公共建筑光伏發電系統設計要點及應用分析

黃超強

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000）

建筑綠色化和低碳化是今后一段時期內建筑發展的主旋律，也是破解全球能源危機和實現長期可持續發展的必由之路。中國是全球能源消耗大國，單位GDP對應的能耗指標始終居高不下，國內能源供需矛盾時有顯現，能源可持續和安全問題逐漸凸顯[1]。基于此，優化調整中國的能源結構和組成，大力推廣新能源對于中國今后一段時期的發展具有深遠意義；而太陽能光伏發電系統能夠將太陽能轉換為電能，同時不產生任何溫室氣體，是不折不扣的綠色能源生產方式，真正實現了能源生產過程中的零排放、零污染。目前，太陽能已成為中國大力推廣使用的新能源之一，在未來必將擁有更加廣闊的前景[2]。

1 光伏發電系統原理

光伏發電是太陽能利用的一種重要形式，在光照充足、日照時間長的地區得到了廣泛推廣，光伏發電系統的核心是太陽能光伏板，配套設施包括逆變器、配電端、儲能設施等，光伏發電系統能將太陽能轉換為電能并存儲后供用電端使用。經過較長時間的發展，光伏發電系統已成為中國諸多新能源生產形式的重要組成部分之一[3]。

2 光伏發電系統技術要求

在光伏發電系統的設計過程中，為了保證系統的正常、高效運行，設計應充分考慮閉網控制、運行安全、系統保護、輸出功率監測等參數，現進行簡要闡述。

做好系統電壓、相位、頻率等參數的實時采集，做好與并網參數的對比，確保逆變器輸出參數與電網參數一致；合理布置逆變器，并做好參數調試，以最大程度提高光伏發電系統的生產效率；光伏系統應具備自動停啟功能，一旦系統出現輸出異常，應能夠自動切斷交流輸出，系統進入自我保護狀態；當故障排除后，系統達到延遲時間后，自動恢復運行；為了保證光伏發電系統在極端條件下的安全性，系統應具備過載保護、失壓預警、頻率監控、防雷保護、短路保護等功能；光伏發電系統直流側設計電壓值必須大于光伏組件在極端氣溫條件下的開路電壓最大值，光伏發電系統中使用的各種元器件的最大容許電壓值不能低于設計電壓[4]。

3 光伏發電系統設計要點

3.1 光伏發電的設計原則

公共建筑光伏系統在設計時，應根據建筑類型、結構特性等合理設計，確保系統不會對建筑結構安全、功能等造成不良影響。

3.1.1 建筑設計

首先，應考慮建筑所在地的氣候環境特點，重點分析該地區太陽能資源情況；其次，應考慮建筑自身接受太陽輻射的條件，比如該建筑周圍是否存在其他建筑遮擋、建筑接受光照時長等；再者，需要與建筑外立面相協調，根據建筑外立面裝飾面層風格，進行合理的布局設計，確保與建筑外立面相協調，與周圍整體建筑環境相協調，以達到整體統一的效果；對于外立面的透光部位，應合理代替采光頂施工，以避免影響室內采光效果，實現自然采光與光能收集的有機結合[5]。

3.1.2 發電系統設計

與地面光伏系統設計不同，公共建筑光伏發電系統光伏方陣設計受到面積限制，且需要考慮到建筑自身采光需求，因此需要根據光伏方陣布設面積等因素，合理確定發電功率配套系統，而地面系統則是根據功率要求，設計光伏方陣和配套等。

3.1.3 光伏方陣設計

由于建筑外觀構造、外觀裝飾需要，光伏方陣設計時，需要根據建筑外形、外飾等合理設計，方陣形狀、板塊大小、顏色、朝向、傾角需要與建筑外立面設計相協調，這就需要光伏供應商與建筑師協調；此外，還需要明確光伏發電系統類型，比如獨立系統或者并網系統等，依據光伏系統選型、光伏輸出功率大小等，合理配置控制器、逆變器等選型。

3.1.4 結構安全性與結構設計

光伏組件設計安裝，不僅要考慮到組件、系統安裝對建筑結構的影響，還要考慮到系統組件自身穩固性，確保系統結構安全、連接牢靠，因此，需要進行相應的結構計算，并在設計階段就對預期可能發生的風險進行預估。

3.2 合理選擇并網形式

一般情況下，根據光伏系統投產后向負載供電方式不同，可將太陽能光伏系統分為3種類型，分別是獨立光伏系統、并網光伏系統、混合光伏系統。

獨立光伏系統中，供應負載的電力全部來源于光伏系統，是結構最為簡單的一種光伏系統。有一些直接供給直流負載的系統，甚至不需要逆變環節。此類系統目前多應用于一些電網系統難以覆蓋的偏遠山區等地，或者是用于驅動一些中小型電器。

并網光伏系統，多用于一些分布式光伏發電建設項目中，其主要功能是將太陽能轉化為直流電，再經過逆變處理，轉變成為交流電，并入電網；該型光伏系統可直接將電網作為儲能裝置，無需配置蓄電池，具有成本低、占地少的優勢，且在陰雨天等不利條件下，可直接切斷光伏系統與電網聯系，保證電網供電穩定性。

混合光伏系統是一種相對穩定、可靠的發電系統，該系統可將若干種發電方式引入到光伏系統，保證系統向負載供電的穩定性；在不利天氣條件下或者晚上時，光伏系統輸出功率不足，此時其他形式可保證負載供電穩定，有效克服了單一光伏系統可靠性、穩定性的不足。

3.3 光伏發電與建筑安裝的幾種實施形式

3.3.1 平屋面

光伏采光頂是平屋面常用的光伏發電實施形式。在實際安裝時，除了光伏組件安裝要滿足安全性、防水性等要求外，還需要考慮屋面采光要求，因此，光伏元件應具有一定的透光性，一般要求透光率在10%～15%。現階段，在平屋面光伏系統設計安裝時，通常將光伏組件與屋面結合，布局形式多為蜂窩鋁板屋面、光伏屋面、玻璃采光頂等。將光伏屋面更多地運用于光伏建筑，不僅能夠有效利用屋頂空間，還能夠改善和增加屋面透光率，達到雙重節能降耗的效果。光伏采光頂的優勢為能與建筑物完美結合、能充分利用屋頂空間且不會對建筑外立面設計藝術性造成影響。

3.3.2 斜屋面

斜屋頂在安裝方式、安裝要求等方面與平屋頂基本相同，但南向斜屋頂光伏建筑經濟性更加優異，南向相對其他朝向或平屋頂，本身采光更好；可以通過調節組件角度，使系統獲得更大發電量；此外，斜屋面光伏發電一體化，成本也相對其他方案更低。

3.3.3 遮陽板

對一些光照較為強烈的地區，可將光電板作為遮陽構件，不僅可以起到良好的遮陽效果，降低室內溫度，減少空調能耗，還能夠將光能轉化為電能，進一步降低夏季電網供電壓力；此外，由于光電板角度與太陽角度垂直，更有利于光電板光電轉化，該方案也是未來最具應用潛力的光伏發展方向之一。

3.3.4 光伏幕墻

光伏幕墻是一種使用光電板取代傳統玻璃幕墻的玻璃構件的光伏發電系統形式，其構造方式與傳統玻璃幕墻基本相同，通過高性能光電板組件，使光伏幕墻具備良好采光、遮陽、保溫等性能，在功能上完美取代傳統玻璃幕墻，同時又能夠將光能轉化為電能，經濟、社會和環境效益顯著。當前，光伏幕墻主要分為2類：①不透明幕墻，光電板多為單晶硅和多晶硅組件，具有光電轉化效率高、遮陽性好等優勢；②半透明幕墻，目前多采用非晶硅薄膜電池，其優勢是對襯底材料基本無要求，可在較低溫度下沉積于玻璃等襯底，不過其缺點也相對明顯，就是光能利用率相對較低。由于光伏幕墻除了要滿足發電功能，還需要滿足建筑外立面造型、采光、美學等需求，導致光伏陣列往往難以達到最佳安裝角度，對光伏系統效率造成影響，且相對于傳統玻璃幕墻，造價成本偏高。因此，必須從設計階段做好統籌規劃，在保證建筑美觀性、安全性、維護性等幕墻要求的基礎上，通過光伏系統，為建筑“增綠降耗”，提高建筑全生命周期的經濟、社會和環境效益。

3.4 光伏組件設計

光伏發電板的材質和有效觸光面積決定了系統的發電功率，為了最大程度提高光伏發電系統的效率，光伏板布設應綜合考慮當地的光照條件、建筑物朝向等因素，光伏板面積設計應以建筑結構屋面、幕墻面積及光伏板布置形式確定。此外，還應做好光伏發電系統與建筑結構的協同設計，在滿足功能性的前提下，還應注重設計的美觀性和協調性。

除了完成組件布置和初步設計外，為了保證光伏發電系統的正常運行，還應做好組件的細部詳細設計，設計原則強調裝卸便捷、功能完備。考慮到光伏發電系統布置于室外，對光伏系統的基礎設施要求較高，為了保證光伏發電系統在惡劣環境下的耐久性和可靠性，除了做好基礎設計外，應重點加強結構支撐系、加固檁條、面板組件的設計優化，其中支撐系及檁條設計如圖1、2所示。此外，還應做好光伏發電系統各組件的安裝設計，設計示意如圖3所示。

圖1 支承構件設計（單位：mm）

圖3 光伏組件的安裝設計（單位：mm）

3.5 光伏發電電路設計

電路是光伏發電系統正常運行的基礎，光伏發電系統由眾多不同功能的電子元器件和組件通過電路連接，以達到電能傳輸的目的，屋面組件和幕墻組件的電路應單獨設計，最后將獨立的光伏組件以串聯或并聯的方式連接。

根據光伏發電系統的總體輸出功率要求，擬以8個光伏單體串聯組成一套光伏組件，每套組件通過匯流組件再組成一個完整的光伏系統，光伏系統電路串聯逆變器，最終接入配電端，電路中串聯電量表和控制器，以實現對電路的電量統計和監控控制。光伏組件及電路連接設計圖4、圖5所示。

圖4 光伏組件結合設計

圖5 光伏發電電路設計

4 光伏發電系統應用

依靠光伏發電系統，實現太陽能向電能的高效轉換，有力支撐了建筑綠色化、低碳化發展趨勢，具有經濟高效、綠色低碳的突出優勢。光伏發電系統的輸出功率受組件性能、布置形式、觸光面積等因素影響，發電子系統設計參數如表1所示。

表1 光伏發電子系統參數

以A建筑為例，該建筑按照三級綠色標準設計施工，建筑結構內部按辦公寫字功能進行裝修，涉及到的建筑電氣類型包括照明、暖通空調、一般動力、會務等，其中空調系統能源由地源熱泵提供，故功率參數分析對象主要包括照明系統、一般動力系統、會務系統等，具體分析結果如表2所示。

表2 某項目A棟樓光伏發電系統總功率參數

為了降低建筑電氣能耗的水平，建筑結構內全部照明光源均使用了新型節能燈具，節能標準滿足了國家的相關規范要求，總功率指標根據建筑結構內的使用功能及照明光源布置形式確定，總功率參數設計應考慮會務系統和一般動力系統的負載要求，考慮到電梯能耗指標較高，所以光伏發電系統的總負載不考慮電梯的負載。

A建筑電氣負載的設計參數如表3所示。

表3 某項目A棟樓電氣設計負荷參數

A建筑的光伏發電系統的總功率設計值為150 kW，主要滿足建筑內照明系統、會務系統、一般動力系統的用電負載，3大系統的總負載為132 kW，故光伏發電系統總功率滿足負載要求；但考慮到光照條件、天氣情況等客觀因素，為了保證建筑內各項系統的正常工作，光伏發電系統應與供電網并網使用，一方面發揮光伏發電系統的環保優勢，同時體現供電網的“兜底”作用。

5 結論

為了緩解能源危機造成的現實威脅，優化調整中國的能源供給結構，同時促進建筑工業綠色化、低碳化發展水平，以太陽能光伏發電為代表的新能源技術迎來發展契機。本文以建筑結構光伏發電系統為研究對象，闡述了光伏發電系統的工作原理和基本技術要求，重點對光伏發電系統的組件和電路設計進行了研究，提出了具體的設計要點，最后，以A建筑為例，介紹了光伏發電系統在建筑結構室內供電中的應用。