī)結(jié)合[5]。

3.1.2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與地面光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，公共建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏方陣設(shè)計(jì)受到面積限制，且需要考慮到建筑自身采光需求，因此需要根據(jù)光伏方陣布設(shè)面積等因素，合理確定發(fā)電功率配套系統(tǒng)，而地面系統(tǒng)則是根據(jù)功率要求，設(shè)計(jì)光伏方陣和配套等。

3.1.3 光伏方陣設(shè)計(jì)

由于建筑外觀構(gòu)造、外觀裝飾需要，光伏方陣設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)建筑外形、外飾等合理設(shè)計(jì)，方陣形狀、板塊大小、顏色、朝向、傾角需要與建筑外立面設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，這就需要光伏供應(yīng)商與建筑師協(xié)調(diào)；此外，還需要明確光伏發(fā)電系統(tǒng)類型，比如獨(dú)立系統(tǒng)或者并網(wǎng)系統(tǒng)等，依據(jù)光伏系統(tǒng)選型、光伏輸出功率大小等，合理配置控制器、逆變器等選型。

3.1.4 結(jié)構(gòu)安全性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光伏組件設(shè)計(jì)安裝，不僅要考慮到組件、系統(tǒng)安裝對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮到系統(tǒng)組件自身穩(wěn)固性，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全、連接牢靠，因此，需要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并在設(shè)計(jì)階段就對(duì)預(yù)期可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估。

3.2 合理選擇并網(wǎng)形式

一般情況下，根據(jù)光伏系統(tǒng)投產(chǎn)后向負(fù)載供電方式不同，可將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)分為3種類型，分別是獨(dú)立光伏系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、混合光伏系統(tǒng)。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，供應(yīng)負(fù)載的電力全部來(lái)源于光伏系統(tǒng)，是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的一種光伏系統(tǒng)。有一些直接供給直流負(fù)載的系統(tǒng)，甚至不需要逆變環(huán)節(jié)。此類系統(tǒng)目前多應(yīng)用于一些電網(wǎng)系統(tǒng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)等地，或者是用于驅(qū)動(dòng)一些中小型電器。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，多用于一些分布式光伏發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目中，其主要功能是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過(guò)逆變處理，轉(zhuǎn)變成為交流電，并入電網(wǎng)；該型光伏系統(tǒng)可直接將電網(wǎng)作為儲(chǔ)能裝置，無(wú)需配置蓄電池，具有成本低、占地少的優(yōu)勢(shì)，且在陰雨天等不利條件下，可直接切斷光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)系，保證電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。

混合光伏系統(tǒng)是一種相對(duì)穩(wěn)定、可靠的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將若干種發(fā)電方式引入到光伏系統(tǒng)，保證系統(tǒng)向負(fù)載供電的穩(wěn)定性；在不利天氣條件下或者晚上時(shí)，光伏系統(tǒng)輸出功率不足，此時(shí)其他形式可保證負(fù)載供電穩(wěn)定，有效克服了單一光伏系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的不足。

3.3 光伏發(fā)電與建筑安裝的幾種實(shí)施形式

3.3.1 平屋面

光伏采光頂是平屋面常用的光伏發(fā)電實(shí)施形式。在實(shí)際安裝時(shí)，除了光伏組件安裝要滿足安全性、防水性等要求外，還需要考慮屋面采光要求，因此，光伏元件應(yīng)具有一定的透光性，一般要求透光率在10%～15%。現(xiàn)階段，在平屋面光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝時(shí)，通常將光伏組件與屋面結(jié)合，布局形式多為蜂窩鋁板屋面、光伏屋面、玻璃采光頂?shù)?。將光伏屋面更多地運(yùn)用于光伏建筑，不僅能夠有效利用屋頂空間，還能夠改善和增加屋面透光率，達(dá)到雙重節(jié)能降耗的效果。光伏采光頂?shù)膬?yōu)勢(shì)為能與建筑物完美結(jié)合、能充分利用屋頂空間且不會(huì)對(duì)建筑外立面設(shè)計(jì)藝術(shù)性造成影響。

3.3.2 斜屋面

斜屋頂在安裝方式、安裝要求等方面與平屋頂基本相同，但南向斜屋頂光伏建筑經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)異，南向相對(duì)其他朝向或平屋頂，本身采光更好；可以通過(guò)調(diào)節(jié)組件角度，使系統(tǒng)獲得更大發(fā)電量；此外，斜屋面光伏發(fā)電一體化，成本也相對(duì)其他方案更低。

3.3.3 遮陽(yáng)板

對(duì)一些光照較為強(qiáng)烈的地區(qū)，可將光電板作為遮陽(yáng)構(gòu)件，不僅可以起到良好的遮陽(yáng)效果，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)能耗，還能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，進(jìn)一步降低夏季電網(wǎng)供電壓力；此外，由于光電板角度與太陽(yáng)角度垂直，更有利于光電板光電轉(zhuǎn)化，該方案也是未來(lái)最具應(yīng)用潛力的光伏發(fā)展方向之一。

3.3.4 光伏幕墻

光伏幕墻是一種使用光電板取代傳統(tǒng)玻璃幕墻的玻璃構(gòu)件的光伏發(fā)電系統(tǒng)形式，其構(gòu)造方式與傳統(tǒng)玻璃幕墻基本相同，通過(guò)高性能光電板組件，使光伏幕墻具備良好采光、遮陽(yáng)、保溫等性能，在功能上完美取代傳統(tǒng)玻璃幕墻，同時(shí)又能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益顯著。當(dāng)前，光伏幕墻主要分為2類：①不透明幕墻，光電板多為單晶硅和多晶硅組件，具有光電轉(zhuǎn)化效率高、遮陽(yáng)性好等優(yōu)勢(shì)；②半透明幕墻，目前多采用非晶硅薄膜電池，其優(yōu)勢(shì)是對(duì)襯底材料基本無(wú)要求，可在較低溫度下沉積于玻璃等襯底，不過(guò)其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯，就是光能利用率相對(duì)較低。由于光伏幕墻除了要滿足發(fā)電功能，還需要滿足建筑外立面造型、采光、美學(xué)等需求，導(dǎo)致光伏陣列往往難以達(dá)到最佳安裝角度，對(duì)光伏系統(tǒng)效率造成影響，且相對(duì)于傳統(tǒng)玻璃幕墻，造價(jià)成本偏高。因此，必須從設(shè)計(jì)階段做好統(tǒng)籌規(guī)劃，在保證建筑美觀性、安全性、維護(hù)性等幕墻要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)光伏系統(tǒng)，為建筑“增綠降耗”，提高建筑全生命周期的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

3.4 光伏組件設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電板的材質(zhì)和有效觸光面積決定了系統(tǒng)的發(fā)電功率，為了最大程度提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，光伏板布設(shè)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐墓庹諚l件、建筑物朝向等因素，光伏板面積設(shè)計(jì)應(yīng)以建筑結(jié)構(gòu)屋面、幕墻面積及光伏板布置形式確定。此外，還應(yīng)做好光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，在滿足功能性的前提下，還應(yīng)注重設(shè)計(jì)的美觀性和協(xié)調(diào)性。

除了完成組件布置和初步設(shè)計(jì)外，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還應(yīng)做好組件的細(xì)部詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則強(qiáng)調(diào)裝卸便捷、功能完備。考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)布置于室外，對(duì)光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的耐久性和可靠性，除了做好基礎(chǔ)設(shè)計(jì)外，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支撐系、加固檁條、面板組件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其中支撐系及檁條設(shè)計(jì)如圖1、2所示。此外，還應(yīng)做好光伏發(fā)電系統(tǒng)各組件的安裝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

圖1 支承構(gòu)件設(shè)計(jì)（單位：mm）

圖3 光伏組件的安裝設(shè)計(jì)（單位：mm）

3.5 光伏發(fā)電電路設(shè)計(jì)

電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，光伏發(fā)電系統(tǒng)由眾多不同功能的電子元器件和組件通過(guò)電路連接，以達(dá)到電能傳輸?shù)哪康?，屋面組件和幕墻組件的電路應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，最后將獨(dú)立的光伏組件以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接。

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體輸出功率要求，擬以8個(gè)光伏單體串聯(lián)組成一套光伏組件，每套組件通過(guò)匯流組件再組成一個(gè)完整的光伏系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)電路串聯(lián)逆變器，最終接入配電端，電路中串聯(lián)電量表和控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的電量統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控控制。光伏組件及電路連接設(shè)計(jì)圖4、圖5所示。

圖4 光伏組件結(jié)合設(shè)計(jì)

圖5 光伏發(fā)電電路設(shè)計(jì)

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能的高效轉(zhuǎn)換，有力支撐了建筑綠色化、低碳化發(fā)展趨勢(shì)，具有經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳的突出優(yōu)勢(shì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受組件性能、布置形式、觸光面積等因素影響，發(fā)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)參數(shù)

以A建筑為例，該建筑按照三級(jí)綠色標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部按辦公寫字功能進(jìn)行裝修，涉及到的建筑電氣類型包括照明、暖通空調(diào)、一般動(dòng)力、會(huì)務(wù)等，其中空調(diào)系統(tǒng)能源由地源熱泵提供，故功率參數(shù)分析對(duì)象主要包括照明系統(tǒng)、一般動(dòng)力系統(tǒng)、會(huì)務(wù)系統(tǒng)等，具體分析結(jié)果如表2所示。

表2 某項(xiàng)目A棟樓光伏發(fā)電系統(tǒng)總功率參數(shù)

為了降低建筑電氣能耗的水平，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)全部照明光源均使用了新型節(jié)能燈具，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)滿足了國(guó)家的相關(guān)規(guī)范要求，總功率指標(biāo)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的使用功能及照明光源布置形式確定，總功率參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮會(huì)務(wù)系統(tǒng)和一般動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)載要求，考慮到電梯能耗指標(biāo)較高，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)的總負(fù)載不考慮電梯的負(fù)載。

A建筑電氣負(fù)載的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 某項(xiàng)目A棟樓電氣設(shè)計(jì)負(fù)荷參數(shù)

A建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)的總功率設(shè)計(jì)值為150 kW，主要滿足建筑內(nèi)照明系統(tǒng)、會(huì)務(wù)系統(tǒng)、一般動(dòng)力系統(tǒng)的用電負(fù)載，3大系統(tǒng)的總負(fù)載為132 kW，故光伏發(fā)電系統(tǒng)總功率滿足負(fù)載要求；但考慮到光照條件、天氣情況等客觀因素，為了保證建筑內(nèi)各項(xiàng)系統(tǒng)的正常工作，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)與供電網(wǎng)并網(wǎng)使用，一方面發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，同時(shí)體現(xiàn)供電網(wǎng)的“兜底”作用。

5 結(jié)論

為了緩解能源危機(jī)造成的現(xiàn)實(shí)威脅，優(yōu)化調(diào)整中國(guó)的能源供給結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)建筑工業(yè)綠色化、低碳化發(fā)展水平，以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為代表的新能源技術(shù)迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。本文以建筑結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和基本技術(shù)要求，重點(diǎn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了具體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后，以A建筑為例，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)供電中的應(yīng)用。