論綠色建筑中優化太陽能光伏發電站的方法

陳嘉銘

目前，建筑工程綠色能源的光伏發電技術，已在我國已經取得長足的發展，廣泛應用于并網發電、光伏與建筑一體化、混合型發電系統、LED照明光伏供電等諸多領域。為了進一步提高光伏發電技術的普及應用程度，本文基于光伏發電技術應用現狀，從光伏發電站的改造和優化角度切入，提出了具體的改造優化方案和建議，以求為光伏發電技術的持續、健康發展提供技術保障。

從能量轉換角度分析，光伏發電是將太陽能轉換為電能，因此，光伏發電系統的發電效率主要取決于對光能的利用。為了最大程度提高光伏系統的發電效率，在光伏電站的設計布局過程中，應采取必要的優化措施，而本文針對光伏電站優化布局問題進行的一系列研究，將具有非常重要的現實價值。

一、太陽能光伏發電現狀

（1）并網發電方面的應用現狀：用于并網的光伏發電系統，通常作為電網配電系統的一部分，常見的并網光伏發電系統分為有儲能和無儲能兩大類；

（2）獨立光伏發電系統的應用現狀：獨立光伏發電系統無需并網可直接對外供電，獨立光伏發電系統適用于電網布設密度不足的偏遠地區，多見于山區、孤島等特殊區域；

（3）光伏與建筑一體化的應用現狀：為了滿足多元化的建筑供配電需求，在建筑物采光條件良好的區域布置光伏發電系統，實現光伏發電系統與電網的并聯供電，提高了建筑供配電的綠色低碳水平。

二、光伏發電系統的并網設計

光伏發電系統的并網設計內容：系統設計、劃分方案、繼電保護及電能計量。

1.并網設計方案

在民建中，光伏系統的并網方案主要可以歸為三種，如表1所示：

表1 光伏系統并網設計方案

2.電氣接線設計

表1中所述方案一、二、三的電氣接線設計，可采用如圖1、圖2、圖3所示：

圖1 方案一電氣接線圖

圖2 方案二電氣接線圖

圖3 方案三電氣接線圖

3.電能計量

無光伏發電系統并網時，用戶只是消耗電能，此時電能計量是采用單向累計。而并網型光伏系統，如果采用單向計量，很明顯不合理。為了解決上網電量、電網電能分別計量的問題，可采用雙向電能計量表分別計量。選取兩個電表分別計量，電能表1、表2分別對用電量進行收費，見圖4：

圖4 電能表1, 2接入方式

三、光伏發電站性能優化策略

一座高效可靠的光伏發電站應同時具備供應可靠性和環境適應性兩方面的要求，與之對應的則表現為光伏電站的發電量和供電質量兩方面。

1.系統發電能力優化策略

系統發電能力的要求包括輸出電壓、輸出頻率、噪聲及穩定性等。為提升系統發電能力，可以從光伏陣列設計及與光伏陣列與其他設備配合方面進行改造。

（1）陰影遮擋損失優化

①采用二極管旁路并聯的方式，能夠解決電路的熱斑效應問題：光伏組件由單獨的光伏電池片聯結組成，在聯結過程中，同時在電池片兩極并聯二極管，即便部分電池片被遮擋，電流可經由旁路二極管在電池片兩極形成正向偏壓，及時切斷電池片中的電流，進而保護其它電池片。

②建議調整光伏組件的安裝方向，由豎向安裝調整為橫向安裝：同樣借助旁路二極管，能夠滿足光伏組件安裝方向的調整要求。根據設計規范，光伏組件間的最小排間距，應以當地早上9點時對應的太陽照射傾角確定，如果部分光伏組件因光照傾角變化而被遮擋，并聯的旁路二極管將停止工作，致使光伏組件的輸出電壓、電流均明顯下降，為了解決這一問題，可將光伏組件縱向布置，布置示意如下圖5；通過改變布置方式，能夠減少底部的組件數量，進而控制光伏組件的總體遮擋率，確保光伏組件在局部被遮擋條件下的輸出功率滿足要求。通過現場試驗發現，改變布置方式后，當遮擋率為40%時，光伏組件的輸出功率底限比采用橫向安裝的方式，提高了6%。

圖5 ：組件安裝形式優化圖

③光伏組件總體布置設計時，除了改變布置方向外，還應加強組件間的連接優化，從而最大程度控制遮擋率：常用的組件連接方式為SP形式，連接示意如圖6（A)。受光照不均勻影響，不同組件的遮擋率存在差異，這將造成組件間的功率適配失敗，最終影響總體功率輸出水平。為了解決該問題，應采取穩壓措施，即在光伏組件被遮擋時，可通過調整電流來穩定輸出電壓，穩壓采取TCT或BL的連接形式。其中，TCT模式中，每個組件同其它組件間均為串并聯關系，連接示意如圖6（B)所示。BL連接法本質上是TCT連接法的改進形式，能夠明顯減少接線數量，降低電能耗損，連接示意如圖6（C)所示。通過試驗研究發現，在光線遮擋條件相同的情況下，組件連接方式對輸出功率的影響較為明顯，通過試驗對比發現，采用TCT連接方式對應的輸出功率最高，而SP連接方式對應的輸出功率則受限明顯。

圖6 組件SP.TCT.BL連接方式

（2）線路損耗優化策略

電工學基本理論表明，通電線纜鋪設形式對線纜上的能量耗損影響明顯，為了提高輸電效率，在保證上述最大限度避免遮擋后，應盡可能縮短鋪設線纜長度。本文提出采用U型串聯代替傳統的單排串聯，改進后的連接示意如下圖7。通過試驗研究發現，采用U型串聯方式，線纜長度減少了50%，線路總能耗大幅下降。

圖7 組件U型連接優化

2.系統電能質量優化策略

光伏系統電能質量評價指標主要包括：壓差、波動、不平衡度等，考慮到用戶端負載多為非線性負載，這種負載模式會影響光伏系統的供電質量，為了解決該問題，本文擬從以下幾方面提出優化措施：

（1）關于三相電的不平衡問題解決措施：可將平衡補償裝置安裝在光伏供電系統的并網位置，通過平衡補償以提升電能利用效率，降低下網電量，攤薄用電成本。

（2）提升功率因數：考慮到用電端的非線性特性，容易造成變壓器空載或輕載等問題，如果使用普通的電容負載將造成供電功率因數不足的問題。建議將動態無功補償裝置安裝于變壓器的低壓端，通過動態補償的方式解決空載或輕載問題，確保將供電功率因數維持在合理水平。

（3）負載多階次諧波優化：受用電端非線性負載特性影響，建議使用有源濾波器解決該問題，有源濾波器能夠滿足不同階次諧波的處理需求，同時不受阻抗及頻率波動影響，非常適用于光伏發電系統。

（4）光伏供電系統整體優化：為了保障光伏供電系統內各元器件的正常工作條件，系統應配套專用的智能監控設施，用以實時監測供電系統運行情況，且能夠對系統故障做到超前預警。

四、改造和優化光伏發電站性能的其它建議

（1）優化設備，降低弱光對光伏發電站效率的影響：在弱光照條件下，電流中的紋波電流占比上升，紋波電流的存在容易影響線路中逆變器的穩定性，故應優化逆變器，增強逆變器在紋波電流條件下的適應性和穩定性，進而保證光伏發電系統的總體效率。

（2）使用高功率逆變升壓設備，減少設備和材料的使用量：工程實踐經驗表明，使用大功率逆變器，能夠大幅降低系統供電成本，最大下降幅度超過5%，故在前期成本允許的前提下，建議優先使用大功率逆變器。

（3）使用先進的仿真軟件對板陣支承結構進行優化設計：應做好項目總體設計，加強成本控制，優先選用性價比高的光伏板支撐設計方案，采用容許應力法設計，做好后期的支架模型優化，最大程度控制支架成本。

五、結語

綜上采取多方面的優化改進措施，是提高光伏發電站工作效率和總體收益的必由之路，本文針對性地提出了二極管旁路并聯、調整光伏發電板安裝方向、優化光伏陣列間的連接方式、改進光伏組件間的串聯形式等措施建議；此外重點聚焦逆變器，提出升級大功率逆變器以對抗光照條件變化對光伏發電站總體效率的影響；加強了對光伏發電板支架的優化設計水平，提出采用容許應力法進行設計，切實控制了光伏發電系統的總成本，為光伏發電站的長期、可持續建設運營提供了堅實保障。