分布式光伏發(fā)電設(shè)計(jì)及安裝

國電南京自動(dòng)化股份有限公司 ■ 陳清 林沖 古濤 趙永彬

0 引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)因具有安裝簡便，使用過程中無污染、無噪音、易于與建筑結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，已在日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家得到產(chǎn)業(yè)化的推廣應(yīng)用。

分布式發(fā)電是指在用戶所在場地或附近建設(shè)安裝，運(yùn)行方式以用戶端自發(fā)自用為主、多余電量上網(wǎng)，且在配電網(wǎng)系統(tǒng)以平衡調(diào)節(jié)為特征的發(fā)電設(shè)施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯(lián)供設(shè)施[1]。

近年來，我國的光伏產(chǎn)業(yè)也得到了長足的發(fā)展，民用建筑工程中，利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)正成為建筑節(jié)能的新趨勢。新建建筑項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)建筑使用功能，對項(xiàng)目投入使用后8:00～20:00分時(shí)段用電負(fù)荷情況進(jìn)行預(yù)測分析；既有建筑項(xiàng)目應(yīng)統(tǒng)計(jì)和分析項(xiàng)目最近一年8:00～20:00分時(shí)段用電負(fù)荷。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)日/季發(fā)電量與建筑用電高峰時(shí)段一致。

在建筑上安裝光伏系統(tǒng)，并通過專門設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結(jié)合，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和安裝連接方式。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)原地發(fā)電、原地使用，不但節(jié)約了電站輸送電網(wǎng)的投資，而且還大幅降低了輸電和分電的損耗；安裝在屋頂和墻壁等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的光伏陣列，在吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，還極大降低了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與建筑的完美結(jié)合。

1 分布式光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)及安裝

1.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化原則

1)認(rèn)真研究項(xiàng)目建設(shè)的條件，通過多方案比較，確定較為合理的技術(shù)方案。

2)分析選址資源情況。

3)合理布置太陽電池方陣。

4)陰影遮擋的計(jì)算。注意組件的遮擋和通風(fēng)問題。溫度升高將減少發(fā)電量，當(dāng)光伏組件吸收光照轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，電池板自身溫度急劇升高，如果不考慮良好的通風(fēng)散熱，會(huì)直接影響電池板的轉(zhuǎn)化率。圖1為組件輸出功率與溫度曲線圖。

圖1 組件輸出功率與溫度曲線圖

5)減少系統(tǒng)的安裝時(shí)間；減少系統(tǒng)的安裝材料；減少系統(tǒng)連線，降低線損。

6)電纜布線最優(yōu)化(設(shè)備選型：針對直流側(cè)系統(tǒng)的連線)。

7)選用防紫外線電纜；盡量短的連線；近處匯流。

8)高效的逆變器是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證，選擇多路MPPT并網(wǎng)逆變器。

9)系統(tǒng)就近并網(wǎng)發(fā)電，電能就地消納。

10)設(shè)計(jì)應(yīng)以不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命為基本原則。

1.2 發(fā)電量影響因素

影響光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵因素主要是系統(tǒng)效率，需考慮的主要因素有：灰塵及雨雪遮擋引起的效率降低、溫度引起的效率降低、逆變器的功率損耗、變壓器的功率損耗、光伏組件串并聯(lián)不匹配產(chǎn)生的效率降低、光伏組件的傾角、交直流部分線纜功率損耗以及其他損失，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。

對于某一具體位置的建筑來說，為獲得更多輻射量，光伏方陣的布置應(yīng)盡可能朝向太陽光入射的方向，如建筑的南面、西南面、東南面等[2]。

1.3 分布式光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)(以BIPV為例)

分布式光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)應(yīng)從建筑設(shè)計(jì)入手。首先，對建筑物所處的地理氣候條件及太陽能的資源情況進(jìn)行分析，這是決定是否選用BIPV的先決條件；其次，需考慮建筑物的周邊環(huán)境條件，是否適合建設(shè)分布式發(fā)電；第三，與建筑物的外裝飾協(xié)調(diào)，分布式電站特別是BIPV會(huì)使建筑更富生機(jī)，環(huán)保綠色的設(shè)計(jì)理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合，如圖2所示；第四，考慮組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。

圖2 光伏建筑一體化(BIPV)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含3部分，分別為光伏方陣設(shè)計(jì)、光伏組件設(shè)計(jì)和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在與建筑墻面結(jié)合或集成時(shí)，光伏方陣設(shè)計(jì)一方面要考慮建筑效果，如顏色與板塊大小；另一方面還要考慮其受光條件，如朝向與傾角。光伏組件設(shè)計(jì)涉及到電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置(結(jié)合板塊大小、功率要求、電池片大小進(jìn)行)；組件的裝配設(shè)計(jì)(組件的密封與安裝形式)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)類型(并網(wǎng)系統(tǒng)或獨(dú)立系統(tǒng))確定，電壓等級的確定，控制器、逆變器、蓄電池等的選型，防雷接地、系統(tǒng)綜合布線、設(shè)備安裝等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

1.4 電站安裝順序

分布式光伏電站的安裝順序?yàn)椋悍啪€、驗(yàn)線→混凝土基礎(chǔ)制作→太陽電池支架安裝→組件安裝→線纜連接→方陣調(diào)試→配電設(shè)備安裝→線纜連接→系統(tǒng)調(diào)試、試運(yùn)行→交付驗(yàn)收。

1.5 光伏電站安裝注意事項(xiàng)

由于組件的串聯(lián)數(shù)量多，開路電壓較高，超過了安全電壓范圍，所以必須注意以下事項(xiàng)：

1)為防止高電壓和電流的產(chǎn)生，在連接電纜之前，可先使用一塊不透明材料將組件完全遮蓋，然后再進(jìn)行電纜連接。請勿接觸組件帶電的末端或電線。但是，如果依據(jù)當(dāng)?shù)氐陌踩ㄒ?guī)在操作過程中采取了適當(dāng)保護(hù)，上述要求則不必要。

2)使用經(jīng)許可的絕緣工具。

3)在干燥的條件下進(jìn)行安裝，同時(shí)也確保所使用工具的干燥。

4)組件主要被安裝在戶外，有被雷擊的危險(xiǎn)，接地電纜應(yīng)良好地連接到組件框架。

5)若支撐框架由金屬制作，支撐框架的表面應(yīng)進(jìn)行電鍍處理，使其具有良好的導(dǎo)電性能；接地電纜也應(yīng)良好地連接到金屬材料的支撐框架上。

6)在組件框架的中部有兩個(gè)預(yù)先打好的孔，專門用于安裝接地電纜。

7)組件的接地電阻必須小于4 Ω。

8)光伏幕墻應(yīng)滿足JGJ/T 139-2001《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定；安裝允許偏差應(yīng)滿足GB/T 21086-2007《建筑幕墻》的相關(guān)規(guī)定[3]。

2 光電幕墻典型范例

保定電谷錦江酒店光電幕墻的總安裝面積為4490 m2，系統(tǒng)安裝容量300 kWp，年發(fā)電量2.4萬kWh。

光伏幕墻的發(fā)電原理是利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，但也有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽蝗舨荒苡行鑼?dǎo)產(chǎn)生的熱量，會(huì)使組件溫度增高，發(fā)電效率下降，同時(shí)增加夏季空調(diào)制冷的能耗。

為了提高能源的合理利用率，改善居住環(huán)境的舒適度，酒店5～24層南立面光伏玻璃幕墻采用了雙層幕墻的構(gòu)造形式，即內(nèi)層為隱框玻璃幕墻窗，外層為隱框光伏玻璃幕墻。外層非開啟部位采用光伏夾層玻璃，而內(nèi)層幕墻采用了透明中空防火玻璃。內(nèi)外層之間設(shè)置380 mm的熱通道，幕墻中間層寬度方向可按土建柱距設(shè)置豎向隔斷，形成豎井形通道，相對于整體式循環(huán)系統(tǒng)而言，可減小火災(zāi)發(fā)生時(shí)蔓延的區(qū)域；相對于箱體式、廊道式循環(huán)系統(tǒng)而言，此方式可形成較大熱動(dòng)力，利于通道內(nèi)熱空氣盡快排出。在幕墻底部設(shè)置進(jìn)氣口，在頂部設(shè)置出氣口，利用煙囪效應(yīng)，形成熱通道。熱壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)，即室外較冷的空氣從幕墻底部進(jìn)來，從頂部排出，帶走雙層幕墻中間通道內(nèi)的熱空氣，以降低組件溫度升高的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 光電玻璃幕墻封頂位置縱向節(jié)點(diǎn)圖

圖4 光電玻璃幕墻開啟扇位置縱向節(jié)點(diǎn)圖

熱壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)，是由熱壓差驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。而要產(chǎn)生熱壓差必須有熱源起作用，熱壓自然通風(fēng)一般產(chǎn)生于熱通道內(nèi)部，熱源加熱通道內(nèi)部的空氣進(jìn)而產(chǎn)生熱壓。為了進(jìn)行定性研究建立了簡化模型，在Gambit軟件中進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入到Fluent 6.3 軟件中設(shè)置邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：夏季在熱壓作用下，通道內(nèi)空氣上升，入口風(fēng)速為0.6 m/s，出口速度約達(dá)1.1 m/s，能有效帶走熱量(出口熱流量為219 W/m2)，通道內(nèi)的溫度及內(nèi)層玻璃表面溫度相比通道空氣不流動(dòng)的情況有明顯降幅(可達(dá)6～8 ℃)，具有通風(fēng)散熱效果，對光伏組件的工作溫度有較好調(diào)節(jié)作用。

雙層幕墻對于建筑節(jié)能也起到較好的調(diào)節(jié)作用。光伏組件夏季工作時(shí)，打開底部及頂部的通風(fēng)百葉，溫度升高的外層玻璃對建筑內(nèi)表面與外層幕墻形成的通道(類似于雙層幕墻通道)進(jìn)行加熱，內(nèi)通道空氣由于熱壓效應(yīng)而上升，進(jìn)而在通道內(nèi)形成空氣流動(dòng)帶走熱量，減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量，起到節(jié)能的效果，此種通風(fēng)方式屬于自然通風(fēng)范疇，為熱壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)。相反，冬季工作時(shí)，通過關(guān)閉底部的通風(fēng)百葉，形成封閉空腔，太陽輻射及外層玻璃加熱封閉空腔，進(jìn)而對建筑起保暖作用。

3 結(jié)論與討論

在建筑上安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)及安裝過程中要特別注重結(jié)構(gòu)安全、施工安全；并通過專門設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結(jié)合，分布式光伏發(fā)電大多就地消納，通過優(yōu)化分布式光伏電源布局，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)容量，可減少配電網(wǎng)的功率輸送。設(shè)計(jì)過程中要充分考慮組件背板溫度升高將減少發(fā)電量，當(dāng)光伏組件吸收光照轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，電池板自身溫度急劇升高，如果不考慮良好的通風(fēng)散熱，不但會(huì)直接影響電池板的轉(zhuǎn)化率，而且電池板背面的高溫也會(huì)直接影響建筑物室內(nèi)的環(huán)境溫度。

[1] 發(fā)展改革委. 國家發(fā)改委關(guān)于印發(fā)《分布式發(fā)電管理暫行辦法》的通知[EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201308/t20130813_553449.html, 2013.

[2] 郭家寶, 汪毅, 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[M] .北京: 中國電力出版社, 2014.

[3] DGJ 32/J87-2009, 太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].