新能源光伏发电助力建筑电气节能减排探讨

2024-06-10李加方

工程建设与设计 2024年8期

李加方

（中铁十四局集团电气化工程有限公司，济南 250000）

1 新能源光伏发电概述

1.1 新能源光伏发电技术原理

新能源光伏发电技术依托太阳能光伏组件、逆变器、变压器、汇流箱等元器件与设备设施将太阳能转化为电能，其基本工作原理为半导体的光电效应。新能源光伏发电技术在应用过程中，利用光伏发电监控系统与功率监测系统动态监测太阳能转化为电能的稳定性与可靠性，利用并离网运行模式高效关联局部光伏发电的微电网与主网，有效补充主网电能与用电系统的用电量[1]。具体做法为，利用光伏组串将太阳能转换为高压直流电，经逆变器逆变后输出为与主网同频同相正弦交流电，或可直接作为电气设备用电，或可直接向主网输送。在并离网运行模式下，当新能源光伏发电量无法满足局部区域用电需求时，主网可将同频同相正弦交流电流输送至用电设备端进行供电；当新能源光伏发电量超出局部区域用电需求时，可将多余电能输送至主网，有效补充主网电能。

1.2 新能源光伏发电相关构成

新能源光伏发电系统由光伏组件、逆变器、支架、并网箱、交直流线缆等元器件或辅材构成，其中，光伏发电组件是新能源光伏发电系统的核心部件，固定在太阳辐射可直射区域，利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能，再利用直流电缆将方阵产生的电流输送至逆变器中进行逆变，并将逆变后的正弦交流电输送至主网中。

1.2.1 光伏发电组件

光伏发电组件由光伏电池、背板、玻璃、铝框架、线缆、连接器、胶封材料等元器件或材料构成，其中，光伏电池用于将太阳辐射能转化为电能，电池组件性能直接影响太阳能转换率。当前，常见的光伏电池类型有薄膜、单晶硅、多晶硅等。不同类型的光伏电池优缺点不同，如晶硅光伏电池的太阳能转换率较高，电能转换性能稳定；薄膜类光伏电池的太阳能转换率相对较低，弱电响应能力强，光伏系统搭建成本较低。背板布设于光伏电池背面，可有效隔绝空气中的水分与电气，以免光伏电池的转换功能与性能受到不利环境因素波及。玻璃布设于光伏发电组件面向太阳辐射的一面，以良好的机械强度与透明性保证光伏发电组件的安全性。连接器主要用于关联光伏发电组件与电池箱，确保电气正常连接。线缆作为并离网工作模式的重要辅材，用于连接光伏发电组件与用电设备或主网，实现光伏发电组件转换电能至用电设备或主网的有效传输。

1.2.2 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器用于将光伏发电组件转换得到的直流电逆变为交流电，确保交流电与主网同频、同相，有效补充主网电能。当主网出现断电情形时，光伏并网逆变器因过载而自动保护，将新能源光伏发电微电网与主网快速断开，逆变器单独运行为用电负载供电；当新能源光伏发电微电网所提供的功率无法满足用电设备的高负载要求时，则光伏发电组件阵列端电压降低，逆变器输出的交流电压降低，主网电能将通过连接器及时补充，满足负载的用电要求。

综上，光伏并网逆变器具有并网输送交流电、离网向用电设备供电、自动调整电压、低压保护、故障保护、功率自动控制等功能。当前，常用的光伏并网逆变器包括组串式逆变器、集中式逆变器，其中，集中式逆变器是将直流电汇总逆变为交流电后升压并网，电网调节性较好，组建配置灵活度不高；组串式逆变器是将直流电直接逆变为交流电后升压并网，安装灵活、发电率较高，但发电监控难、故障率高、稳定性差。因此，在选择光伏并网逆变器时，应综合考虑不同类别的建造成本、维护便利性、发电率、配置灵活度等，因地制宜地保证光伏组件转换直流电的逆变性能。

1.2.3 光伏发电监控系统

光伏发电监控系统用于对光伏发电的各类组件设备进行实时监测与控制，监测对象包括光伏发电组件、光伏并网逆变器、汇流箱等，利用传感器动态采集组件设备的工作参数，反演其工作状态，以便新能源光伏发电系统运维人员实时掌握系统运行情况，提前发现系统运行故障，提高故障预警率与修复率。此外，利用新能源光伏发电控制系统对电量进行动态调节，合理调度与控制电量，配合光伏并网逆变器实现用电设备供电、蓄电池存储与主网对接输出。

2 新能源光伏发电助力建筑电气节能减排的优势

2.1 提升能源使用效果

将新能源光伏发电系统应用于建筑电气节能减排中，可以充分引入太阳能这类清洁能源，将其转化为电能，提高新能源在建筑电气工程投运中的能源占比，减少不可再生资源的利用。同时，新能源光伏发电系统通常就地安装、原地使用，在建筑屋面或周边空旷区域布设多晶硅光伏组件、逆变器、支架、并网箱、交直流线等元件设备，有效避免了电能资源在长距离运输中产生的线路损耗。此外，建筑电气节能减排时，多将新能源光伏发电系统安装部署在建筑屋面，不仅可直接吸收太阳辐射，将其转化为电能，还可帮助建筑有效遮挡太阳直射，减缓屋顶升温过程，从而间接降低建筑内的温度，减少空调用电负荷，提高空调使用效果[2]。

2.2 安全性高、污染小

新能源光伏发电系统利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能，电能的产生无须消耗不可再生的化石能源，也不会产生有害气体、固体废弃物等，造成污染大气环境、土壤环境与水环境。同时，相较于变电站、配电站等主网设备站点而言，新能源光伏发电系统的建设难度较低、组建配置灵活度较高、施工安全性较高。新能源光伏发电系统技术相对成熟，运行安全系数较高，将新能源光伏发电系统应用到建筑电气节能中，可以减少建筑电气安全隐患。

2.3 供电可靠

新能源光伏发电系统应用在建筑电气节能中，依托建筑的主体结构、围护结构、附属设施等布设光伏发电系统，利用建材产品打造建筑、光伏发电一体化建设项目，可提高光伏发电系统的可靠性。如利用光伏建材作为建筑屋面的施工材料，将新能源光伏发电系统嵌入建筑工程中，提高了建筑工程与光伏发电系统的一体化建设水平。同时，利用光伏并网逆变器将直流电逆变转换为交流电，交流电功率充足时可稳定供应负载用电，并将剩余电能输送至主网；交流电功率不足时，逆变器端的电压较低，主网将电能资源输送至负载端，满足负载用电需求。因此，新能源光伏发电系统可以充分发挥分布式电能资源的效用，为建筑内电气设备的稳定供电提供保障。

2.4 占地面积小

新能源光伏发电系统多分布在建筑的主体结构、围护结构、附属设施等部位，对建筑的计容面积影响不大，也不会扩大实际占地面积，可以有效节约土地资源，在不增加城市土地利用压力的前提下，为建筑电气工程提供安全、可靠、稳定的电力资源。

2.5 运营成本低

相较于电网各类配电工程，新能源光伏发电系统的施工内容简单、工期较短，投入成本较低，多晶硅光伏发电组件等技术与元器件相对成熟，故障率较低，运营维护较为便利。因此，新能源光伏发电系统的投资回报周期短，各类元器件的使用寿命较长，可较好地满足建筑电气工程长期、稳定、低成本的供电需求。

3 新能源光伏发电助力建筑电气节能减排的具体措施

3.1 建筑电气设计中嵌入新能源光伏发电

建筑电气设计时，需结合建筑实际使用需要，估算电气负荷，设计照明系统、配电系统、电气维护系统，科学选择高效节能的电气设备，并根据建筑功能空间布局与电气设备布置，合理布置电气系统配线。为强化新能源光伏发电在建筑电气节能减排中的应用效果，应在建筑电气设计阶段，乃至建筑工程设计阶段，融合新能源光伏发电系统设计，如在建筑工程设计时，考虑将新能源光伏发电系统安装布设在屋面或立面，选用光伏建材作为建筑屋顶材料或立面材料等；在建筑电气设计时，根据建筑的电气负荷选用适宜的光伏发电组件，光伏发电系统的连接器布设应根据建筑电气设计方案中的配线布设方案合理设计等。通过在建筑电气设计中融入新能源光伏发电，可以提高建筑与光伏发电一体化设计与建设水平，有效降低新能源光伏发电系统建设成本，提升建筑电气节能减排成效。

3.2 新能源光伏发电系统并离网灵活调度

在不同强度的太阳辐射条件下，新能源光伏发电系统的输出功率不同，将新能源光伏发电系统引入建筑电气工程中，利用并离网工作模式灵活调度新能源光伏发电系统的电能输出情况，可切实提高光伏发电系统的发电效率，保证建筑节能减排成效。具体做法为，当太阳辐射强度较大时，利用新能源光伏发电系统向建筑电气设备供电，并将多余的电能输送至超级电容器、钠离子电池等蓄电系统中进行存储或输送至主网；当太阳辐射强度较低时，利用蓄电系统为建筑电气设备供电，实现新能源光伏发电系统输出电能的最大化利用[3]。

3.3 建筑电气设备设施节能运行

引入新能源光伏发电系统，可以提高建筑电气设备设施对能源的利用率，以及建筑节能减排的成效。例如，在建筑电气工程的照明系统中采用智能感应灯，利用光感或声感控制照明设备的工作参数，确保照明设备在建筑室内光线较暗或室内有声音的情况下开启，合理利用新能源光伏发电系统产生的电能资源，以光伏发电与建筑电气节能系统的协同运作，提高建筑电气节能减排效果。

3.4 注意事项

新能源光伏发电系统助力建筑电气节能减排时，对建筑电气设计方案中的电气负荷、配线布设、电气设备布置、继电保护措施等做好充分对接，确保建筑电气的电能供应正常且稳定。建筑工程设计与施工时，应做好新能源光伏发电系统安装的预留、预埋工作，以前瞻性视角推进光伏模块与建筑电气一体化建设，提高新能源光伏发电系统与建筑结构、电气设计方案的吻合度与适配性。