太阳能光伏发电技术在建筑中的应用
1 引言
能源是社会发展的根本动力，现代建筑对煤炭、石油、天然气等传统的能源过分依赖，高能耗、低效率的建筑不仅增加了能源的消耗，而且污染环境。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有安全、无污染、可再生和分布范围广等特点，它是最理想的可再生能源和绿色环保能源，是所有化石能源及多种可再生能源的源头，是缓解能源危机的最可持续的途径，是世界各国争相开发的能源产品。太阳能光伏发电作为一种新的能源形式，在近年来得到了长足的发展。推广和使用太阳能光伏发电，对于节能减排意义重大。
太阳能光伏发电是直接将太阳光转换成电能的一种发电形式。由于其具有安全可靠、清洁卫生、无噪声、无污染、建设周期短、维护简单等特点，被广泛的应用于城市现代化建筑，市政公共工程以及亮化工程等领域。近年来，随着对建筑节能要求的提高，太阳能光伏发电系统与建筑一体化已成为应用光伏发电的发展方向。
2 太阳能光伏发电技术
2.1 太阳能光伏发电系统的基本组成
太阳能光伏发电系统主要是由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、逆变器等设备组成，其各部分设备的作用是：
(1)太阳能电池方阵。太阳电池方阵由太阳电池组合板和方阵支架组成。因为单个太阳电池的电压一般比较低，所以通常都要把它们串、并联构成有实用价值的太阳电池板，作为一个应用单元，然后根据供电要求，再由多个应用单元的串、并联组成太阳能电池方阵。太阳能电池板(某些半导体材料，目前主要是多晶硅、单晶硅以及非晶硅，经过一定工艺组装起来)是太阳能光伏系统中的最主要组成部分，也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分。太阳能电池板在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光电效应”。在光电效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，它是能量转换的器件。
(2)蓄电池组。其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。在太阳能并网发电系统中，可不加蓄电池组。
(3)控制器。对电能进行调节和控制的装置。
(4)逆变器。是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的直流电转换成交流电的设备，是光伏并网发电系统的关键部件。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，本文主要介绍太阳能光伏并网发电系统[1]。如图1所示，并网逆变器由igbt等功率开关器件构成，控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断，使输出电压极性正负交替，将直流输入转换为交流输出。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。
并网逆变器除具有普通逆变器的功能外，还应具有以下功能：
纯正弦波同步并网送电：通过dc/ac电压型逆变器实现电流瞬时控制，将电流控制成50hz正弦波，自动与电网同步后送入电网。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。
太阳能电池最大功率追踪技术：以晶体硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其i～v特性曲线各不相同，而输出与i～v特性相应存在一个最大功率输出点，因此，对太阳电池最大输出功率点的追踪mppt(maximum power point trace)成为提高整个系统效率的关键点之一。
反孤岛运行技术：并网发电运行时，电网因意外情况出现停电时，并网运行设备应该能够及时检测出电网停电情况，并与电网解列，停止向电网送电，以保护人身和设备安全。
2.2 太阳能光伏并网发电系统的工作原理
太阳能发电系统通过光电效应产生电能，所发的电能通过逆变器把直流电转换成交流电，并由控制器对电能进行调节和控制，如图2所示。在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过逆变器转换成交流电，交流电一部分输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电，用于照明等用途，其余电能馈入电网。
2.3太阳能光伏系统特点
(1)节能：以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭;
(2)环保：无污染、无噪音、无辐射;
(3)品位高：科技产品、绿色能源，使用单位重视科技、环保，形象档次提升;
(4)适用广：太阳能源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用。
(5)灵活：出入电网灵活，既有利改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。
3 太阳能光伏发电与建筑一体化的概念及趋势
太阳能光伏发电与建筑一体化bipv(building integrated photovoltaic)，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力。该系统能将太阳能发电机组完美的集成与建筑物的墙面或屋顶上，其工作原理与普通的光伏发电系统完全相同，唯一的区别就是太阳能组件既被用作系统发电机，又被用作建筑物外墙材料。
bipv系统一般由光伏阵列、墙面或屋顶和冷却空气通道、支架等组成，对于一个完整的bipv系统，还应有另外的一些设备负载、蓄电池、逆变器、系统控制器等。与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源供电或以并网方式供电。当一个bipv系统参与并网时，可以不需要蓄电池，但需要与电网联入装置，而并网发电是当今光伏应用新趋势。将光伏组件安装在建筑物的屋顶或外墙，引出端经控制器和逆变器与公共电网相连接，由光伏方阵和电网并联对用户供电，这就组成了户用光伏并网系统，由于这种系统几乎不用蓄电池，所以大大的降低了系统成本，而且除了发电以外还具备环保和替代某些建筑材料等多种功能，因此bipv系统已经成为研究开发的热点。
4 哈尔滨九洲电气3mw屋顶光伏电站项目设计分析
4.1 项目设计构想
哈尔滨九洲电气新建厂区位于哈尔滨市松北区，本期项目为九洲电气科研楼屋顶光伏发电项目，预计安装容量为3mw。楼房建设凸现节能环保主题，屋顶安装光伏阵列，引出端经控制器和逆变器与公共电网相连接，为节约造价不安装蓄电池组，而是由光伏方阵和电网并联为公司提供电力，当光伏发电系统工作时，产生的电能通过转换作为公用部分照明及试验、生产用电，当有多余的电能产生时，则馈入电网。
4.2 可行性分析
太阳每秒到达地面的能量达80万千瓦，如果能把太阳光照射到地面1个小时的能量聚积起来，就能满足人类一年的能源需求。太阳能是取之不尽，用之不竭的。我国的绝大多数地区，都具有发展太阳能光伏发电的条件。本项目所处的哈尔滨地区，哈尔滨位于东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′。哈尔滨的气候属中温带大陆性季风气候，特点是四季分明，春季山野披绿、满城丁香;夏季清凉宜人、休闲避暑;秋季秋高气爽、层林尽染;冬季银装素裹、雪韵冰情。冬季1月平均气温约零下19℃;夏季7月的平均气温约23℃。全年平均降水量569.1毫米，夏季占全年降水量的60%。水平面日平均辐照度为3.63kwh/㎡，45°的倾斜面辐照度日平均辐照度为4.5kwh/㎡，太阳能资源相对丰富，再加上厂区大楼南面无高层建筑阻挡，具有良好的项目实施条件。依据系统效率(25年平均效率)保守数据75%来计算，3mw屋顶发电项目可年度发电量约为3695625kwh。在不考虑国家、省市上网电价补贴政策的前提下，按照，目前工业用电价格，以1.0元/千瓦时计算，每年累计可减少市电购买：3695625元，由此可见，此项目可行。
4.3 主要部件设计
哈尔滨九洲电气3mw屋顶光伏发电系统，计划采用分块发电、集中并网方案。如图3，将系统分成3个1mwp的光伏并网发电单元，并且每个1mw发电单元采用4台250kw的并网逆变器的方案。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成太阳能电池阵列，太阳能电池阵列输入光伏方阵汇流箱后接入直流配电柜，然后经光伏并网逆变器和交流防雷配电柜并入变压配电装置，最终实现将整个光伏并网系统接入交流电网进行并网发电方案。
(1)太阳能电池阵列
太阳能光伏组件选型
多晶硅光伏组件与单晶硅光伏组件相比较，使用寿命均能达25年，功率衰减均小于15%。虽然多晶硅转换效率略低于单晶硅，但具有生产效率高，成本较低的优点，在高功率光伏并网发电系统中一般采用多晶硅组件。
根据性价比计算，本方案计划采用165wp太阳能光伏组件，其峰值功率为165wp，峰值电压为24v，峰值电流为7a。
并网光伏系统效率计算
并网光伏发电系统的总效率主要由光伏阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率三部分组成。
光伏阵列效率η1：光伏阵列在1000w/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。
逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取效率95%计算。
交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取效率95%计算。
系统总效率η总：η总=η1×η2×η3=77%。
倾斜面光伏阵列表面的太阳能辐射量计算
从气象站得到的资料，均为水平面上太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。
对于某一倾斜角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式[2]为：
rd=s×[sin(α+β)/sinα]+d
其中：
rd——倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量;
s——水平面上太阳直接辐射量;
d——散射辐射量;
α——中午时分的太阳高度角;
β——光伏阵列倾角。
通过将气象站得到的数据代入公式计算得出的一系列数据，通过分析得出，哈尔滨市区45°倾斜角照射时全年接收的太阳能辐射能量最大，所以确定光伏阵列按照45°倾角固定安装。
太阳能光伏组件串联并联方案
此工程计划采用250kw并网逆变器，其直流工作电压范围为：450vdc～880vdc，最佳直流电压工作点为560vdc。
太阳能光伏组件串联的数量ns=560v/24v=23块，这里考虑到温度变化系数，以18块太阳能电池组件串联，单列串联功率=18×165wp=2970wp;
单台250kw逆变器需要配置太阳能电池组件并联的数量np=250kw/2970w≈85列，1mwp的光伏电池阵列单元则需要设计85×4=340列支路并联，共计340×18=6120块太阳能电池组件。则实际整个3mw光伏系统所需165wp的电池组件数量m=3×6120=18360块，实际功率达3.029mw。
按照九洲电气3mw光伏电站的初步计划设计，该工程需要165wp的多晶硅太阳能电池组件18360块，18块串联，1020列支路并联的阵列。
(2)逆变器选择
此太阳能光伏并网发电系统为3个1mwp的光伏并网发电单元并联组成，每个并网发电单元需要4台功率为250kw的并网逆变器(直流工作电压范围为：450vdc～880vdc，最佳直流电压工作点为560vdc，最大阵列输入电流560a)，整个系统配置12台此型号的光伏并网逆变器，组成3mw并网发电逆变系统。
(3)监控系统
如图4所示，监控系统是以sunny webbox为总控单元，此系统可以连接最多50台并网逆变器，可以监控每台逆变器的日发电量，累计发电量等，同时系统配备环境传感器可以采集辐照量、温度、风速等信息为分析系统发电量提供依据。
(4)环境监测装置
在光伏并网发电系统中配一套环境监测装置，实时监测环境日照强度、风速、风向、温度等参数，其通讯接口可接入并网监控系统，实时记录环境数据。
(5)系统防雷接地装置
为保证本光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷击、浪涌等外在因素导致系统器件损坏等情况发生，系统的防雷接地装置必不可少。
除此之外，并网逆变器交流侧还要配有交流防雷配电柜，交流升压变压器等设备。
通过对3mw光伏发电系统与建筑结构相结合的设计与实施，公司将在实现用电的自给自足的基础上，将多余的电能售给电力公司创造效益。不但节约了电费，而且减少了铺设电缆等道路挖掘量，降低了施工投资，此工程实施后将把公司打造成为光电建筑一体化示范基地和科研基地。
5 结束语
我国太阳能资源比较丰富，分布范围广，太阳能发电发展潜力巨大，我国建筑能耗约占能源消费总量的27.45%，将太阳能光伏发电系统与建筑相结合，提供建筑物自身用电需求，实现建筑物“零能耗”，可以大大改变我国建筑物高能耗的现状。太阳能发电系统与建筑一体化工程是一项具有开拓性的工作，系统并不存在太多的设计难度，主要是光电转换系统成本较高，所以需要政府相关部门的政策扶持。2009年7月，财政部、科技部和国家能源局已经共同出台了《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》，重点支持光伏发电站项目。这将对光伏发电系统与建筑一体化工程起到有力的推动作用，相信不久的将来，太阳能发电将成为建筑物必备的功能。
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