中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 陳錦成

1 引言

近年來(lái)，綠色低碳發(fā)展的主基調(diào)對(duì)建筑行業(yè)未來(lái)發(fā)展提出了明確的要求。隨著經(jīng)濟(jì)水平與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于住宅水平也有了更好的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，從而導(dǎo)致當(dāng)前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，不斷增長(zhǎng)的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機(jī)。因此，電力部門(mén)對(duì)于建筑內(nèi)部的發(fā)電項(xiàng)目的安全與能耗提出了更高的要求。光伏發(fā)電技術(shù)作為一種可再生清潔能源，能夠較好地滿足綠色建筑低碳節(jié)能理念，所以在進(jìn)行建筑電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該加大光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用，以保證建筑電氣的安全性與節(jié)能性。

2 分布式光伏發(fā)電技術(shù)原理及應(yīng)用場(chǎng)景

分布式光伏發(fā)電技術(shù)的主要工作原理是指利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)前，該發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種，通過(guò)分析各種類(lèi)型的新能源資源儲(chǔ)備量可以得出，太陽(yáng)能資源的儲(chǔ)備量最多，所以將其應(yīng)用于建筑物的電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能-電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電[1]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然是一種新型的能源綜合利用系統(tǒng)，但是卻有著十分廣闊的利用空間。分布式光伏發(fā)電裝置主要包括：光伏組件、逆變器、支架、電纜、并網(wǎng)系統(tǒng)以及相關(guān)配件等[2]。其中，光伏組件和逆變器是整個(gè)裝置的核心部分。光伏組件由晶體硅太陽(yáng)能電池、非晶體硅太陽(yáng)能電池構(gòu)建而成，逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)變成為交流電，從而能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。支架是整個(gè)發(fā)電裝置的中心，其主要是起到支撐作用，該裝置主要是通過(guò)支架內(nèi)部的電纜進(jìn)行輸配電，同時(shí)還具備抗震、防風(fēng)、防雪等功能。由此可見(jiàn)，分布式光伏發(fā)電裝置是由不同設(shè)備裝置構(gòu)建而成的，只有使其協(xié)同工作才能將太陽(yáng)能高效轉(zhuǎn)化為電能使用，從而實(shí)現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能降耗的目的。

分布式光伏發(fā)電技術(shù)相比其他的新能源發(fā)電技術(shù)而言，具有零污染、效益高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。目前，我國(guó)分布式光伏發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)10750.8kW，占發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的75%左右，可見(jiàn)裝機(jī)容量比例較大。由此可見(jiàn)，該發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用前景是十分廣泛的，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該發(fā)電技術(shù)能夠有效提高發(fā)電效率，并且在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用水平得到了社會(huì)各界的一致認(rèn)可。分布式光伏發(fā)電技術(shù)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)

3 項(xiàng)目概況

本工程為某市大型商業(yè)綜合項(xiàng)目。本工程總建筑面積13900m2，建筑高度為92.5m。建筑布局地下B1-B3層為地下停車(chē)庫(kù)；一層、二層為商業(yè)營(yíng)業(yè)廳、餐廳；三層為電影院、健身房；四層為物業(yè)管理、設(shè)備用房、辦公用房。其中，整個(gè)建筑物的屋頂均采用平鋪安裝與光伏發(fā)電相結(jié)合的方式，從而實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用[3]。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 光伏組件

分布式發(fā)電技術(shù)相比其他的新能源發(fā)電技術(shù)而言，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)之處。即無(wú)污染、效益高、適應(yīng)范圍廣等。截至2021年，我國(guó)分布式光伏發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)10750.8kW。

結(jié)合當(dāng)前我國(guó)分布式光伏組件市場(chǎng)現(xiàn)狀以及產(chǎn)量情況來(lái)看，目前市場(chǎng)上采用最多的光伏組件配置為晶體硅以及薄膜等兩大類(lèi)。其中，晶體硅光伏組件成熟度、性質(zhì)穩(wěn)定、市場(chǎng)份額最大、價(jià)格低廉、產(chǎn)量大等因素，因此本文將選定光伏組件為晶體硅[4]。

4.2 規(guī)格參數(shù)

由于晶體硅光伏組件的功率規(guī)格多，如5～670W。再加上本項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模較大，因此組件數(shù)量較多。本研究為了減少占地面積以及組件安裝量，將優(yōu)先使用單位面積功率大的光伏組件。不僅能夠有效降低設(shè)備故障發(fā)生率，同時(shí)也能夠減少接觸阻力與電纜用量，從而能夠減少系統(tǒng)的整體損耗。經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案分析見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案分析

由表1可知，540W 光伏組件相比450W 組件而言，能夠有效節(jié)約屋頂面積644m2，節(jié)省租金12800元/年（2元/m2）；節(jié)省光伏專(zhuān)用電纜長(zhǎng)度23000m，節(jié)省電纜成本46000元；節(jié)省支架30套。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案以及本項(xiàng)目實(shí)際情況來(lái)看，適合采用72片封裝單晶硅光伏組件，型號(hào)規(guī)格為550W。然而，本階段只適用于選擇固定的運(yùn)營(yíng)方式，從項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)兩方面因素綜合來(lái)看，結(jié)合平鋪方式依次安裝屋頂光伏系統(tǒng)[5]。因此，本項(xiàng)目所采用的光伏組件與傳統(tǒng)發(fā)電模式相比，運(yùn)行費(fèi)用也十分合理，設(shè)備的初期總投資就能夠節(jié)省約將近100萬(wàn)元，并且不需要設(shè)立單獨(dú)的機(jī)房放置設(shè)備，因此可以有效減少使用面積，并且周?chē)纳虡I(yè)用房的相關(guān)設(shè)置也不會(huì)受到實(shí)際的影響，再加上其零污染排放、系統(tǒng)運(yùn)行可靠、設(shè)備維護(hù)管理方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于本項(xiàng)目十分合適。

4.3 逆變器

針對(duì)本項(xiàng)目分布式光伏發(fā)電而言，其中逆變器設(shè)備是核心的部分，主要作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)逆變器完成能源轉(zhuǎn)換后，首先會(huì)將電能源源不斷地輸送至建筑物進(jìn)行供電，而剩余的一部分電能將會(huì)被存儲(chǔ)至電網(wǎng)中。此外，該設(shè)備具有過(guò)壓保護(hù)、電壓異常保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等保護(hù)功能。因此，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行與之有著直接作用關(guān)系。基于此，本研究在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電時(shí)，首先需要考慮整個(gè)建筑物整體情況，其次構(gòu)建45kW 逆變器，每一臺(tái)逆變器的光伏最大配置設(shè)置為45÷4.05=11.11。因此，為了確保能夠滿足本項(xiàng)目建筑物實(shí)際供電需求，因此在設(shè)計(jì)逆變器光伏串時(shí)，需要為每一臺(tái)逆變器配置12串光伏串。

5 技術(shù)要點(diǎn)分析

5.1 確保環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)質(zhì)量

首先，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在建筑物供電系統(tǒng)中應(yīng)用分布式光伏節(jié)能環(huán)保技術(shù)，需要充分考慮該技術(shù)所帶來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益以及發(fā)展趨勢(shì)，不僅需要從經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，還需要站在未來(lái)市場(chǎng)環(huán)境發(fā)展的角度看待這一問(wèn)題，然而這一切的前提是必須確保分布式光伏發(fā)電技術(shù)的質(zhì)量。因此，在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員一方面需要具備專(zhuān)業(yè)的光伏發(fā)電基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面還需要綜合現(xiàn)場(chǎng)建筑物的實(shí)際情況，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，確保整個(gè)設(shè)計(jì)方案的合理化。

除此之外，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)的管理人員也需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，確保整個(gè)設(shè)計(jì)方案要基于節(jié)能環(huán)保技術(shù)出發(fā)，才能夠?qū)崿F(xiàn)綠色低碳的目標(biāo)。

5.2 確保相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠直接影響本建筑項(xiàng)目的低碳、節(jié)能、環(huán)保應(yīng)用效果。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要時(shí)刻根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡可能地采用綠色、低碳、無(wú)污染的設(shè)備（如：太陽(yáng)能）應(yīng)用于本項(xiàng)目中，進(jìn)而有效降低的能源消耗。

5.3 發(fā)電機(jī)組監(jiān)管維護(hù)

本建筑項(xiàng)目分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是由多臺(tái)發(fā)電機(jī)組組合而成的，每一臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量是300w 左右。分布式光伏發(fā)電機(jī)組主要采用的是集中控制方法進(jìn)行處理。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要安裝微機(jī)監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程控制。除此之外，針對(duì)分布式光伏發(fā)電機(jī)組的監(jiān)管與維護(hù)過(guò)程中，需要在機(jī)組內(nèi)部部署相應(yīng)的保護(hù)裝置，同時(shí)滿足以下要求。

第一，分布式光伏發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)中，而技術(shù)人員能夠利用上傳的數(shù)據(jù)分析該發(fā)電機(jī)組是否存在設(shè)備運(yùn)行故障，同時(shí)還能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行指定工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池片的轉(zhuǎn)向調(diào)整。

第二，將監(jiān)控設(shè)備部署于每一臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)組中，能夠使計(jì)算機(jī)設(shè)備直接控制該發(fā)電機(jī)組，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、傳感器保護(hù)等多種保護(hù)情況。一旦太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，在電力傳輸過(guò)程中的電壓和電流過(guò)高，此時(shí)監(jiān)控設(shè)備將會(huì)立即切斷運(yùn)輸電纜，從而確保發(fā)電機(jī)組的安全。

6 發(fā)電量與經(jīng)濟(jì)效益

6.1 發(fā)電量

發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率是影響其發(fā)電量的關(guān)鍵性因素。在本項(xiàng)目中，由于雨水、灰塵等氣候以及光伏組件不匹配等都有可能導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，同時(shí)逆變器、電纜、變壓器等設(shè)施設(shè)備的功率損失同樣也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率的下降，從而導(dǎo)致發(fā)電量降低?；诖?，本研究決定在PVDesigner 軟件中進(jìn)行模擬，進(jìn)一步得出了發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)能耗損失。其中，污穢損失約為2.5%；組件溫度損失約為4.35%，失配損失約為1.98%，電纜損失約為0.45%，逆變器效率損失約為1.45%，整體系統(tǒng)效率約為82.5%。根據(jù)本項(xiàng)目某市一大型商業(yè)綜合項(xiàng)目分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的年總發(fā)電量，可根據(jù)太陽(yáng)能年總輻射量、發(fā)電系統(tǒng)組件總功率以及發(fā)電系統(tǒng)總效率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出式：

式中：Ep代表年總發(fā)電量；Ha代表太陽(yáng)能年總輻射量；Paz代表發(fā)電系統(tǒng)總功率；K 代表發(fā)電系統(tǒng)總效率。由于需要考慮到使用年限的原因，太陽(yáng)能電池片的運(yùn)行效率會(huì)隨著時(shí)間有所減弱，因此本項(xiàng)目?jī)H預(yù)測(cè)未來(lái)20～25年內(nèi)該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每一年發(fā)電量。采用PVDesigner 軟件進(jìn)行模擬分析，將相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)填入模擬系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出未來(lái)25年內(nèi)，該發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量為985.2萬(wàn)kWh。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)上述的模擬計(jì)算可以得出，本研究分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用于該大型商業(yè)綜合項(xiàng)目中能夠?qū)崿F(xiàn)年發(fā)電量為985.2萬(wàn)kWh，按照相關(guān)的火電煤耗發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，本項(xiàng)目投入建設(shè)后平均每年可節(jié)約燃煤約1000t，因此也會(huì)減少大氣污染物的排放，同時(shí)該發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用的主要資源為太陽(yáng)能，其是一種清潔能源且可再生能源，緩解了我國(guó)電力事業(yè)用電緊張的問(wèn)題，同時(shí)也為人們生活節(jié)約了用電成本。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷改善和提高，對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求也不斷提升，從而造成目前建筑內(nèi)部的供電系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，不斷增長(zhǎng)的建筑用電量使較多地區(qū)出現(xiàn)了電力資源危機(jī)。分布式光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用大大改善了我國(guó)電力緊缺的問(wèn)題，同時(shí)也體現(xiàn)出了我國(guó)電力事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的品質(zhì)。應(yīng)用分布式光伏發(fā)電技術(shù)，不僅能夠節(jié)約能耗，同時(shí)還能夠降低環(huán)境污染。該技術(shù)有效滿足了現(xiàn)代化發(fā)展需要，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，從而保障我國(guó)建筑行業(yè)與電力行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。