论绿色建筑中优化太阳能光伏发电站的方法

陈嘉铭

目前，建筑工程绿色能源的光伏发电技术，已在我国已经取得长足的发展，广泛应用于并网发电、光伏与建筑一体化、混合型发电系统、LED照明光伏供电等诸多领域。为了进一步提高光伏发电技术的普及应用程度，本文基于光伏发电技术应用现状，从光伏发电站的改造和优化角度切入，提出了具体的改造优化方案和建议，以求为光伏发电技术的持续、健康发展提供技术保障。

从能量转换角度分析，光伏发电是将太阳能转换为电能，因此，光伏发电系统的发电效率主要取决于对光能的利用。为了最大程度提高光伏系统的发电效率，在光伏电站的设计布局过程中，应采取必要的优化措施，而本文针对光伏电站优化布局问题进行的一系列研究，将具有非常重要的现实价值。

一、太阳能光伏发电现状

（1）并网发电方面的应用现状：用于并网的光伏发电系统，通常作为电网配电系统的一部分，常见的并网光伏发电系统分为有储能和无储能两大类；

（2）独立光伏发电系统的应用现状：独立光伏发电系统无需并网可直接对外供电，独立光伏发电系统适用于电网布设密度不足的偏远地区，多见于山区、孤岛等特殊区域；

（3）光伏与建筑一体化的应用现状：为了满足多元化的建筑供配电需求，在建筑物采光条件良好的区域布置光伏发电系统，实现光伏发电系统与电网的并联供电，提高了建筑供配电的绿色低碳水平。

二、光伏发电系统的并网设计

光伏发电系统的并网设计内容：系统设计、划分方案、继电保护及电能计量。

1.并网设计方案

在民建中，光伏系统的并网方案主要可以归为三种，如表1所示：

表1 光伏系统并网设计方案

2.电气接线设计

表1中所述方案一、二、三的电气接线设计，可采用如图1、图2、图3所示：

图1 方案一电气接线图

图2 方案二电气接线图

图3 方案三电气接线图

3.电能计量

无光伏发电系统并网时，用户只是消耗电能，此时电能计量是采用单向累计。而并网型光伏系统，如果采用单向计量，很明显不合理。为了解决上网电量、电网电能分别计量的问题，可采用双向电能计量表分别计量。选取两个电表分别计量，电能表1、表2分别对用电量进行收费，见图4：

图4 电能表1, 2接入方式

三、光伏发电站性能优化策略

一座高效可靠的光伏发电站应同时具备供应可靠性和环境适应性两方面的要求，与之对应的则表现为光伏电站的发电量和供电质量两方面。

1.系统发电能力优化策略

系统发电能力的要求包括输出电压、输出频率、噪声及稳定性等。为提升系统发电能力，可以从光伏阵列设计及与光伏阵列与其他设备配合方面进行改造。

（1）阴影遮挡损失优化

①采用二极管旁路并联的方式，能够解决电路的热斑效应问题：光伏组件由单独的光伏电池片联结组成，在联结过程中，同时在电池片两极并联二极管，即便部分电池片被遮挡，电流可经由旁路二极管在电池片两极形成正向偏压，及时切断电池片中的电流，进而保护其它电池片。

②建议调整光伏组件的安装方向，由竖向安装调整为横向安装：同样借助旁路二极管，能够满足光伏组件安装方向的调整要求。根据设计规范，光伏组件间的最小排间距，应以当地早上9点时对应的太阳照射倾角确定，如果部分光伏组件因光照倾角变化而被遮挡，并联的旁路二极管将停止工作，致使光伏组件的输出电压、电流均明显下降，为了解决这一问题，可将光伏组件纵向布置，布置示意如下图5；通过改变布置方式，能够减少底部的组件数量，进而控制光伏组件的总体遮挡率，确保光伏组件在局部被遮挡条件下的输出功率满足要求。通过现场试验发现，改变布置方式后，当遮挡率为40%时，光伏组件的输出功率底限比采用横向安装的方式，提高了6%。

图5 ：组件安装形式优化图

③光伏组件总体布置设计时，除了改变布置方向外，还应加强组件间的连接优化，从而最大程度控制遮挡率：常用的组件连接方式为SP形式，连接示意如图6（A)。受光照不均匀影响，不同组件的遮挡率存在差异，这将造成组件间的功率适配失败，最终影响总体功率输出水平。为了解决该问题，应采取稳压措施，即在光伏组件被遮挡时，可通过调整电流来稳定输出电压，稳压采取TCT或BL的连接形式。其中，TCT模式中，每个组件同其它组件间均为串并联关系，连接示意如图6（B)所示。BL连接法本质上是TCT连接法的改进形式，能够明显减少接线数量，降低电能耗损，连接示意如图6（C)所示。通过试验研究发现，在光线遮挡条件相同的情况下，组件连接方式对输出功率的影响较为明显，通过试验对比发现，采用TCT连接方式对应的输出功率最高，而SP连接方式对应的输出功率则受限明显。

图6 组件SP.TCT.BL连接方式

（2）线路损耗优化策略

电工学基本理论表明，通电线缆铺设形式对线缆上的能量耗损影响明显，为了提高输电效率，在保证上述最大限度避免遮挡后，应尽可能缩短铺设线缆长度。本文提出采用U型串联代替传统的单排串联，改进后的连接示意如下图7。通过试验研究发现，采用U型串联方式，线缆长度减少了50%，线路总能耗大幅下降。

图7 组件U型连接优化

2.系统电能质量优化策略

光伏系统电能质量评价指标主要包括：压差、波动、不平衡度等，考虑到用户端负载多为非线性负载，这种负载模式会影响光伏系统的供电质量，为了解决该问题，本文拟从以下几方面提出优化措施：

（1）关于三相电的不平衡问题解决措施：可将平衡补偿装置安装在光伏供电系统的并网位置，通过平衡补偿以提升电能利用效率，降低下网电量，摊薄用电成本。

（2）提升功率因数：考虑到用电端的非线性特性，容易造成变压器空载或轻载等问题，如果使用普通的电容负载将造成供电功率因数不足的问题。建议将动态无功补偿装置安装于变压器的低压端，通过动态补偿的方式解决空载或轻载问题，确保将供电功率因数维持在合理水平。

（3）负载多阶次谐波优化：受用电端非线性负载特性影响，建议使用有源滤波器解决该问题，有源滤波器能够满足不同阶次谐波的处理需求，同时不受阻抗及频率波动影响，非常适用于光伏发电系统。

（4）光伏供电系统整体优化：为了保障光伏供电系统内各元器件的正常工作条件，系统应配套专用的智能监控设施，用以实时监测供电系统运行情况，且能够对系统故障做到超前预警。

四、改造和优化光伏发电站性能的其它建议

（1）优化设备，降低弱光对光伏发电站效率的影响：在弱光照条件下，电流中的纹波电流占比上升，纹波电流的存在容易影响线路中逆变器的稳定性，故应优化逆变器，增强逆变器在纹波电流条件下的适应性和稳定性，进而保证光伏发电系统的总体效率。

（2）使用高功率逆变升压设备，减少设备和材料的使用量：工程实践经验表明，使用大功率逆变器，能够大幅降低系统供电成本，最大下降幅度超过5%，故在前期成本允许的前提下，建议优先使用大功率逆变器。

（3）使用先进的仿真软件对板阵支承结构进行优化设计：应做好项目总体设计，加强成本控制，优先选用性价比高的光伏板支撑设计方案，采用容许应力法设计，做好后期的支架模型优化，最大程度控制支架成本。

五、结语

综上采取多方面的优化改进措施，是提高光伏发电站工作效率和总体收益的必由之路，本文针对性地提出了二极管旁路并联、调整光伏发电板安装方向、优化光伏阵列间的连接方式、改进光伏组件间的串联形式等措施建议；此外重点聚焦逆变器，提出升级大功率逆变器以对抗光照条件变化对光伏发电站总体效率的影响；加强了对光伏发电板支架的优化设计水平，提出采用容许应力法进行设计，切实控制了光伏发电系统的总成本，为光伏发电站的长期、可持续建设运营提供了坚实保障。