光伏發電系統在建筑供配電中的應用

陳艷梅

（黃河上游水電開發有限責任公司）

1 引言

據有關數據表明，目前我國建筑物的能源消耗占總體能源消耗的一半以上，建筑物的節能減排已成為我國能源問題中最亟待解決的問題之一。而太陽能以其清潔、高效、可再生等特點成為解決能源緊缺問題的有力抓手。

城市的發展，經濟的增長，用電量越來越大，現有的公網結構缺點不斷顯現：運行難、耗資巨大、故障頻發，末端用戶的用電可靠性不能得到保證，這些問題都對城市的生產、生活產生了巨大影響。太陽能光伏發電技術作為分布式、清潔、可再生能源可大大緩解公網壓力，并可作為邊遠地區的電力補充。太陽能光伏發電技術源于1954 年，美國貝爾研究所第一次研究出單晶硅太陽能電池，從此開創了利用太陽能進行光伏發電的新時代。

光伏發電與建筑聯動，通過現有建筑物本身的受光面積，比如屋頂、外立面的光伏玻璃等，建立太陽能發電系統，并給建筑本體進行供電，這成為建筑物節能減排的重要途徑。本文研究太陽能光伏發電技術在建筑供配電中的應用，對緩解我國能源緊缺和環境污染、降低建筑用電能耗問題有重大的現實意義[1]。

2 光伏發電系統的組成

2.1 太陽能光伏板

在整個光伏發電系統組成中，最核心的元器件就是太陽能的光伏板，它的主要成分是硅，它可以吸收太陽輻射通過光電效應轉化為電能。整個發電系統中，光電轉換效率的關鍵就是光伏板的質量。

2.2 蓄電池

蓄電池的主要用途是在陽光豐沛時補償和平抑系統功率的波動，在滿足用電要求的前提下把剩余的電能存儲起來用于在夜間和陰雨天氣時補償輸送回系統負載電路。

2.3 PWM控制模塊

通過測量系統電路中的電壓和電流數據，PWM 控制模塊可以分析出系統工況的最大功率上限，通過調整開關電源中占空比來生成電流擾動，監測光伏發電系統實時功率的變化來進行功率最高點的跟蹤[2]。

2.4 單軸跟蹤系統

光伏發電跟蹤系統主要分為單軸跟蹤系統和雙軸跟蹤系統，考慮到建筑物受光表面的限制和系統結構造價過高等問題，雙軸跟蹤系統不適合在建筑物屋頂安裝，所以建筑中通常采用單軸跟蹤系統，其作用主要是利用光敏電阻的感光特性，測量光伏板上下的光強大小，進而通過控制步進電機，調節光伏板的水平角度，確保太陽直射光伏板，提高系統的工作效率。

3 光伏發電系統在建筑供配電中的應用分析

光伏發電是非常重要的清潔能源，如何把光伏發電應用在民用建筑供配電系統中，將是未來建筑建設重要的發展方向。光伏發電系統在建筑的應用中主要有一些問題。

1）光伏發電和市政大電網的結合分析

在一二級供電負荷中，需要有兩個電源，當一級負荷其中一個負荷故障時，另一個需要保證正常工作。光伏發電只能在白天工作，遇到陰雨天氣時發電效率也會大大降低，這樣就導致其具有時效性的不穩定特點，所以直接把光伏發電系統作為一二級負荷的其中一路電源是不可行的。若要使用光伏發電系統當作另一路電源就需要接入蓄電池幫助穩定電力供應。這種做法和傳統燈具接入UPS 電源等備用電源類似，把之前接入市政電網的備用電池改為接入光伏發電系統即可。在配置備用電源蓄電池時需要根據要求設計所需蓄電池的大小，容量過小無法達到使用需求，過度加大容量又會造成浪費，這對設計者來說是個矛盾的問題[3]。

所以基于光伏發電的不穩定性，用其提高供電的等級并不可靠，必須借助蓄電池來保證系統的穩定性，而蓄電池的使用維護也會同時帶來很多問題。因此，通常情況下并不會考慮使用光伏發電提高供電等級，光伏發電系統的設計僅從最大發電可利用的角度考慮即可。

2）光伏發電系統的供電負荷類別

在民用建筑中，電力負荷主要分為照明、動力和工業負荷三種，因工業負荷情況復雜，存在極大不確定性，所以采用光伏發電系統為工業負荷供電并不合適。光伏發電應用在建筑領域主要為照明和動力負荷提供電力。在動力負荷啟動時，會有啟動電流沖擊系統，所以需要根據電機的啟動沖擊容量來確定光伏發電系統的發電容量。動力負荷主要有新風、空調、水泵和電梯等設備。空調系統在我國多數地區只在部分時間段運行，這時光伏發電系統會進入怠工狀態，新風和水泵系統也是一樣，如果無法保持高效運轉，就會造成光伏發電利用率低下。因此，在為動力負荷供電時，除了光伏發電系統外，還需要接入市政大電網并網運行，這樣才可以保障用電設備的穩定運轉。

獨立的光伏發電系統最適合為照明系統進行供電，在白天無法正常采光而需要覆蓋照明設備的建筑室內區域，光伏發電系統會發揮最大效率。而對于夜間室外景觀的照明需求，通過接入蓄電池把白天產生的電能儲存后，在晚上提供照明使用，同樣有很好的效果。因為照明的需求并不會受季節的影響，全年都有穩定的應用，使用光伏發電系統最為合適。

4 光伏發電的供配電設計

4.1 光伏接線箱設計

光伏接線箱內安裝有直流斷路器、電涌保護器等設備，它負責連接光伏陣列中所有的光伏組件，在光伏發電系統維修和保養時負責分離電路對系統進行保護，當光伏發電系統出現故障時縮小受影響的范圍。在光伏箱中同時還需要安裝匯流銅母排和端子，所有的光伏設備組件都需要經過線纜連接到母排，并在母排前后安裝隔離設備及短路防護設備，在安裝時需要把光伏接線箱安裝到方便檢修和操作的區域，安裝在室外環境的光伏接線箱還需要有防水和防腐蝕的保護措施[4]。

4.2 光伏配電箱的設計

光伏配電箱主要分為交流式配電箱和直流式配電箱兩種，配電箱中需要安裝匯流銅母排、直流斷路設備、電涌保護設備等電氣設備。光伏配電箱需要安裝在室內干燥通風的環境內，如果需要安裝在戶外，則需要進行防水、防腐處理，防護等級需要高于IP54。

4.3 并網配電箱的設計

并網配電箱是負責連接光伏發電系統和市政大電網最重要的設備，它主要有防雷接地、保護隔離、防逆流保護等能力。當光伏發電系統并網連接進入市政大電網時，每個單獨系統出現故障或者需要關閉檢修時，就需要通過并網配電箱對兩個供電系統進行有效隔離，這樣就可以對供配電系統和人身安全提供絕對的安全保護，在光伏發電系統和市政大電網之間必須要有專門的連接裝置和隔離設備。

4.4 光伏發電系統的保護設計

光伏發電系統的保護設計主要有防雷和接地保護兩方面，同時還要考慮兼顧建筑的電氣系統保護。雷電分為直擊雷和感應雷兩種，直擊雷指直接擊中光伏陣列、配電設備周圍的雷擊，主要的保護措施是安裝避雷針和避雷帶。感應雷是由電磁感應和靜電感應造成的雷電，防護感應雷需要安裝電涌保護設備。雷擊具有極大的破壞性，除了危害人身安全，還會對電力設備造成損害，嚴重時會引發火災，所以有效的防雷設計極為重要。

光伏發電系統的接地主要是對人身安全進行保護，另外也保證了發配電設備的穩定運行。光伏板陣列的接地線纜需要和建筑的電氣系統接地連接，所有電氣設備的金屬外殼都需要獨立連接到接地干線，并且連接點要多于兩個，而且光伏發電系統的直流側還需要進行等電位保護。

5 光伏發電系統應用在建筑供配電中的意義

隨著綠色建筑概念的深入，以及公眾對節能減排的需求，國家從政策上積極支持綠色能源的使用，使太陽能光伏發電在建筑中的應用越來越多，我國多個地市已經明確了綠色建筑的相關標準和要求，國家也對綠建有著不同程度的補助和獎勵，為了達到相關指標，獲得獎勵和補助，很多甲方都采用了太陽能光伏發電技術，既能符合政策導向，又能解決公網用電壓力，還能為用戶端節約電費，可謂一舉多得。

6 結語

雖然，我國國內對太陽能光伏發電技術的應用還處于初級階段，多為政策驅動，并由于使用成本高等問題，推廣范圍和認可度還有限，但是，我國人口眾多，建筑體量大，對太陽能光伏發電技術的使用具有巨大潛力。太陽能光伏發電系統在建筑供配電中的應用也會因其環保無污染、節能不占地、既能補充大電網又能滿足自身需求等要素的影響，迎來更大的市場發展空間。