郭琳琳 鞠振河 劉 婕

（沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

目前中國(guó)房屋總建筑面積約500 億m2，可利用面積約計(jì)50 億m2。如果利用20%的面積安裝太陽(yáng)光伏方陣就會(huì)有100GWp。通過(guò)國(guó)家倡導(dǎo)優(yōu)先支持的分布式光伏發(fā)電政策，利用建筑發(fā)展光伏，即發(fā)即用、余電上網(wǎng)等等措施，即節(jié)省了常規(guī)化石能源的消耗，極大緩解不斷增長(zhǎng)的電力負(fù)荷帶來(lái)的遠(yuǎn)距離輸電所造成的損失，同時(shí)減少了大量霧霾排放物。

我國(guó)建筑部門(mén)把光伏建筑分為安裝型（BAPV）和構(gòu)件型（BIPV）兩種，用等式來(lái)表示則為“BMPV=BIPV+BAPV”。BMPV 是目前世界光伏發(fā)電的重要應(yīng)用領(lǐng)域和主要市場(chǎng)。

太陽(yáng)能光伏建筑是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與現(xiàn)代建筑的完美結(jié)合，在建筑結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)光伏組件提供電力，將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與屋頂、天窗、幕墻等建筑融合為一體，建筑綠色環(huán)保住宅。將光伏技微電網(wǎng)術(shù)和建筑相結(jié)合則為分布式光伏發(fā)電技術(shù)提供了更加靈活更加方便的新型分布式光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)。

將太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用在平時(shí)的建筑中的技術(shù)，在電氣工程中已廣泛應(yīng)用，對(duì)于一棟房屋來(lái)說(shuō)，其坐落的朝向、高度、屋頂?shù)膬A向、屋檐的寬度等因素都對(duì)太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電量有重大的影響。圖1為建筑光伏優(yōu)化設(shè)計(jì)執(zhí)行的程序框圖。

由圖1建筑光伏優(yōu)化設(shè)計(jì)執(zhí)行的程序框圖表明，一旦建筑的基地選定后，設(shè)計(jì)進(jìn)程是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。當(dāng)決定了住宅在基地中的位置，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以獲得最好的太陽(yáng)能性能之后，要在建筑中選擇不同的太陽(yáng)能技術(shù)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)能源模擬，最終計(jì)算投資回報(bào)。每一個(gè)步驟之后結(jié)果可能要返回上一步驟做出某些調(diào)整。這種過(guò)程是反復(fù)的，要對(duì)每種可能性嘗試和探索。運(yùn)行這種方法將產(chǎn)生多種設(shè)計(jì)方案，可以結(jié)合外觀因素的考慮加以比較和討論。

圖1 建筑光伏優(yōu)化設(shè)計(jì)執(zhí)行的程序框圖

典型的住宅屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、并網(wǎng)逆變器和控制器等三大部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 典型住宅屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)示意圖

下面以沈陽(yáng)工程學(xué)院示范基地太陽(yáng)能房項(xiàng)目作為案例，對(duì)案例的光伏陣列進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑基地位于沈陽(yáng)工程學(xué)院圖書(shū)館西側(cè)，考慮到周邊建筑物以及樹(shù)木的遮擋，這些在陰影的概念里屬于靜態(tài)陰影，對(duì)于光伏組件的發(fā)電量有很大的影響，所以選址之前要測(cè)量整個(gè)基地的陰影遮擋率，將遮擋率相對(duì)最小的區(qū)域作為建筑的坐落位置。同時(shí)收集有關(guān)氣象學(xué)、太陽(yáng)輻射以及當(dāng)?shù)貧夂虻臄?shù)據(jù)資料。經(jīng)過(guò)大量選點(diǎn)的遮擋率的比較，選取以下12個(gè)點(diǎn)的圍繞區(qū)域作為建筑建設(shè)的位置，如圖3所示。

建筑各光伏安裝關(guān)鍵點(diǎn)的全年光照率見(jiàn)表1。

圖3 光照率選點(diǎn)

表1 各點(diǎn)全年光照率

以上光照率是使用太陽(yáng)眼（solar eye）儀器在距地面1.5m 高的水平位置測(cè)得，能避開(kāi)部分底矮灌木造成的陰影的影響，具有一定的說(shuō)服力，但光伏組件鋪設(shè)在距地面高至少4m 的屋頂上，因此該區(qū)域的遮擋率雖然能證明此區(qū)域是最好的光伏建筑選址，但并不代表光伏組件鋪設(shè)位置光照率（光伏組件鋪設(shè)位置的光照率需要在建筑建成后重新在距地面4m 的位置測(cè)量）。

2 光伏陣列設(shè)計(jì)

該光伏建筑電氣系統(tǒng)的直流部分的設(shè)計(jì)，分為組件選型、方陣設(shè)計(jì)、方陣排布及相應(yīng)的支架、基礎(chǔ)、連接線纜設(shè)計(jì)。

2.1 光伏組件選型

由于國(guó)產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)電池近年來(lái)發(fā)展迅速，國(guó)產(chǎn)高效多晶平板電池組件被各種電站選用，電池效率達(dá)到17～18%，通過(guò)ISO 9001 質(zhì)量體系認(rèn)證及UL、TUV、IEC 等一系列國(guó)際認(rèn)證，能保證光伏組件輸出功率達(dá)到25年以上，電池效率與穩(wěn)定性均處于世界先進(jìn)水平。

在建設(shè)光伏建筑一體化項(xiàng)目中，也常常選用多晶硅電池，這種組件的特點(diǎn)是：①優(yōu)質(zhì)牢固的鋁合金邊框可抗御強(qiáng)風(fēng)、冷凍，并且不易變形；②新穎特別的邊框設(shè)計(jì)能加強(qiáng)玻璃與邊框的密封；③鋁合金邊框的長(zhǎng)短邊備有安裝孔，滿足不同安裝方式的要求；④高透光率的低鐵超透光玻璃增強(qiáng)抗沖擊力；⑤優(yōu)質(zhì)的EVA 材料和背極材料。

考慮到屋頂面積有限這一因素，結(jié)合光伏組件規(guī)范，組件功率越大，其面積越大，對(duì)于屋頂施工越困難，越影響美觀。因此選用30W/17V 的光伏組件，組件規(guī)格如圖4所示。

圖4 30W/17V 光伏組件規(guī)格

該30W/17V 光伏組件的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 MT-30 光伏組件參數(shù)

2.2 光伏陣列的排布

每片太陽(yáng)電池只能產(chǎn)生大約0.5V 的直流電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際使用所需電壓。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，需要把太陽(yáng)電池串聯(lián)成組件。太陽(yáng)電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)電池，這些太陽(yáng)電池通過(guò)導(dǎo)線連接。該電氣系統(tǒng)安保所用光伏組件封裝36 片太陽(yáng)電池片，正常輸出電壓17V 左右。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件串、并聯(lián)組成太陽(yáng)電池方陣，以獲得所需的電壓和電流。太陽(yáng)電池組件串、并聯(lián)組成方陣是根據(jù)太陽(yáng)電池組件和逆變器的性能參數(shù)以級(jí)在 -20℃～70℃的驗(yàn)算溫度情況下來(lái)設(shè)計(jì)的。

對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的總原則是：在保證滿足負(fù)載供電的前提下，確定使用最小的電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。但是此光伏建筑系統(tǒng)屬于并網(wǎng)系統(tǒng)，雖然其中5000W 的微網(wǎng)系統(tǒng)有儲(chǔ)能裝置，但是此部分的蓄電池容量設(shè)計(jì)在能量控制下不需要根據(jù)負(fù)載來(lái)設(shè)計(jì)。其實(shí)對(duì)于一棟單層的房屋建筑來(lái)說(shuō)，其負(fù)載是普通照明、電腦、電視、空調(diào)等，負(fù)載功率非常小，如果要按照負(fù)載功率來(lái)算的話，極少的光伏組件就能滿足。大部分光伏組件產(chǎn)生的電量，主要并入電網(wǎng)使用。

該光伏建筑電氣系統(tǒng)有四個(gè)模塊構(gòu)成：屋頂微網(wǎng)部分（含儲(chǔ)能）、屋頂并網(wǎng)部分、南面光伏玻璃幕墻并網(wǎng)部分、科技樓并網(wǎng)部分。

1）屋頂微網(wǎng)部分

微網(wǎng)部分的蓄電池為48V 系統(tǒng)，假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)5000W 的光伏系統(tǒng)。則需要m塊光伏組件串聯(lián)，共n串。串聯(lián)數(shù)m由太陽(yáng)電池方陣的工作電壓決定，應(yīng)考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對(duì)電池組件的影響；按照太陽(yáng)能年總輻射量或年日照時(shí)間的10年平均值即能確定光伏組件的并聯(lián)數(shù)n。則：

系統(tǒng)工作電壓U=48V；

系統(tǒng)功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= (1 +η)U= (1 + 30%)× 48 = 62.4V；

光伏組件串聯(lián)數(shù)m=U0u= 62.4 17 = 3.67塊，取4 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 4 × 30 = 120W；

并聯(lián)數(shù)n≈P P0= 5000 120 = 41.67串，取42 串。

經(jīng)計(jì)算，屋頂微網(wǎng)部分30W/17V 光伏組價(jià)共168 塊（一串4 塊，總共42 串），總功率為5.04kW。

微網(wǎng)168 塊組件的排布形式如圖5所示。

圖5 屋頂南面微網(wǎng)部分光伏組件排布

2）屋頂并網(wǎng)部分

并網(wǎng)部分的系統(tǒng)電壓為220V，假設(shè)5000W 的光伏系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作電壓U=220V；

系統(tǒng)功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= 360V ；

光伏組件串聯(lián)數(shù)m=U0u= 360 17 = 21.1塊，取20 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 20 × 30 = 600W；

并聯(lián)數(shù)n≈P P0= 5000 600 = 8.33串，取9 串。

經(jīng)計(jì)算，屋頂并網(wǎng)部分30W/17V 光伏組價(jià)共180 塊（一串20 塊，總共9 串），總功率為5.4kW。

并網(wǎng)180 塊組件的排布形式如圖6所示。

圖6 屋頂并網(wǎng)部分光伏組件排布

2.3 匯流箱設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用戶可以將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)個(gè)光伏串列，再將若干個(gè)光伏串列并聯(lián)接入光伏匯流箱，在光伏匯流箱匯流后，通過(guò)直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用，從而構(gòu)成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與市電并網(wǎng)。這樣做的目的是為了減少太陽(yáng)能光伏電池陣列與逆變器之間的連線。

若干光伏陣列接入?yún)R流箱，通過(guò)光伏專用熔斷器保護(hù)后，接入光伏防反充二極管，防止太陽(yáng)能光伏陣列中串聯(lián)起來(lái)的光伏電池板有逆流現(xiàn)象的產(chǎn)生，再通過(guò)直流斷路器接入到逆變器中，有防雷功能的匯流箱要加入防雷器（浪涌保護(hù)器），當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，能將過(guò)大的電能泄掉，保證電能的正常輸出，從而避免對(duì)匯流箱的傷害。

屋頂微網(wǎng)部分：一個(gè)光伏串列電流為I1=1.76A，共 42 個(gè)光伏串列，接入 4 個(gè) 12 路匯流箱（HLX1201），其中前三個(gè)匯流箱12 路全部接入（36串），剩下6 串接入下一個(gè)匯流箱，這樣此匯流箱有6 路是多余的，其不影響系統(tǒng)的管理，不需要做任何處理。這樣42 組線進(jìn)4 個(gè)匯流箱，出來(lái)4 組線，大大減少了線纜的數(shù)量。最后再將這4 組線通過(guò)一個(gè)4 路匯流箱，輸出端就只有一組電纜了，即可通過(guò)直流斷路器直接接入逆變器的輸出端（如圖7所示）。

如圖7所示，一次匯流箱體內(nèi)均未接入斷路器和避雷器，這是因?yàn)橐淮螀R流箱輸出電流較二次匯流箱小，在二次匯流箱內(nèi)接入的防雷器和直流斷路器，同時(shí)能對(duì)一次匯流起到過(guò)流保護(hù)和防雷擊的作用。

屋頂并網(wǎng)部分：一共9 個(gè)光伏串列，并入一個(gè)12 路匯流箱即可。

圖7 屋頂微網(wǎng)部分匯流箱

綜上所述，本光伏建筑電氣系統(tǒng)中共需要6 個(gè)匯流箱，其中5 個(gè)12 路（HLX1201），1 個(gè)4 路（HLX0401）。匯流箱還必須滿足屋頂內(nèi)安裝的使用條件，絕緣防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP65，接入最大光伏串列的開(kāi)路電壓值可得DC900V，熔斷器的耐壓值不小于DC1000V，每路光伏組串具有二極管防反充保護(hù)功能，配有光伏專用避雷器。

3 建筑屋頂各個(gè)區(qū)域光伏發(fā)電結(jié)果估算

不同朝向安裝的光伏組件的發(fā)電量估算原則：

假定向南最佳傾角固定安裝的光伏組件發(fā)電量為100，對(duì)于其他朝向，全年發(fā)電量均有不同程度的減少（估算值，見(jiàn)圖8）。說(shuō)明：在不同地區(qū)及不同太陽(yáng)輻射條件下，減少的程度各不相同。

圖8 太陽(yáng)電池方陣不同朝向的相對(duì)發(fā)電量

1）南斜面發(fā)電量

南斜面屋頂，正南傾斜角30°，根據(jù)遼寧省地方規(guī)程《太陽(yáng)能光伏建筑一體化技術(shù)規(guī)程》P47 頁(yè)，查得沈陽(yáng)地區(qū)正南 30°傾角年平均日輻照量4.57kW·h/m2，即這個(gè)區(qū)域的峰值日照時(shí)間為4.57h/m2/day。該斜面發(fā)電包括微電網(wǎng)發(fā)電和部分并網(wǎng)發(fā)電。

南斜面光伏微電網(wǎng)發(fā)電量日發(fā)電量為

南斜面部分并網(wǎng)（20 塊/串、兩個(gè)串列）發(fā)電量日發(fā)電量為

2）東斜面發(fā)電量

東斜面的發(fā)電量是屋頂并網(wǎng)發(fā)電的一部分，20塊/串，共3 個(gè)串列，另外東南合并的1 個(gè)串列也算入東斜面發(fā)電量，其日發(fā)電量為

3）西斜面發(fā)電量

西斜面的發(fā)電量是屋頂并網(wǎng)發(fā)電的一部分，20塊/串，共3 個(gè)串列，其日發(fā)電量為

4）總光伏發(fā)電量與房子實(shí)測(cè)負(fù)載之間的能量平衡關(guān)系

綜上所述，太陽(yáng)能房室內(nèi)保持22℃～25℃之間的舒適溫度及新風(fēng)循環(huán)前提下，每天太陽(yáng)能總發(fā)電量為：23.03＋5.484＋8.226＋6.170=42.91kW·h。

由于太陽(yáng)能光照幅度有很多因素的影響，所以其發(fā)電量每天會(huì)有波動(dòng)。通過(guò)圖10 智能光伏微電網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以決定室內(nèi)的負(fù)載的使用情況。每天的負(fù)載使用情況不一樣，導(dǎo)致其用電量也不一樣。 以8月份前20 天為例，據(jù)圖9能量平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以詳細(xì)的分析該月份的發(fā)電量以及用電量。具體數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表3。

圖9 能量平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖10 智能光伏微電網(wǎng)操作系統(tǒng)

表3 8/1-8/20 的發(fā)電量和用電量的數(shù)據(jù)采集

經(jīng)計(jì)算，8月份前 20 天太陽(yáng)能總發(fā)電量為744.1kW·h；負(fù)載總用電量為316.1kW·h；剩余的電量，即并入電網(wǎng)的總電量為428kW·h。折算到日發(fā)電量為：太陽(yáng)能日發(fā)電量37.21kW·h，負(fù)載日用電量15.81kW·h，剩余電量21.4kW·h。

4 結(jié)論

本文論述了住宅中的光伏發(fā)電應(yīng)用，尤其對(duì)屋頂?shù)墓夥嚵械匿佋O(shè)、排布以及匯流箱的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說(shuō)明。光伏建筑在住宅中的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚處于發(fā)展期，還未廣泛應(yīng)用，事實(shí)上，國(guó)外的無(wú)數(shù)案例已經(jīng)證明，光伏發(fā)電應(yīng)用在住宅中，有很大的優(yōu)勢(shì)，比如：節(jié)約空間、自發(fā)自用、回收期短、可持續(xù)使用。因此，這種太陽(yáng)能發(fā)電的綠色建筑應(yīng)該得到關(guān)注，并且廣泛推廣起來(lái)。本案例從建筑的總體節(jié)能出發(fā)，采用微能耗太陽(yáng)能建筑技術(shù)，通過(guò)光伏建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建筑的能源完全可以來(lái)自太陽(yáng)能，即實(shí)現(xiàn)零排放。

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