黃超強

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000）

建筑綠色化和低碳化是今后一段時期內(nèi)建筑發(fā)展的主旋律，也是破解全球能源危機和實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展的必由之路。中國是全球能源消耗大國，單位GDP對應(yīng)的能耗指標(biāo)始終居高不下，國內(nèi)能源供需矛盾時有顯現(xiàn)，能源可持續(xù)和安全問題逐漸凸顯[1]?；诖耍瑑?yōu)化調(diào)整中國的能源結(jié)構(gòu)和組成，大力推廣新能源對于中國今后一段時期的發(fā)展具有深遠意義；而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電能，同時不產(chǎn)生任何溫室氣體，是不折不扣的綠色能源生產(chǎn)方式，真正實現(xiàn)了能源生產(chǎn)過程中的零排放、零污染。目前，太陽能已成為中國大力推廣使用的新能源之一，在未來必將擁有更加廣闊的前景[2]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

光伏發(fā)電是太陽能利用的一種重要形式，在光照充足、日照時間長的地區(qū)得到了廣泛推廣，光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是太陽能光伏板，配套設(shè)施包括逆變器、配電端、儲能設(shè)施等，光伏發(fā)電系統(tǒng)能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并存儲后供用電端使用。經(jīng)過較長時間的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已成為中國諸多新能源生產(chǎn)形式的重要組成部分之一[3]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)要求

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計過程中，為了保證系統(tǒng)的正常、高效運行，設(shè)計應(yīng)充分考慮閉網(wǎng)控制、運行安全、系統(tǒng)保護、輸出功率監(jiān)測等參數(shù)，現(xiàn)進行簡要闡述。

做好系統(tǒng)電壓、相位、頻率等參數(shù)的實時采集，做好與并網(wǎng)參數(shù)的對比，確保逆變器輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)一致；合理布置逆變器，并做好參數(shù)調(diào)試，以最大程度提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；光伏系統(tǒng)應(yīng)具備自動停啟功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)輸出異常，應(yīng)能夠自動切斷交流輸出，系統(tǒng)進入自我保護狀態(tài)；當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)達到延遲時間后，自動恢復(fù)運行；為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在極端條件下的安全性，系統(tǒng)應(yīng)具備過載保護、失壓預(yù)警、頻率監(jiān)控、防雷保護、短路保護等功能；光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)設(shè)計電壓值必須大于光伏組件在極端氣溫條件下的開路電壓最大值，光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的各種元器件的最大容許電壓值不能低于設(shè)計電壓[4]。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要點

3.1 光伏發(fā)電的設(shè)計原則

公共建筑光伏系統(tǒng)在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)建筑類型、結(jié)構(gòu)特性等合理設(shè)計，確保系統(tǒng)不會對建筑結(jié)構(gòu)安全、功能等造成不良影響。

3.1.1 建筑設(shè)計

首先，應(yīng)考慮建筑所在地的氣候環(huán)境特點，重點分析該地區(qū)太陽能資源情況；其次，應(yīng)考慮建筑自身接受太陽輻射的條件，比如該建筑周圍是否存在其他建筑遮擋、建筑接受光照時長等；再者，需要與建筑外立面相協(xié)調(diào)，根據(jù)建筑外立面裝飾面層風(fēng)格，進行合理的布局設(shè)計，確保與建筑外立面相協(xié)調(diào)，與周圍整體建筑環(huán)境相協(xié)調(diào)，以達到整體統(tǒng)一的效果；對于外立面的透光部位，應(yīng)合理代替采光頂施工，以避免影響室內(nèi)采光效果，實現(xiàn)自然采光與光能收集的有機結(jié)合[5]。

3.1.2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

與地面光伏系統(tǒng)設(shè)計不同，公共建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏方陣設(shè)計受到面積限制，且需要考慮到建筑自身采光需求，因此需要根據(jù)光伏方陣布設(shè)面積等因素，合理確定發(fā)電功率配套系統(tǒng)，而地面系統(tǒng)則是根據(jù)功率要求，設(shè)計光伏方陣和配套等。

3.1.3 光伏方陣設(shè)計

由于建筑外觀構(gòu)造、外觀裝飾需要，光伏方陣設(shè)計時，需要根據(jù)建筑外形、外飾等合理設(shè)計，方陣形狀、板塊大小、顏色、朝向、傾角需要與建筑外立面設(shè)計相協(xié)調(diào)，這就需要光伏供應(yīng)商與建筑師協(xié)調(diào)；此外，還需要明確光伏發(fā)電系統(tǒng)類型，比如獨立系統(tǒng)或者并網(wǎng)系統(tǒng)等，依據(jù)光伏系統(tǒng)選型、光伏輸出功率大小等，合理配置控制器、逆變器等選型。

3.1.4 結(jié)構(gòu)安全性與結(jié)構(gòu)設(shè)計

光伏組件設(shè)計安裝，不僅要考慮到組件、系統(tǒng)安裝對建筑結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮到系統(tǒng)組件自身穩(wěn)固性，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全、連接牢靠，因此，需要進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算，并在設(shè)計階段就對預(yù)期可能發(fā)生的風(fēng)險進行預(yù)估。

3.2 合理選擇并網(wǎng)形式

一般情況下，根據(jù)光伏系統(tǒng)投產(chǎn)后向負載供電方式不同，可將太陽能光伏系統(tǒng)分為3種類型，分別是獨立光伏系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、混合光伏系統(tǒng)。

獨立光伏系統(tǒng)中，供應(yīng)負載的電力全部來源于光伏系統(tǒng)，是結(jié)構(gòu)最為簡單的一種光伏系統(tǒng)。有一些直接供給直流負載的系統(tǒng)，甚至不需要逆變環(huán)節(jié)。此類系統(tǒng)目前多應(yīng)用于一些電網(wǎng)系統(tǒng)難以覆蓋的偏遠山區(qū)等地，或者是用于驅(qū)動一些中小型電器。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，多用于一些分布式光伏發(fā)電建設(shè)項目中，其主要功能是將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過逆變處理，轉(zhuǎn)變成為交流電，并入電網(wǎng)；該型光伏系統(tǒng)可直接將電網(wǎng)作為儲能裝置，無需配置蓄電池，具有成本低、占地少的優(yōu)勢，且在陰雨天等不利條件下，可直接切斷光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)系，保證電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。

混合光伏系統(tǒng)是一種相對穩(wěn)定、可靠的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將若干種發(fā)電方式引入到光伏系統(tǒng)，保證系統(tǒng)向負載供電的穩(wěn)定性；在不利天氣條件下或者晚上時，光伏系統(tǒng)輸出功率不足，此時其他形式可保證負載供電穩(wěn)定，有效克服了單一光伏系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的不足。

3.3 光伏發(fā)電與建筑安裝的幾種實施形式

3.3.1 平屋面

光伏采光頂是平屋面常用的光伏發(fā)電實施形式。在實際安裝時，除了光伏組件安裝要滿足安全性、防水性等要求外，還需要考慮屋面采光要求，因此，光伏元件應(yīng)具有一定的透光性，一般要求透光率在10%～15%?，F(xiàn)階段，在平屋面光伏系統(tǒng)設(shè)計安裝時，通常將光伏組件與屋面結(jié)合，布局形式多為蜂窩鋁板屋面、光伏屋面、玻璃采光頂?shù)?。將光伏屋面更多地運用于光伏建筑，不僅能夠有效利用屋頂空間，還能夠改善和增加屋面透光率，達到雙重節(jié)能降耗的效果。光伏采光頂?shù)膬?yōu)勢為能與建筑物完美結(jié)合、能充分利用屋頂空間且不會對建筑外立面設(shè)計藝術(shù)性造成影響。

3.3.2 斜屋面

斜屋頂在安裝方式、安裝要求等方面與平屋頂基本相同，但南向斜屋頂光伏建筑經(jīng)濟性更加優(yōu)異，南向相對其他朝向或平屋頂，本身采光更好；可以通過調(diào)節(jié)組件角度，使系統(tǒng)獲得更大發(fā)電量；此外，斜屋面光伏發(fā)電一體化，成本也相對其他方案更低。

3.3.3 遮陽板

對一些光照較為強烈的地區(qū)，可將光電板作為遮陽構(gòu)件，不僅可以起到良好的遮陽效果，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)能耗，還能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，進一步降低夏季電網(wǎng)供電壓力；此外，由于光電板角度與太陽角度垂直，更有利于光電板光電轉(zhuǎn)化，該方案也是未來最具應(yīng)用潛力的光伏發(fā)展方向之一。

3.3.4 光伏幕墻

光伏幕墻是一種使用光電板取代傳統(tǒng)玻璃幕墻的玻璃構(gòu)件的光伏發(fā)電系統(tǒng)形式，其構(gòu)造方式與傳統(tǒng)玻璃幕墻基本相同，通過高性能光電板組件，使光伏幕墻具備良好采光、遮陽、保溫等性能，在功能上完美取代傳統(tǒng)玻璃幕墻，同時又能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益顯著。當(dāng)前，光伏幕墻主要分為2類：①不透明幕墻，光電板多為單晶硅和多晶硅組件，具有光電轉(zhuǎn)化效率高、遮陽性好等優(yōu)勢；②半透明幕墻，目前多采用非晶硅薄膜電池，其優(yōu)勢是對襯底材料基本無要求，可在較低溫度下沉積于玻璃等襯底，不過其缺點也相對明顯，就是光能利用率相對較低。由于光伏幕墻除了要滿足發(fā)電功能，還需要滿足建筑外立面造型、采光、美學(xué)等需求，導(dǎo)致光伏陣列往往難以達到最佳安裝角度，對光伏系統(tǒng)效率造成影響，且相對于傳統(tǒng)玻璃幕墻，造價成本偏高。因此，必須從設(shè)計階段做好統(tǒng)籌規(guī)劃，在保證建筑美觀性、安全性、維護性等幕墻要求的基礎(chǔ)上，通過光伏系統(tǒng)，為建筑“增綠降耗”，提高建筑全生命周期的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

3.4 光伏組件設(shè)計

光伏發(fā)電板的材質(zhì)和有效觸光面積決定了系統(tǒng)的發(fā)電功率，為了最大程度提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，光伏板布設(shè)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐墓庹諚l件、建筑物朝向等因素，光伏板面積設(shè)計應(yīng)以建筑結(jié)構(gòu)屋面、幕墻面積及光伏板布置形式確定。此外，還應(yīng)做好光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計，在滿足功能性的前提下，還應(yīng)注重設(shè)計的美觀性和協(xié)調(diào)性。

除了完成組件布置和初步設(shè)計外，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，還應(yīng)做好組件的細部詳細設(shè)計，設(shè)計原則強調(diào)裝卸便捷、功能完備。考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)布置于室外，對光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的耐久性和可靠性，除了做好基礎(chǔ)設(shè)計外，應(yīng)重點加強結(jié)構(gòu)支撐系、加固檁條、面板組件的設(shè)計優(yōu)化，其中支撐系及檁條設(shè)計如圖1、2所示。此外，還應(yīng)做好光伏發(fā)電系統(tǒng)各組件的安裝設(shè)計，設(shè)計示意如圖3所示。

圖1 支承構(gòu)件設(shè)計（單位：mm）

圖3 光伏組件的安裝設(shè)計（單位：mm）

3.5 光伏發(fā)電電路設(shè)計

電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，光伏發(fā)電系統(tǒng)由眾多不同功能的電子元器件和組件通過電路連接，以達到電能傳輸?shù)哪康?，屋面組件和幕墻組件的電路應(yīng)單獨設(shè)計，最后將獨立的光伏組件以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接。

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體輸出功率要求，擬以8個光伏單體串聯(lián)組成一套光伏組件，每套組件通過匯流組件再組成一個完整的光伏系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)電路串聯(lián)逆變器，最終接入配電端，電路中串聯(lián)電量表和控制器，以實現(xiàn)對電路的電量統(tǒng)計和監(jiān)控控制。光伏組件及電路連接設(shè)計圖4、圖5所示。

圖4 光伏組件結(jié)合設(shè)計

圖5 光伏發(fā)電電路設(shè)計

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能向電能的高效轉(zhuǎn)換，有力支撐了建筑綠色化、低碳化發(fā)展趨勢，具有經(jīng)濟高效、綠色低碳的突出優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受組件性能、布置形式、觸光面積等因素影響，發(fā)電子系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)參數(shù)

以A建筑為例，該建筑按照三級綠色標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計施工，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部按辦公寫字功能進行裝修，涉及到的建筑電氣類型包括照明、暖通空調(diào)、一般動力、會務(wù)等，其中空調(diào)系統(tǒng)能源由地源熱泵提供，故功率參數(shù)分析對象主要包括照明系統(tǒng)、一般動力系統(tǒng)、會務(wù)系統(tǒng)等，具體分析結(jié)果如表2所示。

表2 某項目A棟樓光伏發(fā)電系統(tǒng)總功率參數(shù)

為了降低建筑電氣能耗的水平，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)全部照明光源均使用了新型節(jié)能燈具，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)滿足了國家的相關(guān)規(guī)范要求，總功率指標(biāo)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的使用功能及照明光源布置形式確定，總功率參數(shù)設(shè)計應(yīng)考慮會務(wù)系統(tǒng)和一般動力系統(tǒng)的負載要求，考慮到電梯能耗指標(biāo)較高，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)的總負載不考慮電梯的負載。

A建筑電氣負載的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 某項目A棟樓電氣設(shè)計負荷參數(shù)

A建筑的光伏發(fā)電系統(tǒng)的總功率設(shè)計值為150 kW，主要滿足建筑內(nèi)照明系統(tǒng)、會務(wù)系統(tǒng)、一般動力系統(tǒng)的用電負載，3大系統(tǒng)的總負載為132 kW，故光伏發(fā)電系統(tǒng)總功率滿足負載要求；但考慮到光照條件、天氣情況等客觀因素，為了保證建筑內(nèi)各項系統(tǒng)的正常工作，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)與供電網(wǎng)并網(wǎng)使用，一方面發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保優(yōu)勢，同時體現(xiàn)供電網(wǎng)的“兜底”作用。

5 結(jié)論

為了緩解能源危機造成的現(xiàn)實威脅，優(yōu)化調(diào)整中國的能源供給結(jié)構(gòu)，同時促進建筑工業(yè)綠色化、低碳化發(fā)展水平，以太陽能光伏發(fā)電為代表的新能源技術(shù)迎來發(fā)展契機。本文以建筑結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和基本技術(shù)要求，重點對光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件和電路設(shè)計進行了研究，提出了具體的設(shè)計要點，最后，以A建筑為例，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)供電中的應(yīng)用。