浅谈太阳能光伏建筑一体化系统

苟勇

摘 要：太阳能光伏发电是当今世界最有发展前景的新能源技术之一，是可再生能源和新能源的重要组成部分，太阳能光伏建筑一体集成技术就是将光伏组件取代建筑原来的外围结构，或者在建筑的外表结构铺设光伏组件，通过这些位于建筑外面的光伏组件将太阳能转换为电能，进而为建筑提供高效清洁的能源，减少传统建筑的能源供给本文重点阐述了太阳能光伏建筑一体化系统的主要结构和各部分功能。

关键词：太阳能；发电；光伏电池

中图分类号：TK511 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0132-02

1 光伏太阳能发电基本原理

太阳能电池，也称光伏电池是光伏太阳能发电的能量转换器，其基本的工作原理是：太阳能光子能量被太阳能电池吸收后，太阳能电池中的半导体会有空穴—电子对产生，也就是光生载流子，空穴带正电，电子带负电，两者的电性是相反的，在光伏电池半导体N-P节的静电场作用下，光生载流子空穴和光生载流子分别被太阳能电池的负极和正极所收集，空穴、电子的定向运动产生电流，也就有了电能，借助一定的装置，这些电能就能够被使用。

2 太阳能光伏建筑一体化系统

太阳能光伏建筑一体集成技术就是将光伏组件取代建筑原来的外围结构，或者在建筑的外表结构铺设光伏组件，通过这些位于建筑外面的光伏组件将太阳能转换为电能，进而为建筑提供高效清洁的能源，减少传统建筑的能源供给。根据光伏组件分布的位置，太阳能光伏建筑一体集成系统主要分为：太阳能光伏屋顶一体集成系统、太阳能光伏遮阳板一体集成系统、太阳能光伏幕墙一体集成系统等等，目前应用最为广泛的是太阳能光伏屋顶一体集成系统，太阳能光伏幕墙一体集成系统和太阳能光伏遮阳板一体集成系统当前发展也非常的迅速。

太阳能光伏建筑一体集成系统的发电方式一般是使用联网光伏系统，太阳能光伏幕墙或者太阳能光伏屋顶产生的直流电不是被直接使用，而是借助逆变器将直流电转换为交流电，交流电被送到公共电网，用户要用电时再到电网购买。和独立的太阳能光伏系统相比，联网光伏系统具有运行维护费用少、前期投资小优点，此外联网太阳能光伏系统不需要蓄电池，减少了由于使用蓄电池而给环境带来的污染。联网太阳能光伏系统真正做到了随发随用，大大缩短了投资回收期，最大程度使用电能。联网太阳能光伏系统需要得到地方电网企业的协助配合，对逆变控制器和电网质量都有非常高的要求，因此如果需要采用联网太阳能光伏系统，就必须先对政策、经济以及技术进行详尽的可行性分析。联网太阳能光伏系统主要是由太阳能电池方阵、控制器和联网逆变器组成，具体结构如图1所示。

2.1 太阳能电池方阵

太阳能电池方阵可以将太阳能转换为电能，是联网太阳能光伏的主要部件。依据联网逆变器对输入电压的要求，构成太阳电池方阵的晶体硅太阳能组件通过并联、串联固定在支架上，为了便于安装，太阳能光伏电池方阵一般都是固定在屋顶的支架上，如果在新建建筑、住宅时就考虑安装联网太阳能光伏系统，可以提前预埋好螺栓，提交设置好安装角度和安装朝向，在实际安装时就会方便很多。

光伏与建筑的结合，主要设计两个方面的结合，一个是光伏系统与建筑的结合，另一个方面是光伏组件与建筑的结合：（1）光伏系统与建筑的结合，光伏系统与建筑的结合是光伏与建筑结合的初级目标，是将建筑屋顶的现成的平板式太阳能光伏组件的输出经控制器、逆变器连到电网，电网与光伏系统并联向用户供电，不足电力时向电网取用，多余电力时反馈给电力电网。（2）光伏组件与建筑的结合，光伏组件与建筑的结合是光伏与建筑结合的进一步目标，就是要将建筑材料与光伏器件集成化。在没有和光伏组件相结合前，一般都会使用瓷板、马赛克、涂料以及玻璃等材料作為建筑的外墙，主要起到装饰和保护的作用。如果与光伏结合，可以将光伏组件做成向阳外墙、屋顶、窗户以及遮阳板等，这样一方面可以起到传统意义上的保护和装饰作用，另一方面又可以发电，一物多用、一举两得，降低光伏系统造价，减少发电成本。一物多用的光伏组件器件必须具有传统建筑材料所具有的电气绝缘、隔热保温、防水防潮、防火阻燃、抗风耐寒等特点，具有一定的刚度与强度且不易破碎，此外还要美观大方、长寿命、安全可靠以及便于施工等特点。如果是用光伏组件做成窗户，还需要能透光。在政府大力资助下，德国、美国以及日本等发达国家经过多年的科研攻关，目前已经研制成功很多建筑材料与光伏器件结合集成的产品，有的处于示范试验阶段，有的已经在工程上成功应用，这类新研制的产品有：半透明和透明光伏组件；双层玻璃超大尺寸光伏幕墙，隔音隔热外墙光伏构件，无边框大尺寸双层玻璃层面光伏构件，不同形状、不同颜色、不同排列的光伏电池构件，柔性墙体和屋面光伏构件等。

2.2 太阳能光伏联网逆变器

2.2.1 联网逆变器的主要功能

太阳能光伏联网系统的关键技术和核心部件之一是联网逆变器，和独立的逆变器相比，太阳能光伏联网逆变器一方面可以将太阳能光伏电池产生的直流电转化为电力电网上的交流电，另一方面还可以对交流电的电压、频率、相位、电流、无功和有功、电能品质以及同步等实施控制，其具体的功能有：

（1）跟踪控制最大功率点。太阳能光伏电池组输出电压和电流会跟随太阳照度和太阳能光伏电池表面温度变化，通过跟踪这一变化，并实施控制，确保电池方阵处于最大功率输出，最大程度上利用光能。

（2）自动启动和关停。在白天日照时，根据日照条件，挖掘太阳能光伏电池组的转换潜能，实现太阳能光伏联网系统的自动启动和关停。

（3）谨防独立运行。如果光伏系统所在地出现突然停电，逆变器输出电力和负荷电力又相同，此时逆变器输出电压不会有什么变化，很难探测到停电，此时太阳能光伏系统还是有可能继续向当地的电网供电，出现光伏系统独立运行，这种情况对于电网的检修人员来说，是非常危险的。为了避免出现事故，联网逆变器必须有防止独立运行的功能。

（4）电压自动稳定。当有电能剩余时，太阳能光伏系统向当地的电网逆流供电，此时很容易导致太阳能光伏系统与电网的连接处的电压突然上升，进而超过商用电网对电压的要求，因此逆变器必须有电压自动稳定的功能，以便保证当地电网的正常运行。

（5）自我修复功能。当逆变器或者所在电网发生故障时，逆变器要能够及时发现，并实施自我修复，修复不了的，要实施自动关停。

2.2.2 光伏联网中逆变器的组成

联网保护器和逆变器是联网逆变器的两个主要组成部分，具体如图2所示。逆变器主要由三个部分组成，第一个部分是逆变部分，其功能是将直流转换为交流，这主要是通过大功率晶体管的高速关闭导通来实现；第二部分是电子控制部分，该部分实现对逆变的控制，主要由电子回路构成；第三部分是保护部分，当逆变器出现故障时，该部分起到安全保护的作用，主要也是由电子回路构成。

联网保护器有些是单独设置，但一般都是装在逆变器中，是一种安全装置，当发生电网欠压、电网电压频率变化大以及电网停电等情况时，联网保护器可以及时监测，并及时关停逆变器，尽快将电网与光伏系统断开，确保安全。

参考文献

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[3]丁明，王伟胜.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014（01）.