國電南京自動化股份有限公司 ■ 陳清 林沖 古濤 趙永彬

0 引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)因具有安裝簡便，使用過程中無污染、無噪音、易于與建筑結合等優(yōu)點，已在日本、德國、美國等發(fā)達國家得到產(chǎn)業(yè)化的推廣應用。

分布式發(fā)電是指在用戶所在場地或附近建設安裝，運行方式以用戶端自發(fā)自用為主、多余電量上網(wǎng)，且在配電網(wǎng)系統(tǒng)以平衡調節(jié)為特征的發(fā)電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯(lián)供設施[1]。

近年來，我國的光伏產(chǎn)業(yè)也得到了長足的發(fā)展，民用建筑工程中，利用太陽能光伏發(fā)電技術正成為建筑節(jié)能的新趨勢。新建建筑項目應根據(jù)建筑使用功能，對項目投入使用后8:00～20:00分時段用電負荷情況進行預測分析；既有建筑項目應統(tǒng)計和分析項目最近一年8:00～20:00分時段用電負荷。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)日/季發(fā)電量與建筑用電高峰時段一致。

在建筑上安裝光伏系統(tǒng)，并通過專門設計實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結合，應綜合考慮結構安全性和安裝連接方式。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)原地發(fā)電、原地使用，不但節(jié)約了電站輸送電網(wǎng)的投資，而且還大幅降低了輸電和分電的損耗；安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構的光伏陣列，在吸收太陽能轉化為電能的同時，還極大降低了建筑外圍護結構表面的綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，在這個基礎上實現(xiàn)與建筑的完美結合。

1 分布式光伏發(fā)電站設計及安裝

1.1 設計優(yōu)化原則

1)認真研究項目建設的條件，通過多方案比較，確定較為合理的技術方案。

2)分析選址資源情況。

3)合理布置太陽電池方陣。

4)陰影遮擋的計算。注意組件的遮擋和通風問題。溫度升高將減少發(fā)電量，當光伏組件吸收光照轉化為電能時，電池板自身溫度急劇升高，如果不考慮良好的通風散熱，會直接影響電池板的轉化率。圖1為組件輸出功率與溫度曲線圖。

圖1 組件輸出功率與溫度曲線圖

5)減少系統(tǒng)的安裝時間；減少系統(tǒng)的安裝材料；減少系統(tǒng)連線，降低線損。

6)電纜布線最優(yōu)化(設備選型：針對直流側系統(tǒng)的連線)。

7)選用防紫外線電纜；盡量短的連線；近處匯流。

8)高效的逆變器是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保證，選擇多路MPPT并網(wǎng)逆變器。

9)系統(tǒng)就近并網(wǎng)發(fā)電，電能就地消納。

10)設計應以不損害和影響建筑的效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則。

1.2 發(fā)電量影響因素

影響光伏電站發(fā)電量的關鍵因素主要是系統(tǒng)效率，需考慮的主要因素有：灰塵及雨雪遮擋引起的效率降低、溫度引起的效率降低、逆變器的功率損耗、變壓器的功率損耗、光伏組件串并聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低、光伏組件的傾角、交直流部分線纜功率損耗以及其他損失，設計過程中應充分考慮影響系統(tǒng)效率的關鍵因素。

對于某一具體位置的建筑來說，為獲得更多輻射量，光伏方陣的布置應盡可能朝向太陽光入射的方向，如建筑的南面、西南面、東南面等[2]。

1.3 分布式光伏發(fā)電的設計(以BIPV為例)

分布式光伏發(fā)電的設計應從建筑設計入手。首先，對建筑物所處的地理氣候條件及太陽能的資源情況進行分析，這是決定是否選用BIPV的先決條件；其次，需考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，是否適合建設分布式發(fā)電；第三，與建筑物的外裝飾協(xié)調，分布式電站特別是BIPV會使建筑更富生機，環(huán)保綠色的設計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結合，如圖2所示；第四，考慮組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。

圖2 光伏建筑一體化(BIPV)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計包含3部分，分別為光伏方陣設計、光伏組件設計和光伏發(fā)電系統(tǒng)設計。

在與建筑墻面結合或集成時，光伏方陣設計一方面要考慮建筑效果，如顏色與板塊大??；另一方面還要考慮其受光條件，如朝向與傾角。光伏組件設計涉及到電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置(結合板塊大小、功率要求、電池片大小進行)；組件的裝配設計(組件的密封與安裝形式)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計包括：系統(tǒng)類型(并網(wǎng)系統(tǒng)或獨立系統(tǒng))確定，電壓等級的確定，控制器、逆變器、蓄電池等的選型，防雷接地、系統(tǒng)綜合布線、設備安裝等環(huán)節(jié)設計。

1.4 電站安裝順序

分布式光伏電站的安裝順序為：放線、驗線→混凝土基礎制作→太陽電池支架安裝→組件安裝→線纜連接→方陣調試→配電設備安裝→線纜連接→系統(tǒng)調試、試運行→交付驗收。

1.5 光伏電站安裝注意事項

由于組件的串聯(lián)數(shù)量多，開路電壓較高，超過了安全電壓范圍，所以必須注意以下事項：

1)為防止高電壓和電流的產(chǎn)生，在連接電纜之前，可先使用一塊不透明材料將組件完全遮蓋，然后再進行電纜連接。請勿接觸組件帶電的末端或電線。但是，如果依據(jù)當?shù)氐陌踩ㄒ?guī)在操作過程中采取了適當保護，上述要求則不必要。

2)使用經(jīng)許可的絕緣工具。

3)在干燥的條件下進行安裝，同時也確保所使用工具的干燥。

4)組件主要被安裝在戶外，有被雷擊的危險，接地電纜應良好地連接到組件框架。

5)若支撐框架由金屬制作，支撐框架的表面應進行電鍍處理，使其具有良好的導電性能；接地電纜也應良好地連接到金屬材料的支撐框架上。

6)在組件框架的中部有兩個預先打好的孔，專門用于安裝接地電纜。

7)組件的接地電阻必須小于4 Ω。

8)光伏幕墻應滿足JGJ/T 139-2001《玻璃幕墻工程質量檢驗標準》的相關規(guī)定；安裝允許偏差應滿足GB/T 21086-2007《建筑幕墻》的相關規(guī)定[3]。

2 光電幕墻典型范例

保定電谷錦江酒店光電幕墻的總安裝面積為4490 m2，系統(tǒng)安裝容量300 kWp，年發(fā)電量2.4萬kWh。

光伏幕墻的發(fā)電原理是利用光伏組件將太陽能轉化為電能，但也有相當一部分轉變?yōu)闊崮?；若不能有效疏導產(chǎn)生的熱量，會使組件溫度增高，發(fā)電效率下降，同時增加夏季空調制冷的能耗。

為了提高能源的合理利用率，改善居住環(huán)境的舒適度，酒店5～24層南立面光伏玻璃幕墻采用了雙層幕墻的構造形式，即內層為隱框玻璃幕墻窗，外層為隱框光伏玻璃幕墻。外層非開啟部位采用光伏夾層玻璃，而內層幕墻采用了透明中空防火玻璃。內外層之間設置380 mm的熱通道，幕墻中間層寬度方向可按土建柱距設置豎向隔斷，形成豎井形通道，相對于整體式循環(huán)系統(tǒng)而言，可減小火災發(fā)生時蔓延的區(qū)域；相對于箱體式、廊道式循環(huán)系統(tǒng)而言，此方式可形成較大熱動力，利于通道內熱空氣盡快排出。在幕墻底部設置進氣口，在頂部設置出氣口，利用煙囪效應，形成熱通道。熱壓驅動自然通風，即室外較冷的空氣從幕墻底部進來，從頂部排出，帶走雙層幕墻中間通道內的熱空氣，以降低組件溫度升高的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 光電玻璃幕墻封頂位置縱向節(jié)點圖

圖4 光電玻璃幕墻開啟扇位置縱向節(jié)點圖

熱壓驅動自然通風，是由熱壓差驅動力產(chǎn)生的空氣流動現(xiàn)象。而要產(chǎn)生熱壓差必須有熱源起作用，熱壓自然通風一般產(chǎn)生于熱通道內部，熱源加熱通道內部的空氣進而產(chǎn)生熱壓。為了進行定性研究建立了簡化模型，在Gambit軟件中進行前處理網(wǎng)格劃分，然后導入到Fluent 6.3 軟件中設置邊界條件進行模擬計算。計算結果表明：夏季在熱壓作用下，通道內空氣上升，入口風速為0.6 m/s，出口速度約達1.1 m/s，能有效帶走熱量(出口熱流量為219 W/m2)，通道內的溫度及內層玻璃表面溫度相比通道空氣不流動的情況有明顯降幅(可達6～8 ℃)，具有通風散熱效果，對光伏組件的工作溫度有較好調節(jié)作用。

雙層幕墻對于建筑節(jié)能也起到較好的調節(jié)作用。光伏組件夏季工作時，打開底部及頂部的通風百葉，溫度升高的外層玻璃對建筑內表面與外層幕墻形成的通道(類似于雙層幕墻通道)進行加熱，內通道空氣由于熱壓效應而上升，進而在通道內形成空氣流動帶走熱量，減少進入室內的熱量，起到節(jié)能的效果，此種通風方式屬于自然通風范疇，為熱壓驅動自然通風。相反，冬季工作時，通過關閉底部的通風百葉，形成封閉空腔，太陽輻射及外層玻璃加熱封閉空腔，進而對建筑起保暖作用。

3 結論與討論

在建筑上安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，設計及安裝過程中要特別注重結構安全、施工安全；并通過專門設計，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結合，分布式光伏發(fā)電大多就地消納，通過優(yōu)化分布式光伏電源布局，合理設計系統(tǒng)容量，可減少配電網(wǎng)的功率輸送。設計過程中要充分考慮組件背板溫度升高將減少發(fā)電量，當光伏組件吸收光照轉化為電能時，電池板自身溫度急劇升高，如果不考慮良好的通風散熱，不但會直接影響電池板的轉化率，而且電池板背面的高溫也會直接影響建筑物室內的環(huán)境溫度。

[1] 發(fā)展改革委. 國家發(fā)改委關于印發(fā)《分布式發(fā)電管理暫行辦法》的通知[EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201308/t20130813_553449.html, 2013.

[2] 郭家寶, 汪毅, 光伏發(fā)電站設計關鍵技術[M] .北京: 中國電力出版社, 2014.

[3] DGJ 32/J87-2009, 太陽能光伏與建筑一體化應用技術規(guī)程[S].