劉仕科

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，以煤炭、石油等不可再生能源為主，上述傳統(tǒng)能源全球儲(chǔ)存量有限，為不可再生能源，不僅污染環(huán)境，當(dāng)面臨枯竭時(shí)，還會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)能源危機(jī)。在我國(guó)能源消耗結(jié)構(gòu)中，建筑行業(yè)、工業(yè)行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)的能源消耗是最大的，其中，在社會(huì)總能源消耗的占比中，建筑行業(yè)能源消耗約占30%[1]。隨著人民生活水平的提高和城市化的進(jìn)展，建筑業(yè)能源消耗占比也會(huì)持續(xù)增加。因此，提倡建筑業(yè)節(jié)能，推廣太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源不僅能緩解傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)不足而產(chǎn)生的能源危機(jī)問(wèn)題，還能降低環(huán)境污染。

政策上，我國(guó)相繼出臺(tái)了鼓勵(lì)發(fā)展光伏太陽(yáng)能發(fā)電的法規(guī)及條例。例如2022 年實(shí)施的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021）中第5.2.1規(guī)定[2]：新建建筑應(yīng)設(shè)置太陽(yáng)能系統(tǒng)。2013 年3 月1 日實(shí)施的《山東省民用建筑節(jié)能條例》中規(guī)定：12 層以上建筑中推廣和應(yīng)用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)。隨著政策的支持，太陽(yáng)能作為無(wú)污染、用之不竭、取之不盡的可再生能源，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中已得到越來(lái)越多的應(yīng)用，其發(fā)揮的作用也越來(lái)越大，本文著重探討光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用。

1 光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

1.1 光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)工作原理

P 型半導(dǎo)體與N 型號(hào)半導(dǎo)體互相接觸在一起后形成P-N 結(jié)，當(dāng)太陽(yáng)能輻射量足夠大時(shí)，太陽(yáng)光照射在上述半導(dǎo)體的P-N 結(jié)后，會(huì)發(fā)生光電反應(yīng)，在P-N 結(jié)接觸面處產(chǎn)生電壓，進(jìn)而形成電流，這就是光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理[3]。

電池板光伏組件、控制器、光伏逆變器、蓄電池組是組成光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備，在各個(gè)發(fā)電環(huán)節(jié)起著重要的作用。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生出來(lái)的發(fā)電量接入電網(wǎng)，此系統(tǒng)稱(chēng)作并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生出來(lái)的發(fā)電量不接入電網(wǎng)，此系統(tǒng)稱(chēng)作獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1.1 電池板光伏組件

電池板光伏組件是光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心，是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的核心元器件，每片電池片的電流、電壓都不高，所以為了獲得更高的電壓，就需要將電池片串聯(lián)起來(lái)，最后再并聯(lián)后才能獲得更高的電流。把光伏組件在給定的建筑面積上串聯(lián)、并聯(lián)后，就會(huì)形成電池板光伏組件方陣。

1.1.2 控制器

控制器一般在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用，是蓄電池充、放電的控制中心，是一種自動(dòng)控制設(shè)備，能起到防止蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電的作用，具備負(fù)載短路、負(fù)載過(guò)載、反向放電的保護(hù)功能。

1.1.3 光伏逆變器

光伏逆變器是一種將直流電逆變成交流電的設(shè)備，光伏系統(tǒng)發(fā)出來(lái)的直流電需經(jīng)逆變器逆變成交流電才能供給我們的交流用電設(shè)備，另外光伏逆變器還能起到平衡光伏系統(tǒng)的作用。

1.1.4 蓄電池組（并網(wǎng)系統(tǒng)不需要）

蓄電池組是儲(chǔ)存電能的設(shè)備，光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)輸出的發(fā)電量較充裕時(shí)，電量會(huì)先儲(chǔ)存在蓄電池組中，當(dāng)光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，再由蓄電池組儲(chǔ)存的電量供給用電負(fù)載。

1.2 光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)能得到世界各國(guó)的重視，跟其自身特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)密不可分。

（1）太陽(yáng)能隨處可見(jiàn)、不怕枯竭，是用不完的可再生能源。

（3）光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)靈活，不受偏僻地域影響，不受當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)的影響，因不需要長(zhǎng)距離輸送電能，避免了長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路上的損耗，從而節(jié)約能源、減少投資。

（4）在建設(shè)周期上，光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是比較短的，是獲取電能最快的途徑之一。

2 光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建筑節(jié)能，就是在滿(mǎn)足規(guī)范、生活舒適的前提下，盡量的減少能量損耗，減少使用傳統(tǒng)能源，盡可能的采用、發(fā)展光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，提高新能源的利用率[4]。

本文以廣東省廣州市某二星綠色建筑地鐵項(xiàng)目為例，對(duì)光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)探討分析。

2.1 項(xiàng)目工程概況

本工程位于廣東省廣州市，為軌道交通地面高架地鐵站，地面2 層，首層為站廳層，2 層為站臺(tái)層，屋面為鋼結(jié)構(gòu)，總建筑面積15315m2，屋頂面積6129m2。

按建筑規(guī)劃要求，本項(xiàng)目綠色建筑需滿(mǎn)足綠色二星設(shè)計(jì)要求。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2019）第7.2.9 提出：“結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝妥匀毁Y源條件合理利用可再生能源。”本項(xiàng)目根據(jù)規(guī)范要求需至少設(shè)計(jì)一種可再生能源。

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)比太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，因本項(xiàng)目無(wú)熱水需求，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不合適；另外本項(xiàng)目架空在市政道路上方，地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)置較困難；最終選擇了光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，在屋面空余地方安裝太陽(yáng)能電池組件。

2.2 光伏新能源系統(tǒng)分類(lèi)及系統(tǒng)選擇

2.2.1 廣州市太能能資源分析

廣州市氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射量充足、霜期不長(zhǎng)。其中4、6 月溫暖多雨，7、9 月高溫炎熱，10 月、11 月、3 月溫度適中，12、2 月天氣寒冷，全年平均溫度21.9℃。根據(jù)規(guī)范《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）附錄B 內(nèi)容[5]，廣州市日輻射量為12110kJ/m2，具備光伏太陽(yáng)能發(fā)電的條件。

2）對(duì)于失去爆破、連讀、清音濁化等學(xué)生比較難以掌握的語(yǔ)音現(xiàn)象，教師可以制作微課視頻，讓學(xué)生在課前觀看，課上師生互動(dòng)，糾正發(fā)音，課后強(qiáng)化訓(xùn)練。

2.2.2 光伏新能源系統(tǒng)分類(lèi)

根據(jù)是否接入公共電網(wǎng)，可分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如果允許通過(guò)上級(jí)變壓器向主電網(wǎng)供電的方式則叫有逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，否則叫無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)需配置控制器、蓄電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)功率較小，安裝靈活，不并入公共電網(wǎng)，適用于附近無(wú)電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)原理是太陽(yáng)能電池發(fā)出來(lái)的直流電由逆變器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的50Hz交流電并接入電網(wǎng)。與獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)比，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可不配置蓄電池，因不配置蓄電池，提高了電能的利用率，減少了環(huán)境污染，建筑物內(nèi)無(wú)須設(shè)置蓄電池室，節(jié)省了建筑面積。

2.2.3 光伏新能源系統(tǒng)選擇

本項(xiàng)目根據(jù)并網(wǎng)光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各自?xún)?yōu)、缺點(diǎn)，選擇無(wú)逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

因本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)屋面鏤空區(qū)域較多，且高架地鐵站位置設(shè)置在室外較空曠的位置，周?chē)趽踺^少，不改變建筑屋面的前提下，在屋頂合理布置電池板光伏組件。

屋面光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在考慮到建筑美觀、疏散要求的前提下，盡可能的提高屋面的利用率，使屋面電池光伏組件安裝面積達(dá)到最大，為能更好地吸收太陽(yáng)能的輻射量，現(xiàn)場(chǎng)需根據(jù)太陽(yáng)的照射方向適度調(diào)整電池板光伏組件角度。

本工程光伏太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由室外電池光伏組件、室內(nèi)并網(wǎng)逆變器、室內(nèi)交流匯流箱、室內(nèi)并網(wǎng)柜及相關(guān)配套設(shè)備組成。

總建筑面積15315m2，屋頂面積6129m2，根據(jù)建筑屋面情況，在北邊、南邊和中間安裝室外電池板光伏組件，電池板光伏組件有效安裝面積為1715m2，共安裝628 塊260Wp 多晶硅雙玻組件，多晶硅雙玻組件尺寸為1.64m2/塊，電池板光伏組件總面積約為1030m2。車(chē)站屋頂電池板光伏組件平面布置如圖3 所示。

圖3 車(chē)站屋頂電池板光伏組件平面布置

本光伏發(fā)電系統(tǒng)直流裝機(jī)容量為163.28kWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)共設(shè)計(jì)33kW 組串式逆變器5 臺(tái)，5 進(jìn)1 出交流匯流箱1 臺(tái)，并網(wǎng)柜1 臺(tái)，監(jiān)控系統(tǒng)1 套，380V 并網(wǎng)方式并網(wǎng)，光伏系統(tǒng)配置如表1 所示；光伏電纜經(jīng)站臺(tái)屋頂層交流匯流箱、站廳層0.4kV 開(kāi)關(guān)柜室設(shè)置的光伏并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)，從而給電網(wǎng)供電，光伏系統(tǒng)總原理如圖4 所示。

表1 光伏系統(tǒng)配置

圖4 光伏系統(tǒng)總原理

2.3 防雷設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電池板光伏組件會(huì)受到雷電的直接雷擊和雷電的間接感應(yīng)雷。

2.3.1 防直擊雷

為防止雷電的直接雷擊，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電池板光伏組件主要措施如下。

（1）電池板光伏組件安裝支架及基礎(chǔ)與建筑物防雷系統(tǒng)可靠電氣連接。

（2）逆變器內(nèi)裝設(shè)Ⅰ級(jí)防雷保護(hù)。

（3）交流匯流柜內(nèi)部設(shè)置防浪涌保護(hù)器。

2.3.2 防感應(yīng)雷

預(yù)防感應(yīng)雷措施主要如下。

（1）針對(duì)直流配電線(xiàn)路侵入的感應(yīng)雷，逆變器直流側(cè)設(shè)置直流開(kāi)關(guān)，并配置防浪涌保護(hù)器。

（2）與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)并接的外部電網(wǎng)中設(shè)置的0.4kV 低壓配電柜內(nèi)安裝防浪涌保護(hù)器。

（3）室外進(jìn)入配電小間的金屬橋架、配管與建筑物防雷系統(tǒng)可靠電氣連接。

2.4 光伏新能源系統(tǒng)年發(fā)電量

光伏新能源系統(tǒng)發(fā)電量受當(dāng)?shù)氐娜蛰椛淞考碍h(huán)境質(zhì)量影響，因此不能完全精確的計(jì)算出當(dāng)?shù)氐哪臧l(fā)電量，年發(fā)定量可按照下式估算。

Ep=365×HA×PAZ×K。

式中：Ep——年發(fā)電量，kW·h；HA——水平面太陽(yáng)能日輻射量，（kW·h/m2）；PAZ——系統(tǒng)安裝總?cè)萘浚琸Wp；K——綜合效率系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）附錄B 內(nèi)容，廣州市水平面太陽(yáng)能日輻射量為HA=12110kJ/m2=12110×1/3600（kW·h）/m2=3.36（kW·h）/m2。

本工程系統(tǒng)安裝總?cè)萘縋AZ=163.28kWp，綜合系數(shù)K 取0.7，光伏新能源系統(tǒng)年發(fā)電量為Ep=365xHAxPAZ×K=365×3.36（kW·h）/m2×163.28kWp×0.7=14.02 萬(wàn)kW·h。

標(biāo)準(zhǔn)煤折標(biāo)系數(shù)取1.229t/萬(wàn)kW·h，折算為標(biāo)準(zhǔn)煤重量為：14.02 萬(wàn)kW·h×1.229t/萬(wàn)kW·h=17.23t。綜上，本項(xiàng)目每年可節(jié)約17.23t 標(biāo)準(zhǔn)煤，從而可以間接減少傳統(tǒng)能源的利用，減少大氣污染。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，光伏太陽(yáng)能發(fā)電，作為再生能源是緩解能源危機(jī)的重要方向，其清潔、無(wú)污染、取之不盡的特性正得到世界各國(guó)的重視，因此，大力發(fā)展、推廣光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，對(duì)于緩解能源危機(jī)乃至消除能源危機(jī)、減少傳統(tǒng)能源對(duì)地球環(huán)境的污染、保護(hù)地球的環(huán)境有著重要意義。