綠色建筑中光伏發電系統發電能力優化分析

盧倩楠

（長安大學，陜西 西安 710064）

0 引 言

光伏發電是可再生清潔能源，也是政策支持的快速發展的基礎設施產業，在全國具備光照條件的地區推廣太陽能發電技術已成為必然[1]。綠色建筑評價標準中對太陽能發電提出明確要求，因此，如何提高綠色建筑中光伏發電系統的適應性能應深入研究。

1 影響光伏發電系統發電能力因素分析

綠色建筑中的光伏發電系統為分布式光伏發電系統，該系統主要由光伏電池組件、控制器、逆變器和蓄電池組組成，系統如圖1所示[2]。光伏電池組件接受太陽光照射產生伏特效應，太陽能由此轉化為電能；控制器來操控整個系統運行進行管理；蓄電池組對盈余電能進行存儲及釋放；光伏組件產生的直流電經逆變器可轉化為交流電，供交流負載使用。欲提高系統的發電能力，主要針對光伏電池組件的設計進行優化即可。

圖1 光伏發電系統組成框圖

在光伏電池組件設計時，首先，應根據光伏建筑類型選擇電池類型；其次，依據建設項目所處地理位置日照條件確定光伏電池板接受光照輻射量，從而確定光伏組件的最佳傾角和最佳排布間距；最后，根據光伏系統容量及具體排布方式確定光伏組件的聯結方式。分析光伏方陣設計過程可知，通過改變光伏組件的排布方式提高光伏電池接收的光照輻射量可提高發電量；通過優化光伏方陣的串并聯方式可以減少線路損耗從而提高發電總量；通過其他控制方式，光輻組件可提升發電效率。

2 提高光伏發電系統發電能力的方法分析

2.1 陰影遮擋損失優化

當光伏組件局部被遮擋，其會被當做負載消耗其他正常工作組件產生的能量。為了將被遮擋的光伏組件與系統之間斷開聯系，可以在光伏電池片兩端并聯二極管，當部分電池片受遮擋時，經并聯的旁路二極管可形成正向偏壓，有效地將共同使用并聯二極管的正常電池片停止工作，如圖2所示。然而該方法也存在弊端，對于10排、每排6片電池的光伏組件，自帶3個旁路二極管，當個別電池片被遮擋會影響與之串聯的所有電池片停止工作，總輸出功率會大幅降低。

圖2 旁路二極管避免熱斑效應

為改善上述弊端，可通過改變光伏組件的安裝排布來實現。多數光伏組件安裝方式是長邊與地面垂直，每個支架布置一排或者兩排組件，而光伏組件的最佳間距是根據上午9時的光照條件計算所得，因此，在一天中必定會有某些時段光伏組件的底端會被遮擋，當底部電池片受遮擋，旁路二極管工作使整個一排光伏組件不工作，使得輸出功率大幅下降。為改善該情況，將光伏組件橫向放置，組件的短邊與地面垂直，則當出現陰影遮擋僅有最底部的電池片停止工作，不會影響上部的光伏組件。將兩排組件均橫向安裝會增加總體安裝長度，將橫向及縱向布置光伏組件綜合利用，形成圖3中最下端的形式，可在充分利用空間的同時保證光伏組件受遮擋時功率損失最小。

圖3 組件安裝形式優化圖

為減少受遮擋電池片造成的功率降低，除改變物理空間上的布置，還可以從改變光伏方陣中組件聯結的形式來減小遮擋產生的影響。常見的光伏組件聯結方式為SP型，如圖4中A所示。該方案中部分組件因遮擋而導致輸出特性變化，造成組串失配，整體輸出功率受影響。欲使光伏組件受遮擋，電流不同時，組串的電壓保持不變，提出TCT模型，如圖4中B所示。TCT模型可使每個光伏組件之間為串并聯關系，當某個光伏組件受遮擋時電流改變流向，使電壓穩定。而TCT模型中電纜增加量大，在此基礎上減少電纜用量即為圖4中C所示。BL模型在TCT模型基礎上減少了電纜的用量，并在一定程度上保持電壓穩定。相較于傳統SP模式，在單個組件受遮擋時，TCT和BL模型單個組件分別有4%和2.5%的功率提升，BL模型總輸出功率可提高22%。

圖4 組件SP.TCT.BL連接方式

2.2 線路損耗優化

在光伏組件進行串并聯及接入發電系統時，電纜連接方式不同對電纜的使用及線纜中電能的損耗會產生一定影響。因此，在保證光伏組串受遮擋時輸出功率影響最低的情況下，應盡可能縮短線纜長度，此處將光伏組件單排串聯改為“U”型串聯，如圖5所示。根據圖5可知，在光伏組串接入匯流箱時，電纜長度可縮短一半。

圖5 組件U型連接優化

光伏匯流箱定位，對于減少線纜使用量及線纜損耗也有一定影響。此時可利用曼哈頓法，以光伏方陣排布位置建立坐標系，以串并聯點坐標為自變量，電纜用量為因變量，計算確定匯流箱坐標位置。確定匯流箱位置后，相應確定逆變器及配電柜位置，此過程應穿插在建筑專業設計過程中間。

2.3 MPPT效率優化

日照強度及角度皆會影響光伏組件的輸出電壓，由光伏組件的伏安特性曲線可知，輸出功率與電流、電壓的變化不大，但根據實際測量，光照條件對光伏組件的電壓影響較大。為改善該狀況，在進行逆變器選型時，光伏組件的最大功率點跟蹤電壓反應應盡可能大，以提升系統的發電量。

3 結 論

綠色建筑中光伏發電系統發電量的提升還可以在光伏組件材質選擇、光伏組件運營期間維護等方面進行拓展。本文主要在屋面光伏陣列方面進行優化設計，而隨著光伏產業的發展，光伏電池的種類也越來越多，其與建筑之間的結合形式不止為光伏屋頂，后續可以根據光伏電池與建筑不同的結合方式進行優化設計研究。

[1] 張 拓，衣建全，楊小天.太陽能光伏發電在我國建筑設計中的應用現狀及其重要意義[J].吉林建筑大學學報，2013，（5）：56-58.

[2] 韓 利，艾 芊.光伏技術在節能建筑中的應用[J].低壓電器，2009，（2）：4-8.