新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排探討

李加方

（中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，濟南 250000）

1 新能源光伏發(fā)電概述

1.1 新能源光伏發(fā)電技術(shù)原理

新能源光伏發(fā)電技術(shù)依托太陽能光伏組件、逆變器、變壓器、匯流箱等元器件與設(shè)備設(shè)施將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其基本工作原理為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。 新能源光伏發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用過程中， 利用光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)與功率監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測太陽能轉(zhuǎn)化為電能的穩(wěn)定性與可靠性， 利用并離網(wǎng)運行模式高效關(guān)聯(lián)局部光伏發(fā)電的微電網(wǎng)與主網(wǎng)， 有效補充主網(wǎng)電能與用電系統(tǒng)的用電量[1]。 具體做法為，利用光伏組串將太陽能轉(zhuǎn)換為高壓直流電， 經(jīng)逆變器逆變后輸出為與主網(wǎng)同頻同相正弦交流電， 或可直接作為電氣設(shè)備用電， 或可直接向主網(wǎng)輸送。 在并離網(wǎng)運行模式下，當(dāng)新能源光伏發(fā)電量無法滿足局部區(qū)域用電需求時， 主網(wǎng)可將同頻同相正弦交流電流輸送至用電設(shè)備端進(jìn)行供電； 當(dāng)新能源光伏發(fā)電量超出局部區(qū)域用電需求時，可將多余電能輸送至主網(wǎng)，有效補充主網(wǎng)電能。

1.2 新能源光伏發(fā)電相關(guān)構(gòu)成

新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、逆變器、支架、并網(wǎng)箱、交直流線纜等元器件或輔材構(gòu)成，其中，光伏發(fā)電組件是新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，固定在太陽輻射可直射區(qū)域，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能， 再利用直流電纜將方陣產(chǎn)生的電流輸送至逆變器中進(jìn)行逆變， 并將逆變后的正弦交流電輸送至主網(wǎng)中。

1.2.1 光伏發(fā)電組件

光伏發(fā)電組件由光伏電池、背板、玻璃、鋁框架、線纜、連接器、膠封材料等元器件或材料構(gòu)成，其中，光伏電池用于將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能， 電池組件性能直接影響太陽能轉(zhuǎn)換率。 當(dāng)前，常見的光伏電池類型有薄膜、單晶硅、多晶硅等。 不同類型的光伏電池優(yōu)缺點不同， 如晶硅光伏電池的太陽能轉(zhuǎn)換率較高，電能轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定；薄膜類光伏電池的太陽能轉(zhuǎn)換率相對較低，弱電響應(yīng)能力強，光伏系統(tǒng)搭建成本較低。 背板布設(shè)于光伏電池背面，可有效隔絕空氣中的水分與電氣，以免光伏電池的轉(zhuǎn)換功能與性能受到不利環(huán)境因素波及。 玻璃布設(shè)于光伏發(fā)電組件面向太陽輻射的一面， 以良好的機械強度與透明性保證光伏發(fā)電組件的安全性。 連接器主要用于關(guān)聯(lián)光伏發(fā)電組件與電池箱，確保電氣正常連接。 線纜作為并離網(wǎng)工作模式的重要輔材， 用于連接光伏發(fā)電組件與用電設(shè)備或主網(wǎng)， 實現(xiàn)光伏發(fā)電組件轉(zhuǎn)換電能至用電設(shè)備或主網(wǎng)的有效傳輸。

1.2.2 光伏并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器用于將光伏發(fā)電組件轉(zhuǎn)換得到的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡_保交流電與主網(wǎng)同頻、同相，有效補充主網(wǎng)電能。 當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)斷電情形時，光伏并網(wǎng)逆變器因過載而自動保護(hù)，將新能源光伏發(fā)電微電網(wǎng)與主網(wǎng)快速斷開，逆變器單獨運行為用電負(fù)載供電； 當(dāng)新能源光伏發(fā)電微電網(wǎng)所提供的功率無法滿足用電設(shè)備的高負(fù)載要求時， 則光伏發(fā)電組件陣列端電壓降低，逆變器輸出的交流電壓降低，主網(wǎng)電能將通過連接器及時補充，滿足負(fù)載的用電要求。

綜上，光伏并網(wǎng)逆變器具有并網(wǎng)輸送交流電、離網(wǎng)向用電設(shè)備供電、自動調(diào)整電壓、低壓保護(hù)、故障保護(hù)、功率自動控制等功能。 當(dāng)前，常用的光伏并網(wǎng)逆變器包括組串式逆變器、集中式逆變器，其中，集中式逆變器是將直流電匯總逆變?yōu)榻涣麟姾笊龎翰⒕W(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)節(jié)性較好，組建配置靈活度不高；組串式逆變器是將直流電直接逆變?yōu)榻涣麟姾笊龎翰⒕W(wǎng)， 安裝靈活、發(fā)電率較高，但發(fā)電監(jiān)控難、故障率高、穩(wěn)定性差。 因此，在選擇光伏并網(wǎng)逆變器時，應(yīng)綜合考慮不同類別的建造成本、維護(hù)便利性、發(fā)電率、配置靈活度等，因地制宜地保證光伏組件轉(zhuǎn)換直流電的逆變性能。

1.2.3 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)用于對光伏發(fā)電的各類組件設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，監(jiān)測對象包括光伏發(fā)電組件、光伏并網(wǎng)逆變器、匯流箱等，利用傳感器動態(tài)采集組件設(shè)備的工作參數(shù)，反演其工作狀態(tài)， 以便新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)運維人員實時掌握系統(tǒng)運行情況，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行故障，提高故障預(yù)警率與修復(fù)率。 此外，利用新能源光伏發(fā)電控制系統(tǒng)對電量進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，合理調(diào)度與控制電量，配合光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)用電設(shè)備供電、蓄電池存儲與主網(wǎng)對接輸出。

2 新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排的優(yōu)勢

2.1 提升能源使用效果

將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于建筑電氣節(jié)能減排中，可以充分引入太陽能這類清潔能源，將其轉(zhuǎn)化為電能，提高新能源在建筑電氣工程投運中的能源占比， 減少不可再生資源的利用。 同時，新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)通常就地安裝、原地使用，在建筑屋面或周邊空曠區(qū)域布設(shè)多晶硅光伏組件、 逆變器、支架、并網(wǎng)箱、交直流線等元件設(shè)備，有效避免了電能資源在長距離運輸中產(chǎn)生的線路損耗。 此外，建筑電氣節(jié)能減排時，多將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝部署在建筑屋面， 不僅可直接吸收太陽輻射，將其轉(zhuǎn)化為電能，還可幫助建筑有效遮擋太陽直射，減緩屋頂升溫過程，從而間接降低建筑內(nèi)的溫度，減少空調(diào)用電負(fù)荷，提高空調(diào)使用效果[2]。

2.2 安全性高、污染小

新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能的產(chǎn)生無須消耗不可再生的化石能源，也不會產(chǎn)生有害氣體、固體廢棄物等，造成污染大氣環(huán)境、土壤環(huán)境與水環(huán)境。 同時，相較于變電站、配電站等主網(wǎng)設(shè)備站點而言，新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)難度較低、組建配置靈活度較高、施工安全性較高。 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，運行安全系數(shù)較高，將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到建筑電氣節(jié)能中，可以減少建筑電氣安全隱患。

2.3 供電可靠

新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在建筑電氣節(jié)能中， 依托建筑的主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等布設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用建材產(chǎn)品打造建筑、光伏發(fā)電一體化建設(shè)項目，可提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。 如利用光伏建材作為建筑屋面的施工材料，將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)嵌入建筑工程中， 提高了建筑工程與光伏發(fā)電系統(tǒng)的一體化建設(shè)水平。 同時，利用光伏并網(wǎng)逆變器將直流電逆變轉(zhuǎn)換為交流電， 交流電功率充足時可穩(wěn)定供應(yīng)負(fù)載用電，并將剩余電能輸送至主網(wǎng)；交流電功率不足時，逆變器端的電壓較低，主網(wǎng)將電能資源輸送至負(fù)載端，滿足負(fù)載用電需求。 因此，新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)可以充分發(fā)揮分布式電能資源的效用，為建筑內(nèi)電氣設(shè)備的穩(wěn)定供電提供保障。

2.4 占地面積小

新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)多分布在建筑的主體結(jié)構(gòu)、 圍護(hù)結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等部位，對建筑的計容面積影響不大，也不會擴大實際占地面積，可以有效節(jié)約土地資源，在不增加城市土地利用壓力的前提下，為建筑電氣工程提供安全、可靠、穩(wěn)定的電力資源。

2.5 運營成本低

相較于電網(wǎng)各類配電工程， 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工內(nèi)容簡單、工期較短，投入成本較低，多晶硅光伏發(fā)電組件等技術(shù)與元器件相對成熟，故障率較低，運營維護(hù)較為便利。 因此，新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回報周期短，各類元器件的使用壽命較長，可較好地滿足建筑電氣工程長期、穩(wěn)定、低成本的供電需求。

3 新能源光伏發(fā)電助力建筑電氣節(jié)能減排的具體措施

3.1 建筑電氣設(shè)計中嵌入新能源光伏發(fā)電

建筑電氣設(shè)計時，需結(jié)合建筑實際使用需要，估算電氣負(fù)荷，設(shè)計照明系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電氣維護(hù)系統(tǒng)，科學(xué)選擇高效節(jié)能的電氣設(shè)備，并根據(jù)建筑功能空間布局與電氣設(shè)備布置，合理布置電氣系統(tǒng)配線。 為強化新能源光伏發(fā)電在建筑電氣節(jié)能減排中的應(yīng)用效果，應(yīng)在建筑電氣設(shè)計階段，乃至建筑工程設(shè)計階段，融合新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，如在建筑工程設(shè)計時，考慮將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝布設(shè)在屋面或立面，選用光伏建材作為建筑屋頂材料或立面材料等； 在建筑電氣設(shè)計時，根據(jù)建筑的電氣負(fù)荷選用適宜的光伏發(fā)電組件，光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接器布設(shè)應(yīng)根據(jù)建筑電氣設(shè)計方案中的配線布設(shè)方案合理設(shè)計等。 通過在建筑電氣設(shè)計中融入新能源光伏發(fā)電，可以提高建筑與光伏發(fā)電一體化設(shè)計與建設(shè)水平， 有效降低新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)成本，提升建筑電氣節(jié)能減排成效。

3.2 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)并離網(wǎng)靈活調(diào)度

在不同強度的太陽輻射條件下， 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不同，將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)引入建筑電氣工程中，利用并離網(wǎng)工作模式靈活調(diào)度新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出情況，可切實提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，保證建筑節(jié)能減排成效。 具體做法為，當(dāng)太陽輻射強度較大時，利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)向建筑電氣設(shè)備供電， 并將多余的電能輸送至超級電容器、 鈉離子電池等蓄電系統(tǒng)中進(jìn)行存儲或輸送至主網(wǎng)；當(dāng)太陽輻射強度較低時，利用蓄電系統(tǒng)為建筑電氣設(shè)備供電，實現(xiàn)新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的最大化利用[3]。

3.3 建筑電氣設(shè)備設(shè)施節(jié)能運行

引入新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)， 可以提高建筑電氣設(shè)備設(shè)施對能源的利用率，以及建筑節(jié)能減排的成效。 例如，在建筑電氣工程的照明系統(tǒng)中采用智能感應(yīng)燈， 利用光感或聲感控制照明設(shè)備的工作參數(shù)， 確保照明設(shè)備在建筑室內(nèi)光線較暗或室內(nèi)有聲音的情況下開啟， 合理利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能資源，以光伏發(fā)電與建筑電氣節(jié)能系統(tǒng)的協(xié)同運作，提高建筑電氣節(jié)能減排效果。

3.4 注意事項

新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)助力建筑電氣節(jié)能減排時， 對建筑電氣設(shè)計方案中的電氣負(fù)荷、配線布設(shè)、電氣設(shè)備布置、繼電保護(hù)措施等做好充分對接， 確保建筑電氣的電能供應(yīng)正常且穩(wěn)定。 建筑工程設(shè)計與施工時，應(yīng)做好新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的預(yù)留、預(yù)埋工作，以前瞻性視角推進(jìn)光伏模塊與建筑電氣一體化建設(shè)，提高新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計方案的吻合度與適配性。

4 結(jié)語

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能， 并將其應(yīng)用于建筑電氣設(shè)備用電供應(yīng)等環(huán)節(jié)中，可有效補充電氣負(fù)載的用電負(fù)荷，提高新能源在建筑電氣運行消耗能源中的占比，提高建筑電氣的能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。