光伏发电系统在绿色建筑中的设计.pdf

- 9 - /eea Electrical Engineering and Automation June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.9-15 Photovoltaic Generation Design in Green Building Qiong Li 1, Xin Xie 2, Minhui Ji 1 1. Beijing Building Design Institute of China Construction 2. Beijing SunLay Institute of Architectural Design Abstract Green and energy efficiency is becoming the theme of the world sustainable development. The renewable energy such as solar energy, wind energy, geothermal energy, nuclear energy and so on. The green electrical design is combining the renewable energy with building. This article focused on the classification, its main components design procedures and its accessory equipments design of photovoltaic generation which based on the civil architecture. Keywords: Renewable Energy; Photovoltaic Generation; Green Building; Civil Building 光伏发电系统在绿色建筑中的设计 李琼 1，解鑫 2，戢旻辉1 1. 北京中建建筑设计院有限公司 2. 北京三磊建筑设计有限公司 摘 要：绿色和能源的开放和利用逐渐成为世界可持续发展的主题，太阳能、风能、地热能和核能等可再生能源已经成为 电能的新的来源。在绿色建筑中将新能源结合到建筑物设计中去。本文主要介绍基于民用建筑的光伏发电系统设计。 关键字：可再生能源；光伏发电；绿色建筑；民用建筑 引言 世界经济的发展主要依赖于石油、煤炭和天然气等传统能源，预计 21 世纪中叶传统能源将会消耗殆 尽。发展至今，能源危机已经是世界范围内面临的一个重大课题。中国作为一个发展中国家，经济发展与 能源储备密不可分，在现阶段能源使用量上，煤炭使用量占 68.8%，石油使用量约占 23.1%。 另一方面，传统能源的使用伴随着严重的环境污染和温室效应，目前很多城市都在面临影响到人们身 体健康的雾霾问题。就中国每年的碳排放量达到世界的 18%，已经超过了美国的排放量。工业、交通和建 筑是碳排放量的主要来源。以上诸多原因都需要我们加快发展新能源的步伐，太阳能、风能、地热能这些 新能源与传统能源相比之下可以缓解环境污染压力。太阳能的储存范围广、无污染、储量大等特点使它可 以被广泛应用。目前，太阳能被广泛应用在太阳能热水器中，将太阳能转化为热能，但这种太阳能应用的 利用率仍然很低，而且范围小。本文主要介绍将太阳能和建筑物融为一体的光伏建筑一体化中光伏发电系 统的设计，光伏发电系统将太阳能转化为电能广泛应用于各类用电设备。 1 光伏发电系统 光伏发电系统是将太阳能直接转换为电能的发电方式。 1.1 光伏发电系统分类 根据系统结构和负载类型将光伏发电系统分为两类：并网型光伏发电系统和独立型光伏发电系统。并 - 10 - /eea 网发电系统分为逆潮流光伏发电系统（如图 1 所示）和非逆潮流光伏发电系统（如图 2 所示）。逆潮流发电 系统的潮流流向取决于光伏发电系统输出的电能能否满足负载的负荷需求：当太阳能转换成的电能不能完 全满足负载容量，由电网电力补给负载所需的剩余电量；当太阳能产生的电量超过负载容量，则将多余的 电量向电网逆潮流输入，由电力公司买进。非逆潮流发电系统主要应用在太阳能发电系统输出的电能不会 超过负载所需负荷容量，基本上不会产生逆潮流电力情况下。独立型光伏发电系统一般都设有在阴天或下 雨时可以补给负荷电力蓄电池，此发电系统主要在电网供电不方便的偏远的山区。 并网型光伏发电系统分类和适用场合如表 1 所示。 图 1.逆潮流光伏发电系统 图 2.非逆潮流光伏发电系统 表 1 并网型光伏发电系统分类 并网型光 伏发电系 统 电能流向 备用电源 应用场合 逆潮流 带电池 当地电力供电不可靠情况下 不带蓄电池 当地电力供电可靠情况下 非逆潮流 带蓄电池 偏远地区，对供电连续性有要求 不带蓄电池 偏远地区，对供电连续性没有要求 从上表 1 可以看出，民用建筑一般要求电网电力供电可靠，主要采用的光伏发电系统为不带蓄电池的可 逆潮流并网型光伏发电系统，也是本文讨论的重点。 1.2 光伏发电系统的主要设备 本文的这一部分主要介绍光伏发电系统的工作原理和组成。光伏发电系统主要一下设备：太阳能电池 组件、测量设备、控制器和逆变器等。 太阳能电池组件（如图 3 所示）由太阳能电池组成，太阳能电池是将太阳能转化为电能的基本元件。在 民用建筑设计中主要设置在屋顶和墙面。太阳能电池根据其材料分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电 池、非晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。一般每个太阳能电池输出电压约 0.5V，大约 13W 的有功功 率，在日照情况良好时，每个 4050W的太阳能电池组件的输出电压约为 17V，太阳能电池组件可以通过不 同的串并联组合方式产生不用的电压和电流的电能。 - 11 - /eea 图 3 太阳能电池板 光伏发电系统设计的首要步骤是为光伏电池组件选择采集太阳能最大的地点，光伏发电系统的电能输 出量主要取决于太阳能输入量，通过日射计测量太阳能的日射角度和太阳能能量，用于选取可以获得尽可 能多的太阳能的太阳能电池板的放置位置和角度，下图 4表示我国太阳能分布情况。在不同的温度和日照情 况下，太阳能电池可以产生不同的电压和电流，所以我们需要测量设备来随时监测太阳能电池产生的电能 的电压和电流，同时，测量设备也要随时监测影响太阳能电池工作性能的的环境温度和日照数据，实时控 制系统的输入电能质量。 图 4 中国太阳能分布图 图 5 电流控制电流型逆变器的工作电路 Ei :输出电压;EL:感应电压; Ec: 电网电压;Ic: 输出电流 - 12 - /eea 图 6 给出并网逆变器的输出电量图 : Ei 和 EC相角。 光伏发电系统的另一个重要组成部分功率调节器。功率调节器是由把太阳能电池的直流电转换成交 流电的逆变器和当系统侧出现异常能安全停止装置运行的并网保护装置构成的。转换成的交流电电压取决 于主要负载的工作电压，一般民用建筑常用设备工作电压为交流 380/220V。功率调节器除了逆变作用还控 制电能的潮流流向。系统电能与电网电力同步，通过调整系统侧电压和经过滤波器前的功率调节器输出电 压之间的相位差，可以调整电流流向（向电网送电还是从电网取电）和电量，以电流控制电压型逆变器为 例分析，图 5 为电流控制电压型逆变器的工作电路，图 6 为逆变器的输出电量图。 cc PEI （1） L c E i L （2） sin Li EE （3） sin ci EE P L （4） P：输出功率。 式（4）中 Ei 与 EC 的相角直接控制功率的流向，当 sin0时，P0 系统产生的电能输出供给负载或并 入电网。反之，电能由电网流向光伏发电系统侧。 2 光伏发电系统的设计 2.1 光伏建筑一体化的概念 光伏建筑一体化是将光伏发电系统和建筑物有机结合在一起，利用太阳能发电系统的组件代替建筑物 的某一部分。由于太阳能电池仅 20%左右的能量转化率，在考虑将光伏发电系统与建筑物结合的时候应该 为太阳能电池选择较大的面积，充分利用建筑物的表面积将尽可能多的太阳能转换为电能。 2.2 光伏发电系统设计步骤 在确定系统采用不带蓄电池的逆潮流并网型发电系统前提下，系统设计中主要包含的设计内容为：负 荷要求与特性、太阳能阵列的安装角度、逆变器的类型和规模等。 2.2.1 负荷要求与特性 光伏建筑一体化设计的首要步骤为光伏发电系统的规模。系统规模主要受负载负荷量、每天用电小时 数、正常工作电压和经济性等因素限制。负载性质主要分为以下几种：阻性负载如白炽灯、电热器节能 灯；感性负载如电动机、冰箱；电力电子类负载如荧光灯、计算机、电视机。民用建筑的负荷主要为 220V 单相交流电压。确定建筑物的主要负荷可以更合理的光伏发电电量。由于并网型逆潮流发电系统可以将多 余的电量并进电网，所以在考虑光伏发电系统规模时另一个主要因素为经济性，系统经济性主要考虑系统 设备的成本和后期维护费用。 以某办公楼用电量为例进行说明，图 7 给出办公楼每日用电与太阳能发电系统曲线对比。由图 7 可以看 - 13 - /eea 出，办公楼的电量消耗量与光伏发电系统的趋势大概一致，建筑物设备每天用电量最大的时段与光伏发电 电量最大值时间基本契合，可以保证光伏发电量可以更合理使用。另外，在确定光伏发电系统的容量时还 应考虑线路损耗和由于尘埃和太阳能电池板损坏造成的供电电能减少的部分容量，一般考虑系统损耗为负 载容量的 20%28%。 另外，为尽可能减少电能的损耗，光伏发电系统的原则是自发自用。 图 7 办公楼 24 小时用电与太阳能发电量对比曲线 2.2.2 光伏阵列规模 光伏发电系统阵列的规模主要由以下三个因素确定： 太阳能组件选型：太阳能组件的选型基于各厂家提供的产品。太阳能电池性能、尺寸和价格是在选择 太阳能组件需要考虑的。作为与建筑物一体的光伏建筑一体化系统，光伏太阳能组件不仅作为能量转换的 设备，它也是建筑物的一部分，还需考虑美观性、防水防潮性能、足够的抗风强度性能、透光性和隔热保 温性能。 太阳能组件的组合方式：太阳能电池根据所产生的电能决定其阵列排列方式。标称电压为 12V 太阳能 组件为最常用的组件方式。太阳能电池组件可以通过串联或者并联方式组合在一起，使其功率应满足系统 负荷的要求，太阳能电池的串并联方式应满足太阳能电池的输出电压在逆变器输入电压范围内。 太阳能组件的定位:为最大限度的采集太阳能，设置于屋顶的太阳能电池组件一般需要设计成倾斜或者 根据太阳日射角度变化的结构。由于太阳能日射角度与纬度相关，所以设计太阳能电池组件设计为其倾斜 角度为纬度的 15 。光伏建筑一体化是要求充分利用建筑物表面最大限度的收集太阳能。一般光伏太阳能组 件设计为东西走向，下表 1 给出方阵斜角与纬度的对应关系。 表 1方阵斜角与纬度关系 纬度 015 1525 2530 3035 3540 40 方阵斜 角 15 +5 +10 +15 +20 2.2.3 并网逆变器 并网逆变器根据其产生波形类型分为方波、修正正弦波和正弦波，方波逆变器具有结构简单，成本低 - 14 - /eea 等优点，但也存在效率较低，损耗多，谐波成分大，使用负载受限制等缺点，一般不用于民用建筑电气设 计中；修正正弦波它能够满足大部分用电设备的需求存在 20% 的谐波失真，会污染电网电力质量，不适合 逆潮流并网系统；正弦波输出波形好，失真度很低，且其输出波形与市电电网的交流电波形基本一致，实 际上优良的正弦波逆变器提供的交流电比电网的质量更高，适用于逆潮流并网型光伏发电系统。 逆变器输出电能质量： 效率 :最大效率不低于 94%。 功率因数(PF)：当逆变器的输出大于其额定输出的 20%，平均功率因数不应低于 0.85（超前或滞后）。 当逆变器的输出大于其额定输出的 50%，平均功率因数不应低于 0.95（超前或滞后）。 工作电压逆变器交流输出端单相电压的允许偏差为额定电压的-15%到 +10% ，三相电压的允许偏差为 额定电压-10%到 +10% ，逆变器输出端电压的频率允许为 49.5Hz 到 50.5Hz。 3 光伏建筑一体化附属设备 光伏建筑一体化设计中还有许多附属设备，这些设备虽然不是系统参与转换电能的主要设备，但是在 整个系统中确发挥着重要作用，直接影响整个系统的使用寿命。 1.负荷开关与熔断器：在太阳能电池组件和控制器之间需要设熔断器和负荷开关，实现短路保护和接地 故障时的过电流保护，太阳能组件与控制器之间的熔断器为组件短路电流的 1.25 倍。 2.测量设备：测量设备可以检测输出电量的电压和电流值、太阳能电池组件的环境温度和日照强度。环 境和太阳能电池板本身的质量对整个系统的质量都有较大影响，通过测量设备检测整个系统在正常工作时 的数据可以实时监测整个系统的工作情况。 3.防雷与接地：光伏发电系统的太阳能电池板和建筑构件都易引入雷电波，所以光伏发电系统的金属构 件都应与接闪器可靠连接，在每路直流输入主回路中都应设浪涌保护器，分散设于直流配电箱内。在并网 接入的交流配电箱内设避雷元件，以防护从低压配电侧侵入的雷电波和浪涌。 4 总结 光伏建筑一体化充分利用了太阳能的稳定性、广泛性、无污染和储量大的特点，但仍有许多弊端限制 了光伏发电系统的应用。 1.尽管目前太阳能电池可以大批量生产，但其生产成本仍比较高，后期维护费用也比较高，可以达到每 瓦 100 元的成本 2.光伏发电系统受自然环境的影响比较大，所以系统产生的电能与传统电能相比稳定性比较差。 3.系统输出的电量受日照角度、温度、还有设备本身因素的影响。测量设备需要测量较多的数据才能维 持电能输出的稳定性。 尽管光伏建筑一体化还没有被广泛地应用，但相信不久的将来，光伏系统的弊端会逐渐克服，光伏建 筑一体化会成为建筑电气设计的发展趋势。 REFERENCES 1 iea-pvps, Trends in photovoltaic applications survey report of selected iea countries. 2 Morgand. Bazilian, Frederik Leenders,B.G.C.Van Der Ree, Solar Energy, “Photovoltaic cogeneration in the built environment”, 2001,71(1):57-69 3 C.Roecker. “N