光伏太陽能發電技術在建筑電氣節能設計中的應用

劉仕科

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

我國是能源消耗大國，以煤炭、石油等不可再生能源為主，上述傳統能源全球儲存量有限，為不可再生能源，不僅污染環境，當面臨枯竭時，還會給人類帶來能源危機。在我國能源消耗結構中，建筑行業、工業行業、交通運輸行業的能源消耗是最大的，其中，在社會總能源消耗的占比中，建筑行業能源消耗約占30%[1]。隨著人民生活水平的提高和城市化的進展，建筑業能源消耗占比也會持續增加。因此，提倡建筑業節能，推廣太陽能、風能等可再生能源不僅能緩解傳統化石能源供應不足而產生的能源危機問題，還能降低環境污染。

政策上，我國相繼出臺了鼓勵發展光伏太陽能發電的法規及條例。例如2022 年實施的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021）中第5.2.1規定[2]：新建建筑應設置太陽能系統。2013 年3 月1 日實施的《山東省民用建筑節能條例》中規定：12 層以上建筑中推廣和應用太陽能光熱系統。隨著政策的支持，太陽能作為無污染、用之不竭、取之不盡的可再生能源，在建筑節能設計中已得到越來越多的應用，其發揮的作用也越來越大，本文著重探討光伏太陽能發電技術在建筑電氣設計中具體應用。

1 光伏太陽能發電技術工作原理及特點

1.1 光伏太陽能發電技術工作原理

P 型半導體與N 型號半導體互相接觸在一起后形成P-N 結，當太陽能輻射量足夠大時，太陽光照射在上述半導體的P-N 結后，會發生光電反應，在P-N 結接觸面處產生電壓，進而形成電流，這就是光伏太陽能發電系統的發電原理[3]。

電池板光伏組件、控制器、光伏逆變器、蓄電池組是組成光伏太陽能發電系統的基本設備，在各個發電環節起著重要的作用。當光伏發電系統產生出來的發電量接入電網，此系統稱作并網光伏發電系統，系統結構如圖1 所示；當光伏發電系統產生出來的發電量不接入電網，此系統稱作獨立光伏發電系統，系統結構如圖2 所示。

圖1 并網光伏發電系統

圖2 獨立光伏發電系統

1.1.1 電池板光伏組件

電池板光伏組件是光伏太陽能發電系統的核心，是太陽能轉換為電能的核心元器件，每片電池片的電流、電壓都不高，所以為了獲得更高的電壓，就需要將電池片串聯起來，最后再并聯后才能獲得更高的電流。把光伏組件在給定的建筑面積上串聯、并聯后，就會形成電池板光伏組件方陣。

1.1.2 控制器

控制器一般在獨立光伏發電系統中使用，是蓄電池充、放電的控制中心，是一種自動控制設備，能起到防止蓄電池過充電、過放電的作用，具備負載短路、負載過載、反向放電的保護功能。

1.1.3 光伏逆變器

光伏逆變器是一種將直流電逆變成交流電的設備，光伏系統發出來的直流電需經逆變器逆變成交流電才能供給我們的交流用電設備，另外光伏逆變器還能起到平衡光伏系統的作用。

1.1.4 蓄電池組（并網系統不需要）

蓄電池組是儲存電能的設備，光伏太陽能發電系統輸出的發電量較充裕時，電量會先儲存在蓄電池組中，當光伏太陽能發電系統發電量不足時，再由蓄電池組儲存的電量供給用電負載。

1.2 光伏太陽能發電技術特點

光伏太陽能發電技術能得到世界各國的重視，跟其自身特點優勢密不可分。

（1）太陽能隨處可見、不怕枯竭，是用不完的可再生能源。

（3）光伏太陽能發電系統建設靈活，不受偏僻地域影響，不受當地能源結構的影響，因不需要長距離輸送電能，避免了長距離輸電線路上的損耗，從而節約能源、減少投資。

（4）在建設周期上，光伏太陽能發電系統是比較短的，是獲取電能最快的途徑之一。

2 光伏太陽能發電技術在建筑電氣設計中的應用

建筑節能，就是在滿足規范、生活舒適的前提下，盡量的減少能量損耗，減少使用傳統能源，盡可能的采用、發展光伏太陽能發電技術，提高新能源的利用率[4]。

本文以廣東省廣州市某二星綠色建筑地鐵項目為例，對光伏太陽能發電技術在建筑電氣設計中具體應用進行相關探討分析。

2.1 項目工程概況

本工程位于廣東省廣州市，為軌道交通地面高架地鐵站，地面2 層，首層為站廳層，2 層為站臺層，屋面為鋼結構，總建筑面積15315m2，屋頂面積6129m2。

按建筑規劃要求，本項目綠色建筑需滿足綠色二星設計要求。根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2019）第7.2.9 提出：“結合當地氣候和自然資源條件合理利用可再生能源。”本項目根據規范要求需至少設計一種可再生能源。

根據項目現場實際情況，對比太陽能熱水系統、地源熱泵系統和光伏太陽能發電系統，因本項目無熱水需求，太陽能熱水系統不合適；另外本項目架空在市政道路上方，地熱系統設置較困難；最終選擇了光伏太陽能發電系統，在屋面空余地方安裝太陽能電池組件。

2.2 光伏新能源系統分類及系統選擇

2.2.1 廣州市太能能資源分析

廣州市氣候屬亞熱帶季風氣候，夏季長、太陽輻射量充足、霜期不長。其中4、6 月溫暖多雨，7、9 月高溫炎熱，10 月、11 月、3 月溫度適中，12、2 月天氣寒冷，全年平均溫度21.9℃。根據規范《光伏發電站設計規范》（GB 50797—2012）附錄B 內容[5]，廣州市日輻射量為12110kJ/m2，具備光伏太陽能發電的條件。

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2.2.2 光伏新能源系統分類

根據是否接入公共電網，可分為并網光伏發電系統、獨立光伏發電系統。其中并網光伏發電系統如果允許通過上級變壓器向主電網供電的方式則叫有逆流并網光伏發電系統，否則叫無逆流并網光伏發電系統。

獨立光伏發電系統需配置控制器、蓄電池，結構簡單、系統功率較小，安裝靈活，不并入公共電網，適用于附近無電網的偏遠地區；并網光伏發電系統原理是太陽能電池發出來的直流電由逆變器轉換成標準的50Hz交流電并接入電網。與獨立光伏發電系統對比，并網光伏發電系統可不配置蓄電池，因不配置蓄電池，提高了電能的利用率，減少了環境污染，建筑物內無須設置蓄電池室，節省了建筑面積。

2.2.3 光伏新能源系統選擇

本項目根據并網光伏太陽能發電系統各自優、缺點，選擇無逆流并網光伏發電系統。

因本項目鋼結構屋面鏤空區域較多，且高架地鐵站位置設置在室外較空曠的位置，周圍遮擋較少，不改變建筑屋面的前提下，在屋頂合理布置電池板光伏組件。

屋面光伏太陽能發電系統在考慮到建筑美觀、疏散要求的前提下，盡可能的提高屋面的利用率，使屋面電池光伏組件安裝面積達到最大，為能更好地吸收太陽能的輻射量，現場需根據太陽的照射方向適度調整電池板光伏組件角度。

本工程光伏太陽能發電系統由室外電池光伏組件、室內并網逆變器、室內交流匯流箱、室內并網柜及相關配套設備組成。

總建筑面積15315m2，屋頂面積6129m2，根據建筑屋面情況，在北邊、南邊和中間安裝室外電池板光伏組件，電池板光伏組件有效安裝面積為1715m2，共安裝628 塊260Wp 多晶硅雙玻組件，多晶硅雙玻組件尺寸為1.64m2/塊，電池板光伏組件總面積約為1030m2。車站屋頂電池板光伏組件平面布置如圖3 所示。

圖3 車站屋頂電池板光伏組件平面布置

本光伏發電系統直流裝機容量為163.28kWp，光伏發電系統共設計33kW 組串式逆變器5 臺，5 進1 出交流匯流箱1 臺，并網柜1 臺，監控系統1 套，380V 并網方式并網，光伏系統配置如表1 所示；光伏電纜經站臺屋頂層交流匯流箱、站廳層0.4kV 開關柜室設置的光伏并網柜并入電網，從而給電網供電，光伏系統總原理如圖4 所示。

表1 光伏系統配置

圖4 光伏系統總原理

2.3 防雷設計

太陽能發電系統電池板光伏組件會受到雷電的直接雷擊和雷電的間接感應雷。

2.3.1 防直擊雷

為防止雷電的直接雷擊，太陽能發電系統電池板光伏組件主要措施如下。

（1）電池板光伏組件安裝支架及基礎與建筑物防雷系統可靠電氣連接。

（2）逆變器內裝設Ⅰ級防雷保護。

（3）交流匯流柜內部設置防浪涌保護器。

2.3.2 防感應雷

預防感應雷措施主要如下。

（1）針對直流配電線路侵入的感應雷，逆變器直流側設置直流開關，并配置防浪涌保護器。

（2）與太陽能發電系統并接的外部電網中設置的0.4kV 低壓配電柜內安裝防浪涌保護器。

（3）室外進入配電小間的金屬橋架、配管與建筑物防雷系統可靠電氣連接。

2.4 光伏新能源系統年發電量

光伏新能源系統發電量受當地的日輻射量及環境質量影響，因此不能完全精確的計算出當地的年發電量，年發定量可按照下式估算。

Ep=365×HA×PAZ×K。

式中：Ep——年發電量，kW·h；HA——水平面太陽能日輻射量，（kW·h/m2）；PAZ——系統安裝總容量，kWp；K——綜合效率系數。

根據規范《光伏發電站設計規范》（GB 50797—2012）附錄B 內容，廣州市水平面太陽能日輻射量為HA=12110kJ/m2=12110×1/3600（kW·h）/m2=3.36（kW·h）/m2。

本工程系統安裝總容量PAZ=163.28kWp，綜合系數K 取0.7，光伏新能源系統年發電量為Ep=365xHAxPAZ×K=365×3.36（kW·h）/m2×163.28kWp×0.7=14.02 萬kW·h。

標準煤折標系數取1.229t/萬kW·h，折算為標準煤重量為：14.02 萬kW·h×1.229t/萬kW·h=17.23t。綜上，本項目每年可節約17.23t 標準煤，從而可以間接減少傳統能源的利用，減少大氣污染。

3 結語

綜上所述，光伏太陽能發電，作為再生能源是緩解能源危機的重要方向，其清潔、無污染、取之不盡的特性正得到世界各國的重視，因此，大力發展、推廣光伏太陽能發電技術，對于緩解能源危機乃至消除能源危機、減少傳統能源對地球環境的污染、保護地球的環境有著重要意義。