文｜北京市建筑設(shè)計研究院 莊 鈞

山東省博物館工程中太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用

文｜北京市建筑設(shè)計研究院 莊 鈞

本文針對山東省博物館太陽能光伏系統(tǒng)組成及功能進行了較詳盡的介紹，講述了我國太陽能資源的分布，簡略說明太陽電池的幾種主要類型，重點陳述了并聯(lián)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點及基本構(gòu)成。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 年太陽輻射量 太陽電池 光伏建筑一體化

1 我國的太陽能資源

1.1 概述

我國地處北半球，土地遼闊，幅員廣大，國土總面積達960萬km2。南從北緯4o的曾母暗沙，北到北緯52.5o的漠河，西自東經(jīng)73o的帕米耳高原，東至東經(jīng)135o的黑龍江與烏蘇里江匯流處，距離都在5000km以上。在國內(nèi)廣闊富饒的土地上，有著豐富的太陽能資源（如圖1所示），理論儲量達每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，全國各地的年太陽輻射總量為928～2333kWh/m2，中值為1626kWh/m2。

根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區(qū)。

（1）一類地區(qū)。為太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量1855.7～2333.5kWh/m2，相當(dāng)于日輻射量5.1～6.4kWh/m2。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達2333kWh/m2（日輻射量6.4kWh/m2）。

（2） 二類地區(qū)。為太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為1625～1855.7kWh/m2，相當(dāng)于日輻射量4.5～5.1kWh/m2。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。

（3）三類地區(qū)。為太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為1389～1625kWh/m2，相當(dāng)于日輻射量3.8～4.5kWh/m2。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。

（4）四類地區(qū)。是太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量1167～1389kWh/m2，相當(dāng)于日輻射量3.2～3.8kWh/m2。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜南、蘇北、皖南以及黑龍江、臺灣東北部等地。

（5）五類地區(qū)。主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)，年太陽輻射總量931～1167kWh/m2，相當(dāng)于日輻射量只有 2.5～3.2kWh/m2。

1.2 工程概況

山東省博物館坐落于濟南市，位于北緯36.65o、東經(jīng)117o。濟南年平均日照時數(shù)為2491～2737h，位于我國太陽能資源類型的三類地區(qū)，年太陽輻射量約為1405.8～1473.3kWh/m2。

2 太陽電池種類

2.1 太陽電池分類

制作太陽電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)，基于以下因素，硅是最理想的太陽能電池材料。

（1）太陽電池分類：硅太陽電池；以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽電池；功能高分子材料制備的太陽能電池；納米晶太陽電池等。

（2）太陽電池材料的要求：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。

2.2 硅太陽電池

（1）單晶硅：單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率無疑是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣電池工藝影響，致使單晶硅成本價格較高，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了多晶硅太陽電池和非晶硅薄膜太陽電池。

（2）多晶硅：多晶硅電池由于所使用的硅較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅電池目前在太陽電池市場上占據(jù)相當(dāng)大比重。

（3）非晶硅：非晶硅太陽電池由于具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的生產(chǎn)成本及具備弱光發(fā)電性能等特點，有著極大的潛力。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽電池?zé)o疑是太陽電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1 獨立型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

由于該博物館工程實施的特殊性，設(shè)計方案中采用獨立型和并網(wǎng)型系統(tǒng)相結(jié)合的并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，其方案設(shè)計的前提是太陽能功率調(diào)節(jié)器能夠提供這些完善而實用的功能。即在市電供應(yīng)時，系統(tǒng)進入并網(wǎng)運行方式；無市電時，系統(tǒng)便自動轉(zhuǎn)入獨立運行方式，該設(shè)備不僅提供并網(wǎng)運行、獨立運行等一體化轉(zhuǎn)換工作模式，而且還提供對蓄電池組的充放電及相應(yīng)保護，管理的工作模式，從而使系統(tǒng)在配置蓄電池組后還可提供一體化控制的應(yīng)急功能。該系統(tǒng)的具體運行方式如下：

（1）有市電供電時，在有日照的白天，太陽電池方陣產(chǎn)生的電能經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器按照最大功率跟蹤控制方式（MPPT）輸送到用戶電網(wǎng)，供給距并網(wǎng)點最近的負荷優(yōu)先使用，當(dāng)太陽電池方陣的最大發(fā)電功率大于該用戶用電負荷功率時，則將剩余電量輸送到更遠端的電網(wǎng)用戶使用。當(dāng)并網(wǎng)點的用電負荷功率大于太陽電池方陣最大發(fā)電功率時，則用電負荷所需電能由太陽電池方陣和市電共同提供，且優(yōu)先使用太陽電池方陣所產(chǎn)生的電能。當(dāng)夜間無日照時，功率調(diào)節(jié)器的并網(wǎng)控制進入逆向工作模式，利用電網(wǎng)的電能給蓄電池組進行充電或浮充電，以補充蓄電池的自漏電，當(dāng)蓄電池組充滿電后自動關(guān)閉功率調(diào)節(jié)器的充電功能，等待第二天白天繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。

（2）無市電供電時，白天太陽電池方陣產(chǎn)生的電能通過功率調(diào)節(jié)器，單獨給重要負荷設(shè)備供電，同時給蓄電池組充電；在陰雨天、夜間時，則完全由蓄電池組放電輸出給重要負載。

在系統(tǒng)設(shè)計中選用的太陽能功率調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)單套系統(tǒng)內(nèi)并網(wǎng)運行及獨立運行雙功能逆變模塊的并聯(lián)工作，同時具有多套系統(tǒng)并網(wǎng)運行的擴容能力。

（3）并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點在于，當(dāng)市電電網(wǎng)停電時，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一個獨立電源系統(tǒng)使用，以保證一些重要負荷的供電。并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，如圖2所示。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)配置方案

（1）電氣設(shè)計人員接受博物館設(shè)計時，參考了太陽電池組件和蓄電池制造商的太陽能專家建議后，針對濟南地區(qū)的實際情況（地理、氣象及負荷等條件），在首先保證系統(tǒng)安全、可靠和滿足負荷能夠正常使用的前提下，使系統(tǒng)各部分的容量設(shè)計達到合理配置。

（2）并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)由以下幾個部分組成：太陽電池方陣及架臺；匯流保護裝置；獨立型并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器（含逆變/整流單元、充放電單元、輸入輸出單元、計量顯示單元等）；交流配電設(shè)備（含電磁隔離保護裝置、電源切換裝置、并網(wǎng)輸出斷路器、獨立輸出斷路器等單元部件）；蓄電池組；計算機數(shù)據(jù)采集裝置；太陽能顯示展板；各設(shè)備之間連接電纜以及其他輔助部件。

3.3 光伏系統(tǒng)各部分技術(shù)要點

3.3.1 太陽電池方陣及架臺

（1）并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽電池方陣容量是由太陽電池組件按照設(shè)計的數(shù)量串聯(lián)后形成組，根據(jù)容量要求再由一定數(shù)量并聯(lián)，根據(jù)每塊太陽電池組件的容量最后累積計算得到功率預(yù)設(shè)值的太陽電池方陣。方陣由經(jīng)過防腐熱鍍鋅處理的型鋼架臺支撐在博物館樓頂?shù)慕ㄖ锘A(chǔ)上，它是按照年發(fā)電量最大設(shè)計的傾斜角度朝向正南方放置在架臺上。

（2）太陽電池方陣（如圖3所示）放置到樓頂并無其他物體遮擋陽光的地方，以免影響系統(tǒng)的發(fā)電量。如果建筑物本身設(shè)置有避雷設(shè)施，并且也能夠保護到太陽電池方陣，則方陣本身不用再重復(fù)設(shè)置，否則需增加避雷設(shè)施。

由于此項太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程預(yù)設(shè)計安裝400kW的太陽電池方陣，因此在設(shè)置其方陣時采用標(biāo)準(zhǔn)功率為180Wp的光伏組件，規(guī)格為1580mm×808mm×35mm，峰值電壓為35.5V，13塊或12塊串接，共計39組2500塊。

3.3.2 匯流保護裝置

太陽電池方陣的每一串電池組件首先進入?yún)R流保護裝置中的分路輸入斷路器，然后通過各自的逆止二極管與總斷路器的輸入端口相連，最后通過總斷路器的輸出端口將方陣的電能送入并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器，在裝置內(nèi)部輸入及輸出都設(shè)置有電涌保護吸收裝置，能夠?qū)⑻栯姵胤疥噦?cè)產(chǎn)生的高電壓脈沖吸收掉并通過接地線導(dǎo)入大地，以保證發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。

該系統(tǒng)所采用的匯流保護裝置，將近設(shè)在太陽電池方陣架臺上以減少線路損耗。由于保護裝置安裝在室外，因此需采用防水、防塵設(shè)計，并且里外全部噴涂高密度室外防銹底漆及表面防銹漆，在裝置門設(shè)置門鎖，以防止非專業(yè)人員隨意打開進行操作，確保系統(tǒng)的安全運行，外殼的防護等級為IP54。

共選用39臺SMC11000智能型逆變器，樓頂安裝18臺，機房集中安裝21臺，選用3臺低壓匯流柜，一臺并網(wǎng)逆功率保護柜（如圖4所示）。

3.3.3 并聯(lián)型功率調(diào)節(jié)器

并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器為落地式安裝，其內(nèi)部主要由太陽能主從逆變/整流單元、計量顯示單元、輸入輸出單元、充放電單元等組成，能夠確保設(shè)備的無人職守自動工作。其特點如下：

（1）適應(yīng)多種系統(tǒng)組合方式。一臺功率調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)太陽能發(fā)電的并網(wǎng)功能、獨立運行功能、蓄電池充放電功能、負荷均分功能、峰值斬波功能。通過附加傳感器，可以使設(shè)備工作于并網(wǎng)自用（不向電網(wǎng)的上一級電網(wǎng)送電）以及上網(wǎng)送電賣電計量等功能。

（2）由模塊單元構(gòu)成。以模塊化構(gòu)筑安裝單元，可以構(gòu)成任一容量，擴容方便。

（3）內(nèi)置并網(wǎng)系統(tǒng)所需的功能。主單元內(nèi)集中設(shè)置了系統(tǒng)并網(wǎng)保護功能、直流分量檢出、接地檢出等所有功能。

（4）體積小、重量輕。采用框架安裝方式，因此能夠做到體積小、重量輕。

（5）獨立運行輸出也能夠并列運行。n臺Y kW單元可實現(xiàn)（Y×n）kW的自立輸出供電。

（6）輸入電壓范圍寬，組件可隨意組合。直流輸入電壓范圍：200V～500V。

（7）系統(tǒng)通信采用RS485方式。采用標(biāo)準(zhǔn)配置的RS485電路，能夠進行運行狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)監(jiān)視以及數(shù)據(jù)計量。

（8）計量顯示單元監(jiān)視運行狀態(tài)。所有的日射強度、氣溫、電壓、電流、功率、發(fā)電量等狀態(tài)監(jiān)視由計量顯示單元進行顯示。

3.3.4 交流配電設(shè)備

圖5是設(shè)備內(nèi)置有電磁隔離保護裝置、電源切換裝置、并網(wǎng)輸出斷路器、獨立輸出斷路器等單元部件。當(dāng)外電網(wǎng)或者太陽能發(fā)電設(shè)備側(cè)有高電壓脈沖或高頻諧波干擾時，通過內(nèi)置的電磁隔離保護裝置能夠?qū)⒏蓴_降低到最低水平，從而保證整個系統(tǒng)的安全運行。當(dāng)線路中有短路情況發(fā)生時，回路中的斷路器能夠迅速切斷故障回路，縮小事故范圍。

3.3.5 蓄電池組

蓄電池組是并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。它的安裝地點應(yīng)設(shè)計在運行條件相對較好的地方，因蓄電池的使用受到環(huán)境的影響較大，幾乎每天都要進行充放電，為保證系統(tǒng)的可靠運行，采用優(yōu)質(zhì)的閥控式密封鉛酸蓄電池，它適合于深放電和每日的循環(huán)。并在市電電網(wǎng)停電的條件下也能向負荷提供所需的儲備容量。

3.3.6 計算機數(shù)據(jù)采集裝置

該裝置是采用全中文計量軟件來進行數(shù)據(jù)采集，通過RS485接口連接到功率調(diào)節(jié)器，并將所采集的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，形成圖形顯示界面和數(shù)據(jù)表格形式，計算統(tǒng)計每天、每月、每年的各種參數(shù)的分項數(shù)據(jù)和匯總數(shù)據(jù)，也可以形成實時數(shù)據(jù)發(fā)電曲線圖表的形式進行存儲，所有數(shù)據(jù)全部存儲到計算機硬盤專用的文件夾內(nèi)，通過計算機可以調(diào)出以前任何一天的運行數(shù)據(jù)。

計算機數(shù)據(jù)采集裝置開放通信端口（如圖6所示），可遠傳數(shù)據(jù)給信息控制監(jiān)控中心，對獨立型并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。

3.3.7 太陽能顯示展板

顯示展板安裝在室內(nèi)或室外，能夠為人們展示太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)數(shù)據(jù)如系統(tǒng)發(fā)電功率、日發(fā)電量、總發(fā)電量等數(shù)據(jù)。并能夠提供系統(tǒng)的發(fā)電原理簡圖和一些環(huán)保說明的文字（例如安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)后CO2的減排量、燃油節(jié)省量、環(huán)境綠化貢獻量）等，充分體現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能、減排的現(xiàn)代化意識和色彩。

4 結(jié)束語

綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是21世紀(jì)人類所面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種具有替代作用的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)化進程推進和技術(shù)發(fā)展的進步，它的轉(zhuǎn)換效率、性價比將得到提高，光伏建筑照明一體化在各個領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，也將極大地推動中國“綠色照明工程”的快速發(fā)展。