摘 要：文章針對(duì)綠色建筑內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，歸納了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，總結(jié)了光伏組件、逆變器、匯流箱的選型和安裝要求，闡述了獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)方案在設(shè)計(jì)階段的區(qū)別，提出了有效的系統(tǒng)運(yùn)行方案。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度計(jì)算了光伏系統(tǒng)運(yùn)行過程中的收益。通過實(shí)際應(yīng)用的案例，介紹設(shè)計(jì)方案、設(shè)備選型和系統(tǒng)接線，量化分析收益和設(shè)計(jì)成果。

關(guān)鍵詞：建筑光伏發(fā)電；并網(wǎng)發(fā)電；經(jīng)濟(jì)效益估算；綠色建筑；分布式能源

引言

隨著國家大力推進(jìn)節(jié)能減排戰(zhàn)略，綠色建筑的概念日益被人們接受。我國到2020年，綠色建筑占新建建筑比重將超過30%。在綠色建筑評(píng)價(jià)體系中，對(duì)太陽能的利用是重要的一部分。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)目前較為成熟，市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)運(yùn)營模式健全，經(jīng)濟(jì)效益可觀，而且國家大力扶持，有一系列補(bǔ)貼政策。所以太陽能是目前利用最廣泛的可再生能源，我國太陽能資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?。建筑光伏發(fā)電較集中式光伏電站，對(duì)土地資源的要求更低，且電能可以就地消納，無需長(zhǎng)距離傳送，避免了電能的損耗，同時(shí)對(duì)公共電網(wǎng)的沖擊也較小。建筑屋頂可利用面積大，增長(zhǎng)潛力巨大，是可再生能源發(fā)展利用的重要方向。

綠色建筑的光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要考慮其他方面的要求，如對(duì)建筑結(jié)構(gòu)承載能力的考量，對(duì)建筑功能和外觀的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)變得更為復(fù)雜，根據(jù)所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)，建筑的周邊環(huán)境，陰影遮擋，選擇相應(yīng)的光伏組件，安裝位置和方式，兼顧建筑的外觀，同時(shí)考慮發(fā)熱對(duì)建筑的影響。設(shè)計(jì)流程為：光伏電量需求分析，確定光伏系統(tǒng)的形式，收集當(dāng)?shù)厝照?、氣象、地理等條件，確定建筑可利用光伏發(fā)電的區(qū)域；光伏組件的選型與布置、確定發(fā)電容量，控制器、逆變器的型號(hào)容量選擇，組件的支架與安裝方式設(shè)計(jì)，交流側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)防雷、接地與保護(hù)的設(shè)計(jì)與配置，監(jiān)控和測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 光伏發(fā)電主要設(shè)備選型

1.1 光伏組件的選型及安裝

1.1.1 光伏電池類型及特點(diǎn)分析

光伏組件需滿足下列要求：（1）有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受諸如冰雹等極端天氣的影響；（2）有良好的密封性，可以防風(fēng)、防水、減少外界對(duì)太陽能電池的腐蝕；（3）抗紫外線輻射；（4）絕緣良好；（5）電池單元間的連接可靠且能耗??；（6）有足夠的工作壽命，一般工程上要求有20年以上的使用壽命；（7）組件之間的特性偏差不大，有相同的輸出特性。主流的太陽能組件尺寸規(guī)格大約有兩種，1000mm×1600m和1000mm×1900mm，分別由60個(gè)和72個(gè)電池片組成。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇同一型號(hào)的光伏組件，避免出現(xiàn)各支路電流不平衡，各時(shí)段效率不同等情況。

1.1.2 光伏設(shè)備的組裝要求

光伏電池方陣應(yīng)選擇朝南安裝，如果有特殊原因限制，方陣面向東或西偏轉(zhuǎn)的角度不應(yīng)大于當(dāng)?shù)氐乩砭暥鹊慕嵌萚1]。在屋頂安裝光伏系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)置避雷裝置及欄桿扶手等保護(hù)設(shè)施。光伏陣列一般為固定式安裝，安裝傾角可參考文獻(xiàn)[1]附錄B的值，不同于集中式電站，建筑光伏與屋頂面積、周邊環(huán)境、屋頂承載力等相關(guān)，宜根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。光伏設(shè)備支架的承載和防風(fēng)及屋頂?shù)某兄貞?yīng)經(jīng)過嚴(yán)格力學(xué)計(jì)算的驗(yàn)證。光伏組件間距的設(shè)計(jì)原則是在冬至當(dāng)天9：00～15：00光伏方陣不被阻擋。

光伏陣列的布置需要綜合考慮屋頂面積的利用率和早晚陣列前后遮擋所造成的熱斑效應(yīng)來選擇橫排或豎排方式。根據(jù)理論計(jì)算，橫向排布可比縱向排布多5%左右的發(fā)電量，增加20%的占地面積，但安裝的工程量和難度會(huì)稍大。

1.2 光伏逆變器的選型

光伏逆變器將光伏發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為民用電壓的交流電或并網(wǎng)點(diǎn)電壓的交流電，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。光伏逆變器的選型原則如下：（1）由于光伏逆變器容量越大，單位功率制造成本越低，效率越高，對(duì)于綠色建筑，可考慮選用一臺(tái)容量可覆蓋發(fā)電功率的逆變器；（2）由于一天中光伏發(fā)電量變化較大，需要選擇直流輸入電壓范圍寬的逆變器，從而可以最大限度地利用太陽能，增加光伏系統(tǒng)發(fā)電時(shí)間；（3）需要有抗干擾能力和過載能力；（4）當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障后，逆變器應(yīng)能將光伏系統(tǒng)從主網(wǎng)中解列，當(dāng)故障排除后應(yīng)能重新并網(wǎng)；（5）光伏逆變器必須裝有防止孤島運(yùn)行的保護(hù)措施[2]。

MPPT（Maximum Power Point Tracking最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器可以對(duì)光伏陣列直流輸出的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，光伏電池的輸出特性隨環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度的變化會(huì)呈現(xiàn)不同的功率輸出特性，MPPT控制器及其算法可以通過改變負(fù)載特性提高光伏組件的發(fā)電效率。典型的MPPT算法有：擾動(dòng)觀察法、定壓跟蹤法、模糊控制法、導(dǎo)納增量法[3]。這些控制算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用于建筑光伏系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況及項(xiàng)目需求選擇合適的算法。

根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，光伏組件的串聯(lián)數(shù)目一般為18個(gè)、20個(gè)或22個(gè)，依據(jù)光伏組件的選型計(jì)算出逆變器MPPT電壓最大值和最小值以及最大直流輸入電壓，選擇符合要求的MPPT電壓范圍，并估算整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電功率和直流側(cè)總電流，最后決定逆變器型號(hào)和個(gè)數(shù)。

1.3 匯流箱的選型及安裝

匯流箱的作用是將光伏方陣的多路直流輸出電纜分組并匯集，使得接線有序便于維護(hù)，在發(fā)生局部故障時(shí)，可以局部檢修，不影響整體工作，匯流箱的下一級(jí)接入逆變器，建筑光伏系統(tǒng)中常用12串或16串輸入的匯流箱，匯流箱中應(yīng)由直流故障保護(hù)單元、斷路器、熔斷器、防雷、浪涌保護(hù)器等元件構(gòu)成，并配有電量檢測(cè)系統(tǒng)和通信單元，可以實(shí)時(shí)將匯流箱內(nèi)部的分支電流、電壓和功率等參數(shù)上傳到控制中心并可以遠(yuǎn)程操作開關(guān)。匯流箱的安裝位置應(yīng)就近安裝在組件串的附近，從而減少電纜鋪設(shè)長(zhǎng)度和線損。箱體的安裝高度滿足各限制的要求，箱體底部留有足夠空間用來安裝、維修，箱體的防護(hù)等級(jí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定。

2 光伏系統(tǒng)運(yùn)行方案

2.1 獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)即離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)所發(fā)出的電能提供本建筑物內(nèi)電器使用，與公共電網(wǎng)隔離。負(fù)荷類型可以是直流負(fù)荷，交流負(fù)荷或者交直流混合的負(fù)荷。系統(tǒng)可分為有蓄電池和無蓄電池系統(tǒng)。在有蓄電池系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電功率大于本地負(fù)荷，可以將電能存儲(chǔ)于蓄電池中，在發(fā)電低谷時(shí)使用。當(dāng)發(fā)電功率低于負(fù)荷，并且蓄電池提供的電量仍不滿足要求時(shí)，可以使用公共電網(wǎng)提供負(fù)荷。系統(tǒng)中需要安裝光伏控制器，在蓄電池充滿電時(shí)，光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，防止蓄電池過充，當(dāng)蓄電池低電量時(shí)，停止蓄電池放電，有效保護(hù)蓄電池。

2.2 并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

并網(wǎng)運(yùn)行是通過并網(wǎng)逆變器將所發(fā)的電能直接并入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以看做是一個(gè)分布式的電源，在建筑的公共電網(wǎng)接入點(diǎn)，電能可以是由電網(wǎng)流入建筑，也可以由建筑流向電網(wǎng)。相比獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，并網(wǎng)運(yùn)行可以不采用蓄電池和光伏控制器，但需要并網(wǎng)逆變器和防孤島運(yùn)行系統(tǒng)。并網(wǎng)運(yùn)行可以充分利用光伏電能，不會(huì)造成能量浪費(fèi)，系統(tǒng)的固定成本比獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)小，使用壽命一般按25年設(shè)計(jì)，而獨(dú)立系統(tǒng)受制于蓄電池的使用壽命一般為10年左右，并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本也相對(duì)較低，目前并網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，建筑周邊的電網(wǎng)接入點(diǎn)較多，因此，在設(shè)計(jì)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，一般重點(diǎn)考慮并網(wǎng)運(yùn)行方案。并網(wǎng)逆變器配置以太網(wǎng)通訊和RS-485接口，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上觀察、操作，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示：光伏陣列直流側(cè)的電壓和電流、交流側(cè)電壓和電流、當(dāng)日發(fā)電量、實(shí)時(shí)發(fā)電功率、總發(fā)電量、太陽輻射量、環(huán)境溫度等系統(tǒng)參數(shù)、光伏組件溫度，減少的二氧化碳排放量和故障狀態(tài)等信息。

2.3 系統(tǒng)接線的設(shè)計(jì)方法

以并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)為例，并網(wǎng)接入電網(wǎng)的方式有：專線接入和支線接入方式。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)前應(yīng)先統(tǒng)計(jì)光伏組件的總數(shù)，選擇串聯(lián)個(gè)數(shù)和總串?dāng)?shù)，根據(jù)串?dāng)?shù)選擇合適的光伏匯流箱型號(hào)和個(gè)數(shù)，組成光伏系統(tǒng)直流側(cè)的接線。為保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，每一串組件個(gè)數(shù)必須相同，而每個(gè)匯流箱接入的串?dāng)?shù)可以不同，要以節(jié)省匯流箱個(gè)數(shù)為原則進(jìn)行分配。統(tǒng)一連接到室內(nèi)直流配電柜，直流電壓接入光伏逆變器逆變后連接到公共電網(wǎng)中。并網(wǎng)型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)是典型的分布式電源，為保證并網(wǎng)后對(duì)公共電網(wǎng)的沖擊影響不超過限值，要求分布式電源的裝機(jī)容量不超過上一級(jí)變壓器容量的20%。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

在設(shè)計(jì)建筑光伏系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益是衡量項(xiàng)目是否可行的一個(gè)重要指標(biāo)，需提供經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估表，確定投資回收周期和收益。建筑光伏系統(tǒng)輸出功率相對(duì)較小，一般而言，一個(gè)建筑光伏系統(tǒng)項(xiàng)目的容量在數(shù)千千瓦以內(nèi)，相比集中式電站，免去了土地價(jià)格，降低了安裝費(fèi)用和輸配電費(fèi)用。建筑光伏系統(tǒng)項(xiàng)目在發(fā)電過程中，沒有噪聲，也不會(huì)對(duì)空氣和水產(chǎn)生污染，環(huán)保效益突出，因此，發(fā)電系統(tǒng)的外部效益同樣不可忽視。

光伏系統(tǒng)的實(shí)際收益為：壽命期內(nèi)發(fā)電量上網(wǎng)的總收入加上政府補(bǔ)貼收入，扣除設(shè)備采購安裝費(fèi)用和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。每塊太陽能光伏組件年發(fā)電量W1為：

W1=■×？濁1×S×103 （1）

式中：E-安裝地點(diǎn)的年太陽輻射量，MJ/m2，根據(jù)氣象資料取值；η1-光伏組件能量轉(zhuǎn)換效率，%，根據(jù)樣本資料取值；S-光伏組件面積，m2。光伏系統(tǒng)年發(fā)電量W2為：

W2=W1×N×？濁2×？濁3 （2）

式中：N為系統(tǒng)中光伏組件的總數(shù)；η2為逆變器效率，%；η3為計(jì)入其他傳輸損耗加上光伏設(shè)備維修保養(yǎng)停運(yùn)損耗的系統(tǒng)效率，%；《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》國家光伏上網(wǎng)補(bǔ)貼價(jià)為0.42元/kWh，期限為20年，各地還有不同的地方性補(bǔ)貼政策和電價(jià)，設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的總收益為：

式中：Pgt：光伏發(fā)電上網(wǎng)功率，kWh；Pct：光伏發(fā)電自發(fā)自用功率，kWh；Pg：國家補(bǔ)貼，元/kWh；Pl：地方性補(bǔ)貼，元/kWh；Pk：工商業(yè)或民用電價(jià)，元/kWh；Pc：脫硫燃煤電價(jià)，元/kWh；t1：國家補(bǔ)貼期內(nèi)總時(shí)數(shù)，h；t2：地方性補(bǔ)貼期內(nèi)總時(shí)數(shù)，h；t3：設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)總時(shí)數(shù)，h；R1：設(shè)備的平均損耗率，%；R2：平均供電可靠率，%；Ig：光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資，元；Mei：光伏系統(tǒng)第i年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元。隨著中國光伏產(chǎn)業(yè)鏈的完善和普及，光伏組件和光伏逆變器的價(jià)格不斷下降，安裝成本也逐步降低，電能不需要遠(yuǎn)距離輸送，降低了網(wǎng)損，因此建筑光伏系統(tǒng)的投資回報(bào)率不斷提高，成為綠色建筑的一個(gè)重要應(yīng)用技術(shù)。

4 案例

以上海地區(qū)一個(gè)綠色建筑示范工業(yè)園屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，選擇并網(wǎng)運(yùn)行模式，可利用的屋頂面積約為5000m2，采用1496塊1.6m*1m的光伏組件，最大輸出功率為250W，裝機(jī)容量374kWp。22塊組件為一串，共68串，每12串接入同一個(gè)匯流箱，不同建筑之間不宜共用匯流箱，所以項(xiàng)目總計(jì)使用7個(gè)匯流箱。所有直流線路接入園區(qū)的配電間的直流配電柜內(nèi)，采用一個(gè)550kVA的三相逆變器，滿載MPPT電壓范圍為450-850V，最大輸入電流為1200A。

光伏組件分別安裝在2個(gè)車間、1個(gè)辦公樓的屋頂以及停車場(chǎng)頂棚上，組件的安裝傾斜角度為25°。上海地區(qū)的年太陽輻射量約在4700MJ/m2[4]，則每塊太陽能光伏組件年發(fā)電量為421.2kWh，1496塊光伏組件的年發(fā)電量為630115kWh。逆變器平均效率為96%，其他傳輸損耗加上光伏設(shè)備維修保養(yǎng)停運(yùn)的損耗，系統(tǒng)的效率按80%計(jì)算，光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量可以達(dá)到500000kWh以上。根據(jù)《上海市可再生能源和新能源發(fā)展專項(xiàng)資金扶持辦法》，分布式光伏的“度電補(bǔ)貼”金額為工、商業(yè)用戶0.25元/kWh，補(bǔ)貼時(shí)間為5年，上海市的脫硫燃煤電價(jià)為0.4593元/kWh?！蛾P(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》國家補(bǔ)貼為0.42元/kWh，期限為20年。本項(xiàng)目光伏組件設(shè)計(jì)使用壽命為25年，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限為25年。預(yù)計(jì)7～8年可收回投資，其余工作年份收入即為收益。

5 結(jié)束語

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要遵循可靠性、合理性、經(jīng)濟(jì)性的原則，既保證可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，滿足預(yù)計(jì)的發(fā)電量需求，又以經(jīng)濟(jì)合理的方式配置整個(gè)系統(tǒng)，以最小的投資達(dá)成設(shè)計(jì)的目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)階段，第一階段選型和布置光伏組件，確定直流側(cè)電能的參數(shù)。第二階段完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中用到的電力電子設(shè)備選型，匹配第一階段設(shè)計(jì)的參數(shù)。

（2）總結(jié)了對(duì)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要設(shè)備的選型，在建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可按照預(yù)算投資和發(fā)電量需求選擇采用單晶硅或多晶硅光伏材料，計(jì)算出最優(yōu)光伏組件串并聯(lián)組合。逆變器的選型需要根據(jù)光伏陣列的串并聯(lián)數(shù)，選擇最大電壓，最大電流和容量，而直流電壓輸入范圍需與MPPT控制器結(jié)合，范圍盡量寬。保護(hù)系統(tǒng)至少監(jiān)測(cè)到每一串光伏組件的工作狀況，配置過流、過壓、雷電、浪涌等保護(hù)單元，并網(wǎng)運(yùn)行需安裝防孤島運(yùn)行保護(hù)。光伏組件的安裝和布置原則是盡量多地收集太陽能，同時(shí)考慮到電壓恒定和遮擋的問題。

（3）采用離網(wǎng)型式的光伏系統(tǒng)時(shí)，需要配置蓄電池和光伏控制器，能量利用率較低。而并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)條件要求較高，需配置相關(guān)繼電保護(hù)系統(tǒng)，雙向電能表和足夠容量的并網(wǎng)接入點(diǎn)。目前，并網(wǎng)設(shè)備已較為成熟，城市電網(wǎng)容量和規(guī)模越來越大，為追求更高的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)先考慮采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

（4）目前光伏發(fā)電可以享受上網(wǎng)電價(jià)和政府補(bǔ)貼，一般7～10年可收回投資，其余十多年壽命期內(nèi)的收入都是利潤，隨著光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，市場(chǎng)擴(kuò)大，設(shè)備的成本已大幅降低，即使補(bǔ)貼政策今后退出，光伏系統(tǒng)仍然可以盈利。合理地設(shè)計(jì)建筑光伏系統(tǒng)可以提高發(fā)電效率，減少能量損耗，提供更穩(wěn)定可靠的電能，減少污染排放。

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