建筑屋面分布式光伏發(fā)電項目設計探討

中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 陳錦成

1 引言

近年來，綠色低碳發(fā)展的主基調(diào)對建筑行業(yè)未來發(fā)展提出了明確的要求。隨著經(jīng)濟水平與科學技術的迅速發(fā)展，人們對于住宅水平也有了更好的標準，尤其是對建筑設計的要求越來越高，從而導致當前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來越復雜，不斷增長的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機。因此，電力部門對于建筑內(nèi)部的發(fā)電項目的安全與能耗提出了更高的要求。光伏發(fā)電技術作為一種可再生清潔能源，能夠較好地滿足綠色建筑低碳節(jié)能理念，所以在進行建筑電氣設計時，應該加大光伏發(fā)電技術應用，以保證建筑電氣的安全性與節(jié)能性。

2 分布式光伏發(fā)電技術原理及應用場景

分布式光伏發(fā)電技術的主要工作原理是指利用太陽能轉(zhuǎn)化成為機械能，最后轉(zhuǎn)化為電能。當前，該發(fā)電技術已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術中應用最為廣泛的一種，通過分析各種類型的新能源資源儲備量可以得出，太陽能資源的儲備量最多，所以將其應用于建筑物的電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能-電能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)太陽能發(fā)電[1]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然是一種新型的能源綜合利用系統(tǒng)，但是卻有著十分廣闊的利用空間。分布式光伏發(fā)電裝置主要包括：光伏組件、逆變器、支架、電纜、并網(wǎng)系統(tǒng)以及相關配件等[2]。其中，光伏組件和逆變器是整個裝置的核心部分。光伏組件由晶體硅太陽能電池、非晶體硅太陽能電池構(gòu)建而成，逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)變成為交流電，從而能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能。支架是整個發(fā)電裝置的中心，其主要是起到支撐作用，該裝置主要是通過支架內(nèi)部的電纜進行輸配電，同時還具備抗震、防風、防雪等功能。由此可見，分布式光伏發(fā)電裝置是由不同設備裝置構(gòu)建而成的，只有使其協(xié)同工作才能將太陽能高效轉(zhuǎn)化為電能使用，從而實現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能降耗的目的。

分布式光伏發(fā)電技術相比其他的新能源發(fā)電技術而言，具有零污染、效益高、適應范圍廣等特點。目前，我國分布式光伏發(fā)電機裝機容量已達10750.8kW，占發(fā)電機裝機容量的75%左右，可見裝機容量比例較大。由此可見，該發(fā)電技術的應用前景是十分廣泛的，經(jīng)過實踐證明該發(fā)電技術能夠有效提高發(fā)電效率，并且在建筑領域的應用水平得到了社會各界的一致認可。分布式光伏發(fā)電技術如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電技術

3 項目概況

本工程為某市大型商業(yè)綜合項目。本工程總建筑面積13900m2，建筑高度為92.5m。建筑布局地下B1-B3層為地下停車庫；一層、二層為商業(yè)營業(yè)廳、餐廳；三層為電影院、健身房；四層為物業(yè)管理、設備用房、辦公用房。其中，整個建筑物的屋頂均采用平鋪安裝與光伏發(fā)電相結(jié)合的方式，從而實現(xiàn)了資源的有效利用[3]。

4 總體設計

4.1 光伏組件

分布式發(fā)電技術相比其他的新能源發(fā)電技術而言，有著獨特的優(yōu)勢之處。即無污染、效益高、適應范圍廣等。截至2021年，我國分布式光伏發(fā)電機裝機容量已達10750.8kW。

結(jié)合當前我國分布式光伏組件市場現(xiàn)狀以及產(chǎn)量情況來看，目前市場上采用最多的光伏組件配置為晶體硅以及薄膜等兩大類。其中，晶體硅光伏組件成熟度、性質(zhì)穩(wěn)定、市場份額最大、價格低廉、產(chǎn)量大等因素，因此本文將選定光伏組件為晶體硅[4]。

4.2 規(guī)格參數(shù)

由于晶體硅光伏組件的功率規(guī)格多，如5～670W。再加上本項目裝機規(guī)模較大，因此組件數(shù)量較多。本研究為了減少占地面積以及組件安裝量，將優(yōu)先使用單位面積功率大的光伏組件。不僅能夠有效降低設備故障發(fā)生率，同時也能夠減少接觸阻力與電纜用量，從而能夠減少系統(tǒng)的整體損耗。經(jīng)濟技術方案分析見表1。

表1 經(jīng)濟技術方案分析

由表1可知，540W 光伏組件相比450W 組件而言，能夠有效節(jié)約屋頂面積644m2，節(jié)省租金12800元/年（2元/m2）；節(jié)省光伏專用電纜長度23000m，節(jié)省電纜成本46000元；節(jié)省支架30套。根據(jù)技術經(jīng)濟方案以及本項目實際情況來看，適合采用72片封裝單晶硅光伏組件，型號規(guī)格為550W。然而，本階段只適用于選擇固定的運營方式，從項目和結(jié)構(gòu)兩方面因素綜合來看，結(jié)合平鋪方式依次安裝屋頂光伏系統(tǒng)[5]。因此，本項目所采用的光伏組件與傳統(tǒng)發(fā)電模式相比，運行費用也十分合理，設備的初期總投資就能夠節(jié)省約將近100萬元，并且不需要設立單獨的機房放置設備，因此可以有效減少使用面積，并且周圍的商業(yè)用房的相關設置也不會受到實際的影響，再加上其零污染排放、系統(tǒng)運行可靠、設備維護管理方便、使用壽命長等優(yōu)點，應用于本項目十分合適。

4.3 逆變器

針對本項目分布式光伏發(fā)電而言，其中逆變器設備是核心的部分，主要作用是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。當逆變器完成能源轉(zhuǎn)換后，首先會將電能源源不斷地輸送至建筑物進行供電，而剩余的一部分電能將會被存儲至電網(wǎng)中。此外，該設備具有過壓保護、電壓異常保護、過流保護等保護功能。因此，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行與之有著直接作用關系?；诖耍狙芯吭谠O計光伏發(fā)電時，首先需要考慮整個建筑物整體情況，其次構(gòu)建45kW 逆變器，每一臺逆變器的光伏最大配置設置為45÷4.05=11.11。因此，為了確保能夠滿足本項目建筑物實際供電需求，因此在設計逆變器光伏串時，需要為每一臺逆變器配置12串光伏串。

5 技術要點分析

5.1 確保環(huán)保節(jié)能設計質(zhì)量

首先，本項目設計人員來說，在建筑物供電系統(tǒng)中應用分布式光伏節(jié)能環(huán)保技術，需要充分考慮該技術所帶來的長遠利益以及發(fā)展趨勢，不僅需要從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，還需要站在未來市場環(huán)境發(fā)展的角度看待這一問題，然而這一切的前提是必須確保分布式光伏發(fā)電技術的質(zhì)量。因此，在整個發(fā)電系統(tǒng)設計的過程中，設計人員一方面需要具備專業(yè)的光伏發(fā)電基礎知識，另一方面還需要綜合現(xiàn)場建筑物的實際情況，及時對設計方案進行調(diào)整，確保整個設計方案的合理化。

除此之外，在設計的過程中，相關的管理人員也需要在現(xiàn)場對設計人員的設計方案進行評估，確保整個設計方案要基于節(jié)能環(huán)保技術出發(fā)，才能夠?qū)崿F(xiàn)綠色低碳的目標。

5.2 確保相關設備設計規(guī)范

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠直接影響本建筑項目的低碳、節(jié)能、環(huán)保應用效果。因此，相關設計人員需要時刻根據(jù)本項目設計目標，盡可能地采用綠色、低碳、無污染的設備（如：太陽能）應用于本項目中，進而有效降低的能源消耗。

5.3 發(fā)電機組監(jiān)管維護

本建筑項目分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是由多臺發(fā)電機組組合而成的，每一臺機組的發(fā)電量是300w 左右。分布式光伏發(fā)電機組主要采用的是集中控制方法進行處理。在實際運行過程中，需要安裝微機監(jiān)控設備，進一步實現(xiàn)對發(fā)電機組的遠程控制。除此之外，針對分布式光伏發(fā)電機組的監(jiān)管與維護過程中，需要在機組內(nèi)部部署相應的保護裝置，同時滿足以下要求。

第一，分布式光伏發(fā)電機組的監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到對每臺發(fā)電機組的實時監(jiān)控，同時還能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云平臺中，而技術人員能夠利用上傳的數(shù)據(jù)分析該發(fā)電機組是否存在設備運行故障，同時還能夠遠程進行指定工作，實現(xiàn)對太陽能電池片的轉(zhuǎn)向調(diào)整。

第二，將監(jiān)控設備部署于每一臺光伏發(fā)電機組中，能夠使計算機設備直接控制該發(fā)電機組，進而能夠?qū)崿F(xiàn)對過壓保護、過流保護、傳感器保護等多種保護情況。一旦太陽能轉(zhuǎn)換成電能，在電力傳輸過程中的電壓和電流過高，此時監(jiān)控設備將會立即切斷運輸電纜，從而確保發(fā)電機組的安全。

6 發(fā)電量與經(jīng)濟效益

6.1 發(fā)電量

發(fā)電系統(tǒng)的實際運行效率是影響其發(fā)電量的關鍵性因素。在本項目中，由于雨水、灰塵等氣候以及光伏組件不匹配等都有可能導致發(fā)電系統(tǒng)的運行效率降低，同時逆變器、電纜、變壓器等設施設備的功率損失同樣也會導致發(fā)電系統(tǒng)的實際運行效率的下降，從而導致發(fā)電量降低?；诖?，本研究決定在PVDesigner 軟件中進行模擬，進一步得出了發(fā)電系統(tǒng)的各項能耗損失。其中，污穢損失約為2.5%；組件溫度損失約為4.35%，失配損失約為1.98%，電纜損失約為0.45%，逆變器效率損失約為1.45%，整體系統(tǒng)效率約為82.5%。根據(jù)本項目某市一大型商業(yè)綜合項目分布式光伏發(fā)電項目的年總發(fā)電量，可根據(jù)太陽能年總輻射量、發(fā)電系統(tǒng)組件總功率以及發(fā)電系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)進行計算，得出式：

式中：Ep代表年總發(fā)電量；Ha代表太陽能年總輻射量；Paz代表發(fā)電系統(tǒng)總功率；K 代表發(fā)電系統(tǒng)總效率。由于需要考慮到使用年限的原因，太陽能電池片的運行效率會隨著時間有所減弱，因此本項目僅預測未來20～25年內(nèi)該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每一年發(fā)電量。采用PVDesigner 軟件進行模擬分析，將相應的設備參數(shù)填入模擬系統(tǒng)中，經(jīng)過計算得出未來25年內(nèi)，該發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量為985.2萬kWh。

6.2 經(jīng)濟效益

根據(jù)上述的模擬計算可以得出，本研究分布式光伏發(fā)電項目應用于該大型商業(yè)綜合項目中能夠?qū)崿F(xiàn)年發(fā)電量為985.2萬kWh，按照相關的火電煤耗發(fā)電標準來計算，本項目投入建設后平均每年可節(jié)約燃煤約1000t，因此也會減少大氣污染物的排放，同時該發(fā)電項目應用的主要資源為太陽能，其是一種清潔能源且可再生能源，緩解了我國電力事業(yè)用電緊張的問題，同時也為人們生活節(jié)約了用電成本。

7 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷改善和提高，對建筑設計的要求也不斷提升，從而造成目前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來越復雜，不斷增長的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機。分布式光伏發(fā)電技術的應用大大改善了我國電力緊缺的問題，同時也體現(xiàn)出了我國電力事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的品質(zhì)。應用分布式光伏發(fā)電技術，不僅能夠節(jié)約能耗，同時還能夠降低環(huán)境污染。該技術有效滿足了現(xiàn)代化發(fā)展需要，實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，從而保障我國建筑行業(yè)與電力行業(yè)的長遠穩(wěn)定發(fā)展。