公共建筑光伏发电系统设计要点及应用

2023-05-17国家能源集团王黎璐

电力设备管理 2023年3期

国家能源集团王黎璐

国能通惠（北京）科技有限公司罗亚东

1 引言

随着我国提出绿色发展的要求，建筑行业的发展核心逐渐转变为低碳、绿色、无污染的趋势，为达到稳定发展目标提供有效途径。光伏发电系统能够把太阳能转化成电能，将其应用在公共建筑中，可以有效缓解各个地区的电力压力。在实际设计公共建筑光伏发电系统设计时，必须掌握设计要点，保证系统的科学性与合理性，发挥出该系统的应用价值。

2 光伏发电系统的简述

光伏发电是利用太阳能的方式，目前该发电方式已经被广泛应用在日照时间较长而且具有大量光照的区域中。光伏发电系统如今已经成为我国生产新能源的一种重要方式。

在光伏发电系统中关键设备为太阳能光伏板，储能设施、逆变器以及配电端属于其相应的配套设施，该发电系统可以把太阳能转化成电能，随后输入供用电端，光伏发电系统的发电流程如图1所示。

图1 光伏发电系统的发电流程

在设计光伏发电系统时，应保证系统能够稳定、高质量运行，为做到该要求，实际设计时应全面考虑输出功率、系统保护、运行安全以及闭网控制、充电系数等方面的参数。太阳能电池能够输出的实际电压、电流大小和负载电阻自身的大小具有重要的关系，选择恰当的电阻值能够让输出电压和电流的乘积处于最高值Pm，以此获得最大的输出功率。将工作电压和电流的最大值称为Um、Im，这时最大功率为Pm=UmIm。填充系数（FF）计算公式如式（1）所示：

3 公共建筑光伏发电系统设计要点

3.1 结合实际情况

在实际设计公共建筑光伏发电系统时，为保证设计质量，应与结构特点和建筑类型等相结合，根据实际情况进行设计，保证光伏发电系统不会给建筑的功能以及安全方面带来影响。首先，研究人员要分析公共建筑当地的气候情况和近几年的太阳能资源情况，为设计光伏发电系统奠定基础。其次，分析建筑本身能够接受日光辐射的情况，如建筑物附近是否存在其他遮挡、建筑能够接受的最长光照时间等。最后，确保和建筑物的外立面处于协调状态，按照其装饰风格，进行相应的设计，保证具有统一性。此外，在处理外立面中的透光区域时，可以优先使用采光顶进行施工，防止给室内采光带来不良影响，将光能收集和自然采光相结合[1]。

在设计和安装光伏组件时，既要充分考虑系统和组件安装给公共建筑结构带来的不良影响，还要从系统组件的稳定性出发，保证系统结构具有极高的安稳性、质量。所以，在设计过程中应对结构进行相应的计算，提前做好风险预估以及风险防范工作，保证后期施工作业时的安全性。

3.2 选择恰当的光伏系统

光伏系统投入生产之后负载供电的方法不同，可以把光伏发电系统分为并网光伏系统、独立光伏系统以及混合光伏系统等，光伏系统的类型以及适用场地见表1。其中并网光伏系统在我国经常被应用在分布式光伏发电建筑项目中，主要原因在于此系统能够把电网当作储存电能的装置，不需要再额外配备电池，能够节省成本，对占地要求较低；而且该系统在雷雨天、强降雨等天气下，能够直接把电网和光伏系统之间的联系切断，确保电网供电具有极高的稳定性和持续性。

表1 光伏系统的类型以及适用场地

在独立光伏系统中，传输给负载的所有电力皆来源于光伏系统，该系统的结构极为简单，部分能够直接给负载提供直流电的系统，对逆变环节的依赖性较高。因此，可以把该系统应用在偏远山区或者周围设施不发达的公共建筑中。

混合光伏系统和其他系统相比具有极高的稳定性和持续性，本系统能够把多种发电方式融入光伏系统中，保证系统在给负载供电时具有稳定性[2]。若是在深夜或阴天时，虽然光伏系统的输出功率相对较小，但其他方式依旧能够持续供电，能够解决传统、单一光伏系统存在的稳定性差、持续力度不足等问题。

4 公共建筑光伏发电系统设计要点的应用——以某商业楼为例

某商业楼属于甲类建筑，为一栋中型商场。整栋楼宇中皆具有中央空气调节系统，为了达到我国对甲类建筑的要求，其在建造期间需要完成65%以上的节能设计目标，以此满足《公共建筑节能设计标准》的需求。因此，结合该商业楼的实际用途和需求发现光伏发电系统不仅具有较高的经济性，具备实用性，因此该建筑选择采用光伏发电系统。

4.1 设计发电系统

公共建筑光伏发电系统和地面光伏发电系统具有较大的差异性，其在设计光伏方阵时需要考虑建筑面积和对采光的实际需求，所以应按照光伏方阵的布置面积、日照情况等，选择恰当的发电功率配套系统，保证所设计出的发电系统能够达到建筑的具体需求。

4.2 设计光伏方阵

现代化的公共建筑对外观装饰以及构造的要求相对较高，在设计光伏方阵时，应按照其外饰以及外形特点进行设计，而且方阵的形状、颜色、板块大小、朝向等皆需要保证和公共建筑的外立面设计保持一致[3]。设计人员为达到该目标在实际设计时需要积极、主动地和建筑单位进行沟通。另外，在实际设计时还需要确定光伏发电系统的实际类型，如并网系统、混合系统等，按照光伏输出功率、光伏系统选型，科学设置逆变器和控制器等。

4.3 选择光伏系统

上文对当前常用的光伏系统进行逐一分析，混合光伏系统、并网光伏系统以及独立光伏系统彼此之间的优缺点，而且适用范围并不完全。该公共建筑在设计选择光伏系统时，为了保证供电的稳定性和安全性，选择采用混合光伏系统，确保经济效益，给予顾客高质量的购物体验。

4.4 选择光伏实施方式

现阶段，在采用的光伏实施方式为光伏采光顶以及光伏幕墙等，光伏实施方式类型与优点见表2。在安装光伏采光顶时不仅需要保证光伏组件安装具有极高的安全性以及防渗漏等，还应该满足室内的采光需求。所以，应用的光伏元件需要具备透光性，通常将透光率保持在11%～14%。

表2 光伏实施方式类型与优点

在实际应用过程中需要把光伏组件和屋面相结合，使用玻璃采光顶、光伏屋面等。在光伏建筑中使用光伏屋面，可以在一定程度上发挥出屋顶空间的作用，还可以优化屋面的透光率，使其产生多种节能降耗的作用。该采光顶的优点是能够和公共建筑相互结合，开发屋顶空间，而且不会影响建筑物外立面的设计艺术。

光伏幕墙是采用光电板代替传统玻璃膜墙，由玻璃构件组成的一种光伏发电系统，其构造方法和传统的玻璃幕墙具有极高的相似性，应用高性能的光电板组件，让光伏幕墙具有较好的遮阳、采光以及保温性能。从功能角度出发能够有效取代玻璃幕墙，能够把光能转化成电能，社会、经济与环境效益极为明显。我国常用的光伏幕墙为半透明幕墙与不透明幕墙。其中，半透明幕墙基本使用非晶硅薄膜电池，主要优点为对衬底材料的要求较低，能够在低温情况下沉积在玻璃衬底中[4]；缺点为对光能的利用效率比较低。不透明幕墙中所用的光电光主要为多晶硅与单晶硅组件，优点为遮阳性能优越以及对光电的转化效率相对较高。因为在使用光伏幕墙时，不仅要达到发电的功能要求，还应满足公共建筑物对采光和造型等方面的需求，为达到该目标，其造价成本相对较高。

从建筑的安全性、稳定性、美观性出发，为达到“增绿降耗”的目的，本商业楼采用光伏采光顶和光伏幕墙结合使用，以此保证经济性。

4.5 设计光伏组件

光伏发电板所使用的材料有效接触面积将会直接决定系统自身的发电功率，为有效提升发电效率，必须与建筑物的朝向和所在地的日照条件等相结合。同时，做好光伏发电系统和建筑结构之间的协同设计，在符合其功能需求的基础上，保证设计具有和谐、统一性以及美观性[5]。在该商业楼中光伏发电系统处于室外，对基础设备的要求性相对较高，在实际设计时还对面板组件、结构支撑系统进行优化。

4.6 设计光伏线路

在光伏发电系统中电路属于其运行基础，该系统是通过若干功能的组件与电子元器件利用电路进行连接，以达到传输电能的目的。在实际设计电路时，应将幕墙组件和屋面组件进行单独设计，随后把独立的光伏组件使用串联的方法进行连接。按照光伏发电系统对整体输出功率的具体要求，将6 个光伏单体串联组成一套完整的光伏组件，其再利用汇流组件形成完善的光伏系统。在光伏系统的电路中串联相应的逆变器，最后接入配电端。在实际电路中控制器与电量表串联，完成对电路的监控控制与电量统计。