分布式光伏发电设计及安装

国电南京自动化股份有限公司 ■ 陈清 林冲 古涛 赵永彬

0 引言

太阳能光伏发电系统因具有安装简便，使用过程中无污染、无噪音、易于与建筑结合等优点，已在日本、德国、美国等发达国家得到产业化的推广应用。

分布式发电是指在用户所在场地或附近建设安装，运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网，且在配电网系统以平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施[1]。

近年来，我国的光伏产业也得到了长足的发展，民用建筑工程中，利用太阳能光伏发电技术正成为建筑节能的新趋势。新建建筑项目应根据建筑使用功能，对项目投入使用后8:00～20:00分时段用电负荷情况进行预测分析；既有建筑项目应统计和分析项目最近一年8:00～20:00分时段用电负荷。经研究发现，建筑光伏发电系统日/季发电量与建筑用电高峰时段一致。

在建筑上安装光伏系统，并通过专门设计实现光伏系统与建筑的良好结合，应综合考虑结构安全性和安装连接方式。

分布式光伏发电系统原地发电、原地使用，不但节约了电站输送电网的投资，而且还大幅降低了输电和分电的损耗；安装在屋顶和墙壁等外围护结构的光伏阵列，在吸收太阳能转化为电能的同时，还极大降低了建筑外围护结构表面的综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，在这个基础上实现与建筑的完美结合。

1 分布式光伏发电站设计及安装

1.1 设计优化原则

1)认真研究项目建设的条件，通过多方案比较，确定较为合理的技术方案。

2)分析选址资源情况。

3)合理布置太阳电池方阵。

4)阴影遮挡的计算。注意组件的遮挡和通风问题。温度升高将减少发电量，当光伏组件吸收光照转化为电能时，电池板自身温度急剧升高，如果不考虑良好的通风散热，会直接影响电池板的转化率。图1为组件输出功率与温度曲线图。

图1 组件输出功率与温度曲线图

5)减少系统的安装时间；减少系统的安装材料；减少系统连线，降低线损。

6)电缆布线最优化(设备选型：针对直流侧系统的连线)。

7)选用防紫外线电缆；尽量短的连线；近处汇流。

8)高效的逆变器是系统稳定运行的保证，选择多路MPPT并网逆变器。

9)系统就近并网发电，电能就地消纳。

10)设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则。

1.2 发电量影响因素

影响光伏电站发电量的关键因素主要是系统效率，需考虑的主要因素有：灰尘及雨雪遮挡引起的效率降低、温度引起的效率降低、逆变器的功率损耗、变压器的功率损耗、光伏组件串并联不匹配产生的效率降低、光伏组件的倾角、交直流部分线缆功率损耗以及其他损失，设计过程中应充分考虑影响系统效率的关键因素。

对于某一具体位置的建筑来说，为获得更多辐射量，光伏方阵的布置应尽可能朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南面、东南面等[2]。

1.3 分布式光伏发电的设计(以BIPV为例)

分布式光伏发电的设计应从建筑设计入手。首先，对建筑物所处的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用BIPV的先决条件；其次，需考虑建筑物的周边环境条件，是否适合建设分布式发电；第三，与建筑物的外装饰协调，分布式电站特别是BIPV会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合，如图2所示；第四，考虑组件的吸热对建筑热环境的改变。

图2 光伏建筑一体化(BIPV)

分布式光伏发电系统设计包含3部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

在与建筑墙面结合或集成时，光伏方阵设计一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面还要考虑其受光条件，如朝向与倾角。光伏组件设计涉及到电池片的选型(综合考虑外观色彩与发电量)与布置(结合板块大小、功率要求、电池片大小进行)；组件的装配设计(组件的密封与安装形式)。光伏发电系统的设计包括：系统类型(并网系统或独立系统)确定，电压等级的确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷接地、系统综合布线、设备安装等环节设计。

1.4 电站安装顺序

分布式光伏电站的安装顺序为：放线、验线→混凝土基础制作→太阳电池支架安装→组件安装→线缆连接→方阵调试→配电设备安装→线缆连接→系统调试、试运行→交付验收。

1.5 光伏电站安装注意事项

由于组件的串联数量多，开路电压较高，超过了安全电压范围，所以必须注意以下事项：

1)为防止高电压和电流的产生，在连接电缆之前，可先使用一块不透明材料将组件完全遮盖，然后再进行电缆连接。请勿接触组件带电的末端或电线。但是，如果依据当地的安全法规在操作过程中采取了适当保护，上述要求则不必要。

2)使用经许可的绝缘工具。

3)在干燥的条件下进行安装，同时也确保所使用工具的干燥。

4)组件主要被安装在户外，有被雷击的危险，接地电缆应良好地连接到组件框架。

5)若支撑框架由金属制作，支撑框架的表面应进行电镀处理，使其具有良好的导电性能；接地电缆也应良好地连接到金属材料的支撑框架上。

6)在组件框架的中部有两个预先打好的孔，专门用于安装接地电缆。

7)组件的接地电阻必须小于4 Ω。

8)光伏幕墙应满足JGJ/T 139-2001《玻璃幕墙工程质量检验标准》的相关规定；安装允许偏差应满足GB/T 21086-2007《建筑幕墙》的相关规定[3]。

2 光电幕墙典型范例

保定电谷锦江酒店光电幕墙的总安装面积为4490 m2，系统安装容量300 kWp，年发电量2.4万kWh。

光伏幕墙的发电原理是利用光伏组件将太阳能转化为电能，但也有相当一部分转变为热能；若不能有效疏导产生的热量，会使组件温度增高，发电效率下降，同时增加夏季空调制冷的能耗。

为了提高能源的合理利用率，改善居住环境的舒适度，酒店5～24层南立面光伏玻璃幕墙采用了双层幕墙的构造形式，即内层为隐框玻璃幕墙窗，外层为隐框光伏玻璃幕墙。外层非开启部位采用光伏夹层玻璃，而内层幕墙采用了透明中空防火玻璃。内外层之间设置380 mm的热通道，幕墙中间层宽度方向可按土建柱距设置竖向隔断，形成竖井形通道，相对于整体式循环系统而言，可减小火灾发生时蔓延的区域；相对于箱体式、廊道式循环系统而言，此方式可形成较大热动力，利于通道内热空气尽快排出。在幕墙底部设置进气口，在顶部设置出气口，利用烟囱效应，形成热通道。热压驱动自然通风，即室外较冷的空气从幕墙底部进来，从顶部排出，带走双层幕墙中间通道内的热空气，以降低组件温度升高的影响，如图3、图4所示。

图3 光电玻璃幕墙封顶位置纵向节点图

图4 光电玻璃幕墙开启扇位置纵向节点图

热压驱动自然通风，是由热压差驱动力产生的空气流动现象。而要产生热压差必须有热源起作用，热压自然通风一般产生于热通道内部，热源加热通道内部的空气进而产生热压。为了进行定性研究建立了简化模型，在Gambit软件中进行前处理网格划分，然后导入到Fluent 6.3 软件中设置边界条件进行模拟计算。计算结果表明：夏季在热压作用下，通道内空气上升，入口风速为0.6 m/s，出口速度约达1.1 m/s，能有效带走热量(出口热流量为219 W/m2)，通道内的温度及内层玻璃表面温度相比通道空气不流动的情况有明显降幅(可达6～8 ℃)，具有通风散热效果，对光伏组件的工作温度有较好调节作用。

双层幕墙对于建筑节能也起到较好的调节作用。光伏组件夏季工作时，打开底部及顶部的通风百叶，温度升高的外层玻璃对建筑内表面与外层幕墙形成的通道(类似于双层幕墙通道)进行加热，内通道空气由于热压效应而上升，进而在通道内形成空气流动带走热量，减少进入室内的热量，起到节能的效果，此种通风方式属于自然通风范畴，为热压驱动自然通风。相反，冬季工作时，通过关闭底部的通风百叶，形成封闭空腔，太阳辐射及外层玻璃加热封闭空腔，进而对建筑起保暖作用。

3 结论与讨论

在建筑上安装分布式光伏发电系统，设计及安装过程中要特别注重结构安全、施工安全；并通过专门设计，实现光伏系统与建筑的良好结合，分布式光伏发电大多就地消纳，通过优化分布式光伏电源布局，合理设计系统容量，可减少配电网的功率输送。设计过程中要充分考虑组件背板温度升高将减少发电量，当光伏组件吸收光照转化为电能时，电池板自身温度急剧升高，如果不考虑良好的通风散热，不但会直接影响电池板的转化率，而且电池板背面的高温也会直接影响建筑物室内的环境温度。

[1] 发展改革委. 国家发改委关于印发《分布式发电管理暂行办法》的通知[EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201308/t20130813_553449.html, 2013.

[2] 郭家宝, 汪毅, 光伏发电站设计关键技术[M] .北京: 中国电力出版社, 2014.

[3] DGJ 32/J87-2009, 太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程[S].