太陽能光伏發電技術在建筑中的應用
1 引言
能源是社會發展的根本動力，現代建筑對煤炭、石油、天然氣等傳統的能源過分依賴，高能耗、低效率的建筑不僅增加了能源的消耗，而且污染環境。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，具有安全、無污染、可再生和分布范圍廣等特點，它是最理想的可再生能源和綠色環保能源，是所有化石能源及多種可再生能源的源頭，是緩解能源危機的最可持續的途徑，是世界各國爭相開發的能源產品。太陽能光伏發電作為一種新的能源形式，在近年來得到了長足的發展。推廣和使用太陽能光伏發電，對于節能減排意義重大。
太陽能光伏發電是直接將太陽光轉換成電能的一種發電形式。由于其具有安全可靠、清潔衛生、無噪聲、無污染、建設周期短、維護簡單等特點，被廣泛的應用于城市現代化建筑，市政公共工程以及亮化工程等領域。近年來，隨著對建筑節能要求的提高，太陽能光伏發電系統與建筑一體化已成為應用光伏發電的發展方向。
2 太陽能光伏發電技術
2.1 太陽能光伏發電系統的基本組成
太陽能光伏發電系統主要是由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、逆變器等設備組成，其各部分設備的作用是：
(1)太陽能電池方陣。太陽電池方陣由太陽電池組合板和方陣支架組成。因為單個太陽電池的電壓一般比較低，所以通常都要把它們串、并聯構成有實用價值的太陽電池板，作為一個應用單元，然后根據供電要求，再由多個應用單元的串、并聯組成太陽能電池方陣。太陽能電池板(某些半導體材料，目前主要是多晶硅、單晶硅以及非晶硅，經過一定工藝組裝起來)是太陽能光伏系統中的最主要組成部分，也是太陽能光伏發電系統中價值最高的部分。太陽能電池板在有光照情況下，電池吸收光能，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光電效應”。在光電效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，它是能量轉換的器件。
(2)蓄電池組。其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。在太陽能并網發電系統中，可不加蓄電池組。
(3)控制器。對電能進行調節和控制的裝置。
(4)逆變器。是將太陽能電池方陣和蓄電池提供的直流電轉換成交流電的設備，是光伏并網發電系統的關鍵部件。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，當負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統，本文主要介紹太陽能光伏并網發電系統[1]。如圖1所示，并網逆變器由igbt等功率開關器件構成，控制電路使開關元件有一定規律的連續開通或關斷，使輸出電壓極性正負交替，將直流輸入轉換為交流輸出。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。
并網逆變器除具有普通逆變器的功能外，還應具有以下功能：
純正弦波同步并網送電：通過dc/ac電壓型逆變器實現電流瞬時控制，將電流控制成50hz正弦波，自動與電網同步后送入電網。以正弦波電流的方式并網送電不會對電網產生諧波干擾和過多的無功分量。
太陽能電池最大功率追蹤技術：以晶體硅為基本材料的太陽能電池在不同的照射強度和溫度下其i～v特性曲線各不相同，而輸出與i～v特性相應存在一個最大功率輸出點，因此，對太陽電池最大輸出功率點的追蹤mppt(maximum power point trace)成為提高整個系統效率的關鍵點之一。
反孤島運行技術：并網發電運行時，電網因意外情況出現停電時，并網運行設備應該能夠及時檢測出電網停電情況，并與電網解列，停止向電網送電，以保護人身和設備安全。
2.2 太陽能光伏并網發電系統的工作原理
太陽能發電系統通過光電效應產生電能，所發的電能通過逆變器把直流電轉換成交流電，并由控制器對電能進行調節和控制，如圖2所示。在光照條件下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求。再通過逆變器轉換成交流電，交流電一部分輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進行供電，用于照明等用途，其余電能饋入電網。
2.3太陽能光伏系統特點
(1)節能：以太陽能光電轉換提供電能，取之不盡、用之不竭;
(2)環保：無污染、無噪音、無輻射;
(3)品位高：科技產品、綠色能源，使用單位重視科技、環保，形象檔次提升;
(4)適用廣：太陽能源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用。
(5)靈活：出入電網靈活，既有利改善電力系統的負荷平衡，又可降低線路損耗。
3 太陽能光伏發電與建筑一體化的概念及趨勢
太陽能光伏發電與建筑一體化bipv(building integrated photovoltaic)，是應用太陽能發電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的維護結構外表面來提供電力。該系統能將太陽能發電機組完美的集成與建筑物的墻面或屋頂上，其工作原理與普通的光伏發電系統完全相同，唯一的區別就是太陽能組件既被用作系統發電機，又被用作建筑物外墻材料。
bipv系統一般由光伏陣列、墻面或屋頂和冷卻空氣通道、支架等組成，對于一個完整的bipv系統，還應有另外的一些設備負載、蓄電池、逆變器、系統控制器等。與建筑相結合的光伏系統，可以作為獨立電源供電或以并網方式供電。當一個bipv系統參與并網時，可以不需要蓄電池，但需要與電網聯入裝置，而并網發電是當今光伏應用新趨勢。將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或外墻，引出端經控制器和逆變器與公共電網相連接，由光伏方陣和電網并聯對用戶供電，這就組成了戶用光伏并網系統，由于這種系統幾乎不用蓄電池，所以大大的降低了系統成本，而且除了發電以外還具備環保和替代某些建筑材料等多種功能，因此bipv系統已經成為研究開發的熱點。
4 哈爾濱九洲電氣3mw屋頂光伏電站項目設計分析
4.1 項目設計構想
哈爾濱九洲電氣新建廠區位于哈爾濱市松北區，本期項目為九洲電氣科研樓屋頂光伏發電項目，預計安裝容量為3mw。樓房建設凸現節能環保主題，屋頂安裝光伏陣列，引出端經控制器和逆變器與公共電網相連接，為節約造價不安裝蓄電池組，而是由光伏方陣和電網并聯為公司提供電力，當光伏發電系統工作時，產生的電能通過轉換作為公用部分照明及試驗、生產用電，當有多余的電能產生時，則饋入電網。
4.2 可行性分析
太陽每秒到達地面的能量達80萬千瓦，如果能把太陽光照射到地面1個小時的能量聚積起來，就能滿足人類一年的能源需求。太陽能是取之不盡，用之不竭的。我國的絕大多數地區，都具有發展太陽能光伏發電的條件。本項目所處的哈爾濱地區，哈爾濱位于東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′。哈爾濱的氣候屬中溫帶大陸性季風氣候，特點是四季分明，春季山野披綠、滿城丁香;夏季清涼宜人、休閑避暑;秋季秋高氣爽、層林盡染;冬季銀裝素裹、雪韻冰情。冬季1月平均氣溫約零下19℃;夏季7月的平均氣溫約23℃。全年平均降水量569.1毫米，夏季占全年降水量的60%。水平面日平均輻照度為3.63kwh/㎡，45°的傾斜面輻照度日平均輻照度為4.5kwh/㎡，太陽能資源相對豐富，再加上廠區大樓南面無高層建筑阻擋，具有良好的項目實施條件。依據系統效率(25年平均效率)保守數據75%來計算，3mw屋頂發電項目可年度發電量約為3695625kwh。在不考慮國家、省市上網電價補貼政策的前提下，按照，目前工業用電價格，以1.0元/千瓦時計算，每年累計可減少市電購買：3695625元，由此可見，此項目可行。
4.3 主要部件設計
哈爾濱九洲電氣3mw屋頂光伏發電系統，計劃采用分塊發電、集中并網方案。如圖3，將系統分成3個1mwp的光伏并網發電單元，并且每個1mw發電單元采用4臺250kw的并網逆變器的方案。每個光伏并網發電單元的電池組件采用串并聯的方式組成太陽能電池陣列，太陽能電池陣列輸入光伏方陣匯流箱后接入直流配電柜，然后經光伏并網逆變器和交流防雷配電柜并入變壓配電裝置，最終實現將整個光伏并網系統接入交流電網進行并網發電方案。
(1)太陽能電池陣列
太陽能光伏組件選型
多晶硅光伏組件與單晶硅光伏組件相比較，使用壽命均能達25年，功率衰減均小于15%。雖然多晶硅轉換效率略低于單晶硅，但具有生產效率高，成本較低的優點，在高功率光伏并網發電系統中一般采用多晶硅組件。
根據性價比計算，本方案計劃采用165wp太陽能光伏組件，其峰值功率為165wp，峰值電壓為24v，峰值電流為7a。
并網光伏系統效率計算
并網光伏發電系統的總效率主要由光伏陣列的效率、逆變器的效率、交流并網效率三部分組成。
光伏陣列效率η1：光伏陣列在1000w/m2太陽輻射強度下，實際的直流輸出功率與標稱功率之比。光伏陣列在能量轉換過程中的損失包括：組件的匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度影響、最大功率點跟蹤精度、及直流線路損失等，取效率85%計算。
逆變器轉換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，取效率95%計算。
交流并網效率η3：從逆變器輸出至高壓電網的傳輸效率，其中主要是升壓變壓器的效率，取效率95%計算。
系統總效率η總：η總=η1×η2×η3=77%。
傾斜面光伏陣列表面的太陽能輻射量計算
從氣象站得到的資料，均為水平面上太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進行發電量的計算。
對于某一傾斜角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關，較簡便的輻射量計算經驗公式[2]為：
rd=s×[sin(α+β)/sinα]+d
其中：
rd——傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量;
s——水平面上太陽直接輻射量;
d——散射輻射量;
α——中午時分的太陽高度角;
β——光伏陣列傾角。
通過將氣象站得到的數據代入公式計算得出的一系列數據，通過分析得出，哈爾濱市區45°傾斜角照射時全年接收的太陽能輻射能量最大，所以確定光伏陣列按照45°傾角固定安裝。
太陽能光伏組件串聯并聯方案
此工程計劃采用250kw并網逆變器，其直流工作電壓范圍為：450vdc～880vdc，最佳直流電壓工作點為560vdc。
太陽能光伏組件串聯的數量ns=560v/24v=23塊，這里考慮到溫度變化系數，以18塊太陽能電池組件串聯，單列串聯功率=18×165wp=2970wp;
單臺250kw逆變器需要配置太陽能電池組件并聯的數量np=250kw/2970w≈85列，1mwp的光伏電池陣列單元則需要設計85×4=340列支路并聯，共計340×18=6120塊太陽能電池組件。則實際整個3mw光伏系統所需165wp的電池組件數量m=3×6120=18360塊，實際功率達3.029mw。
按照九洲電氣3mw光伏電站的初步計劃設計，該工程需要165wp的多晶硅太陽能電池組件18360塊，18塊串聯，1020列支路并聯的陣列。
(2)逆變器選擇
此太陽能光伏并網發電系統為3個1mwp的光伏并網發電單元并聯組成，每個并網發電單元需要4臺功率為250kw的并網逆變器(直流工作電壓范圍為：450vdc～880vdc，最佳直流電壓工作點為560vdc，最大陣列輸入電流560a)，整個系統配置12臺此型號的光伏并網逆變器，組成3mw并網發電逆變系統。
(3)監控系統
如圖4所示，監控系統是以sunny webbox為總控單元，此系統可以連接最多50臺并網逆變器，可以監控每臺逆變器的日發電量，累計發電量等，同時系統配備環境傳感器可以采集輻照量、溫度、風速等信息為分析系統發電量提供依據。
(4)環境監測裝置
在光伏并網發電系統中配一套環境監測裝置，實時監測環境日照強度、風速、風向、溫度等參數，其通訊接口可接入并網監控系統，實時記錄環境數據。
(5)系統防雷接地裝置
為保證本光伏并網發電系統安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導致系統器件損壞等情況發生，系統的防雷接地裝置必不可少。
除此之外，并網逆變器交流側還要配有交流防雷配電柜，交流升壓變壓器等設備。
通過對3mw光伏發電系統與建筑結構相結合的設計與實施，公司將在實現用電的自給自足的基礎上，將多余的電能售給電力公司創造效益。不但節約了電費，而且減少了鋪設電纜等道路挖掘量，降低了施工投資，此工程實施后將把公司打造成為光電建筑一體化示范基地和科研基地。
5 結束語
我國太陽能資源比較豐富，分布范圍廣，太陽能發電發展潛力巨大，我國建筑能耗約占能源消費總量的27.45%，將太陽能光伏發電系統與建筑相結合，提供建筑物自身用電需求，實現建筑物“零能耗”，可以大大改變我國建筑物高能耗的現狀。太陽能發電系統與建筑一體化工程是一項具有開拓性的工作，系統并不存在太多的設計難度，主要是光電轉換系統成本較高，所以需要政府相關部門的政策扶持。2009年7月，財政部、科技部和國家能源局已經共同出臺了《金太陽示范工程財政補助資金管理暫行辦法》，重點支持光伏發電站項目。這將對光伏發電系統與建筑一體化工程起到有力的推動作用，相信不久的將來，太陽能發電將成為建筑物必備的功能。
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