數(shù)字化BIPV主動運維技術(shù)研究

章文浦，戴一洪，金 莎

（中國電建集團江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

國家關(guān)于“碳中和”已經(jīng)有了明確的頂層設(shè)計，而BIPV項目的優(yōu)勢就是符合國家產(chǎn)業(yè)政策，2020年7月，住建部、發(fā)改委等7部委局聯(lián)合發(fā)布《綠色建筑創(chuàng)建行動方案》，要求到2022年，當(dāng)年城鎮(zhèn)新建建筑中綠色建筑面積占比要達(dá)到70%。BIPV具有眾多優(yōu)勢：一方面通過光伏發(fā)電，可以有效降低建筑碳排放，滿足環(huán)保指標(biāo)，降低建筑供熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，減少能耗，獲得的碳排放指標(biāo)可以增加后續(xù)的收入；另一方面，與傳統(tǒng)建材相比，BIPV產(chǎn)品在保溫散熱、防風(fēng)防水、防火防雷、抗沖擊、輕量化、使用壽命等方面均具有明顯優(yōu)勢。但BIPV產(chǎn)品是與建筑物結(jié)合在一起，運維過程中既要保證發(fā)電量的最大化，又要確保使用過程中不能出現(xiàn)安全風(fēng)險，就需要考慮一系列的問題，像熱斑效應(yīng)、PID效應(yīng)、直流拉弧、耐候性能、隱裂風(fēng)險、承重問題、安全問題、消防問題等[1]。建立一套數(shù)字化的主動運維控制策略對提高BIPV發(fā)電量和提高運維過程中的安全性具有深遠(yuǎn)的意義。

1 BIPV運維難點分析

建筑一體化BIPV將光伏發(fā)電和建筑物結(jié)合在一起，兼具發(fā)電、建材和美觀等功能于一身，同時也具有強度低、離人群距離近、易被遮擋和積塵、不易直接拆除或者更換等特點，導(dǎo)致建成之后運維過程復(fù)雜，運維工作難度較大，主要體現(xiàn)在以下方面。

1）考慮到透光性和制造成本，大部分建筑一體化BIPV強度較低，直接在上面行走或作業(yè)容易出現(xiàn)電池片隱裂，導(dǎo)致熱斑出現(xiàn)，影響發(fā)電功率，也容易導(dǎo)致屋頂漏水，運維時處理缺陷不方便，增加了運維的復(fù)雜性；

2）建筑一體化BIPV通常建設(shè)在城區(qū)或工業(yè)廠房區(qū)，受建筑物外形、風(fēng)沙和灰塵影響，組件容易被遮擋、積累灰塵，特別是在導(dǎo)雨槽和組件邊緣容易積累灰塵，導(dǎo)致發(fā)電量損失和功率衰減，需要頻繁進(jìn)行清洗維護(hù)，運維工作量大；

3）建筑一體化BIPV的應(yīng)用場景主要應(yīng)用于工業(yè)廠房、屋頂、建筑物立面，人群與光伏組件板、電力系統(tǒng)接觸緊密，如果有高電壓將對人類活動和建筑物的安全構(gòu)成極大的威脅。直流高電壓容易拉弧引發(fā)火災(zāi)，該因素約占屋頂分布式光伏發(fā)電火災(zāi)因素的45%，直流高電壓也容易導(dǎo)致人員的觸電風(fēng)險，在運維過程中安全風(fēng)險很高。

4）建筑一體化BIPV在實際應(yīng)用中，由于建筑物各個屋面、墻面朝向的因素，不同安裝位置的光伏組件安裝角度和方向不可能完全一致，這就決定了其發(fā)電效率、發(fā)電的瞬時功率無法保證完全一致，當(dāng)陣列中的某一塊組件受到影響時，其發(fā)電效率將會大大減小，從而對整個系統(tǒng)的發(fā)電量產(chǎn)生顯著影響，運維過程中要保發(fā)電量困難很大。

2 數(shù)字化主動運維控制策略研究

針對建筑一體化BIPV運維特點，在追求發(fā)電量最大化的同時，必須要維護(hù)好建筑物和人員的安全。在科技不斷發(fā)展的今天，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立數(shù)字控制模型，采用數(shù)字化手段主動干預(yù)其發(fā)電的過程將有效地提高發(fā)電效率，同時采用低電壓組網(wǎng)的方式可以保證建筑物和人員的安全。

1）數(shù)字化組件級MPPT（最大功率點追蹤）控制

在運行的組件串聯(lián)電路中，每一塊組件里的電流都是相同大小的，整個組串的最大電流是由電流最少的那塊組件決定的，只要有一塊組件的一部分受到陰影遮擋、局部損壞等原因?qū)е码娏鳒p少，這一路組件串都會受到影響，輸出電流減小，輸出功率減少，組件串的發(fā)電效率將會大大減小，從而對整個系統(tǒng)的發(fā)電量產(chǎn)生顯著影響，這就是“木桶效應(yīng)”。將每一個組件的輸出采用并聯(lián)方式輸出，每塊組件都具有獨立MPPT控制，組件之間互不干擾，使得陰影、灰塵、樹葉等可能造成組件輸出功率降低的因素只對本組件有影響，其他組件仍可輸出最大功率[2]，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)最大功率輸出，有效避免了“木桶效應(yīng)”，數(shù)字化組件級MPPT控制通過調(diào)整每一塊光電板的電壓和電流，直至全部取得平衡，消除了組件的失配問題，可以提高系統(tǒng)20%～25%的發(fā)電量。

數(shù)字化組件級MPPT控制同時可以使整個系統(tǒng)具有良好的弱光效應(yīng)，采用并聯(lián)的方式組建電力系統(tǒng)，單組件啟動電壓在20 V左右，相比串聯(lián)方式組網(wǎng)的組件啟動電壓降低了50%多，整個系統(tǒng)在當(dāng)天早上5:00左右就可以啟動發(fā)電，每天的發(fā)電時間更長，甚至在陰天也能發(fā)電，發(fā)電量自然遠(yuǎn)高于同等條件下的串聯(lián)型電力系統(tǒng)。

2）直流側(cè)低電壓組網(wǎng)策略

直流側(cè)低電壓策略有效預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險。傳統(tǒng)光伏組件采用串聯(lián)方式連接，將同一組串里的光伏組件的直流輸出端一個個串聯(lián)起來，然后接入?yún)R流箱或逆變器的直流側(cè)，在逆變器的直流側(cè)就會形成直流高電壓，目前普遍采用的是1 000 V、1 500 V二個電壓等級。一般的光伏系統(tǒng)，在光伏組件陣列和逆變器之間有數(shù)10 m長的直流高電壓電纜線，中間有幾十個中間連接頭，如果連接頭出現(xiàn)接觸不良或質(zhì)量不可靠的情況，在直流高電壓的作用下容易拉弧引發(fā)火災(zāi)，據(jù)統(tǒng)計，光伏電站中的火災(zāi)事故80%以上是由直流側(cè)故障引起。BIPV的運行周期在25年以上，為了避免由于直流高電壓拉弧引發(fā)的火災(zāi)事故，尤其是在消防安全更加重要的建筑一體化BIPV光伏應(yīng)用場景中，結(jié)合數(shù)字化MPPT控制策略，采用在直流側(cè)只有40 V以下的直流電壓的組網(wǎng)方式，徹底消除了建筑一體化BIPV光伏系統(tǒng)的直流高電壓拉弧現(xiàn)象的發(fā)生，而且交流側(cè)也只是常規(guī)的220 V的交流電，可消除建筑光伏安全隱患。直流高電壓除了容易拉弧引發(fā)火災(zāi)外，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，滅火也變得更加困難。根據(jù)GB/T18 379建筑電氣設(shè)備的直流電壓規(guī)范，對于建設(shè)一體化光伏系統(tǒng)，傾向于選用直流側(cè)電壓不超過120 V的系統(tǒng)方案。

直流側(cè)低電壓策略有效預(yù)防人身安全風(fēng)險。與傳統(tǒng)的光伏組件產(chǎn)品不同，BIPV產(chǎn)品作為建筑一體化的建筑材料，已經(jīng)與人類生活緊密相連，人與光伏組件接觸緊密，為了避免對人類活動構(gòu)成極大的安全威脅，BIPV的電氣安全性成為重要的考量，任何高于人所能承受的安全電壓的BIPV產(chǎn)品都會給人身安全構(gòu)成威脅，真正的BIPV產(chǎn)品首先要在電氣電壓安全方面做好徹底的防范保證，無疑選擇直流側(cè)低電壓的方式是最佳解決方案。

直流低電壓策略降低組件PID效應(yīng)。PID效應(yīng)又稱電勢誘導(dǎo)衰減，是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料之間、電池片與其接地金屬邊框之間在高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，而造成組件性能衰減的現(xiàn)象。PID效應(yīng)是長期導(dǎo)致組件衰減甚至嚴(yán)重退化的主要原因，由此引起的組件功率衰減有時甚至超過50%[3]，導(dǎo)致這一危害的根本原因之一就是現(xiàn)有的光伏組件在組建發(fā)電系統(tǒng)時采用串聯(lián)方式，形成20～30余倍的單個組件電壓，如1 000 V或1 500 V的直流高電壓。直流電壓越高，組件電池片的離子遷移現(xiàn)象越嚴(yán)重，PID效應(yīng)越明顯。采用在直流側(cè)只有40 V以下的直流電壓的方式策略，可以有效抑制組件電池片的離子遷移現(xiàn)象，削弱PID效應(yīng)，延緩組件功率的衰減，提高發(fā)電效率，從而提升發(fā)電量，獲得更高的發(fā)電收益。

3）數(shù)字化聯(lián)動控制策略

故障處理準(zhǔn)確快捷。數(shù)字化組件級MPPT控制聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)，使得每一塊組件都做到被監(jiān)控，MLPE（組件級電力電子）技術(shù)使得系統(tǒng)的運維變得更加方便、快捷。系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，運維人員無需爬上屋頂一塊塊掀開組件板來定位問題組件，只需要通過組件級的監(jiān)控界面就可以實現(xiàn)快速定位故障組件，甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作解決問題，使故障可以第一時間處理完成，恢復(fù)發(fā)電，降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，操作更加穩(wěn)定、可靠、便捷，減少了由于故障引起的發(fā)電量損失。

清洗聯(lián)動優(yōu)化成本。對于安裝在屋頂?shù)慕ㄖ惑w化BIPV系統(tǒng)，為了避免對組件造成隱裂和對人身造成安全風(fēng)險，應(yīng)避免在組件上作業(yè)和行走，但建筑一體化BIPV系統(tǒng)通常都是建設(shè)在城區(qū)里，風(fēng)沙、灰塵、鳥糞、遮擋等影響組件表面清潔度的因素不可避免，因此需要不定期對組件進(jìn)行清洗，采用智能清洗機器人進(jìn)行組件的清洗作業(yè)是最佳的選擇。為了控制清洗成本，制定基于監(jiān)控系統(tǒng)和清洗機器人聯(lián)動的清洗策略模型，利用數(shù)字化手段科學(xué)分析組件由于表面清潔度降低而引起的發(fā)電量降低指標(biāo)，結(jié)合清洗機器人每次作業(yè)產(chǎn)生的費用成本，自動計算清洗作業(yè)頻次和時間段，控制清洗機器人進(jìn)行作業(yè)，使整體收益最大化。

降溫裝置數(shù)字聯(lián)動。眾所周知光伏組件的發(fā)電功率有負(fù)的溫度系統(tǒng)，數(shù)值通常在-0.38%/℃至-0.43%/℃之間，以某廠溫度系數(shù)為-0.40%/℃的組件為例，溫度每升高1℃，功率下降0.4%，溫度每降低1℃，功率提升0.4%，而光伏組件的運行溫度通常比安裝地點環(huán)境溫度高25℃左右，那么降低安裝地點環(huán)境溫度就可以有效提高光伏組件的發(fā)電功率，但同時又必須結(jié)合安裝地點的氣象溫度統(tǒng)籌考慮，以保證降溫裝置使用的經(jīng)濟性。利用溫度傳感器采集光伏組件背板溫度，將數(shù)據(jù)的數(shù)字信號導(dǎo)入監(jiān)控系統(tǒng)的降溫裝置溫度控制模型，當(dāng)光伏組件背板溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的啟動閥值時，啟動降溫裝置信號發(fā)出，降溫裝置開始工作，組件背板溫度開始降低，當(dāng)光伏組件背板溫度降低到停止閥值時，關(guān)閉降溫裝置信號發(fā)出，使降溫裝置停止工作。降溫裝置的數(shù)字聯(lián)動在考慮氣象條件的情況下有效降低了光伏組件的背板溫度，使發(fā)電功率最大化，提升了發(fā)電量。

3 結(jié)語

文中通過對BIPV運維過程中存在的普遍問題進(jìn)行分析，找出了BIPV運維過程中存在的關(guān)鍵問題和不足，針對這些問題和不足，研究制定了依托監(jiān)控系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)分析能力，通過數(shù)字化的手段實現(xiàn)了對BIPV組件級的監(jiān)視和控制，使得系統(tǒng)效率達(dá)到90%，發(fā)電量可提升20%至25%，同時可以及時發(fā)現(xiàn)故障或異常的組件并報警，準(zhǔn)確定位異常組件，使故障組件可以及時處理、修復(fù)，恢復(fù)發(fā)電；采用組件直流輸出端并聯(lián)的方式組網(wǎng)，每塊組件并聯(lián)接入系統(tǒng)，直流端電壓小于40 V，如此低的直流電壓有效避免了由于直流高電壓引起的PID效應(yīng)（電勢誘導(dǎo)衰減）而導(dǎo)致的系統(tǒng)效率降低，同時避免了高壓直流電弧火花引起的火災(zāi)風(fēng)險和對人員的觸電風(fēng)險；通過智能清洗機器人與運維平臺的數(shù)據(jù)聯(lián)動，分析發(fā)電量指標(biāo)，優(yōu)化清洗頻次，節(jié)約清洗成本的同時提高總體發(fā)電量；通過數(shù)字化手段與降溫裝置進(jìn)行聯(lián)動，提高組件的發(fā)電功率，提升系統(tǒng)發(fā)電量。在“雙碳”目標(biāo)的大環(huán)境下，本方法助推了BIPV建筑成為建筑行業(yè)碳減排的重要選擇和手段，無論從經(jīng)濟性、安全性、舒適性和運維便捷性來說，都具有廣闊的實用價值和推廣價值。