建筑屋面分布式光伏發電項目設計探討

中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 陳錦成

1 引言

近年來，綠色低碳發展的主基調對建筑行業未來發展提出了明確的要求。隨著經濟水平與科學技術的迅速發展，人們對于住宅水平也有了更好的標準，尤其是對建筑設計的要求越來越高，從而導致當前建筑內部的供電系統越來越復雜，不斷增長的建筑用電量使較多地區出現了電力資源危機。因此，電力部門對于建筑內部的發電項目的安全與能耗提出了更高的要求。光伏發電技術作為一種可再生清潔能源，能夠較好地滿足綠色建筑低碳節能理念，所以在進行建筑電氣設計時，應該加大光伏發電技術應用，以保證建筑電氣的安全性與節能性。

2 分布式光伏發電技術原理及應用場景

分布式光伏發電技術的主要工作原理是指利用太陽能轉化成為機械能，最后轉化為電能。當前，該發電技術已經成為新能源發電技術中應用最為廣泛的一種，通過分析各種類型的新能源資源儲備量可以得出，太陽能資源的儲備量最多，所以將其應用于建筑物的電力系統能夠實現太陽能-電能的轉換，從而實現太陽能發電[1]。

分布式光伏發電系統雖然是一種新型的能源綜合利用系統，但是卻有著十分廣闊的利用空間。分布式光伏發電裝置主要包括：光伏組件、逆變器、支架、電纜、并網系統以及相關配件等[2]。其中，光伏組件和逆變器是整個裝置的核心部分。光伏組件由晶體硅太陽能電池、非晶體硅太陽能電池構建而成，逆變器的作用是將直流電轉變成為交流電，從而能夠將太陽能轉化為電能。支架是整個發電裝置的中心，其主要是起到支撐作用，該裝置主要是通過支架內部的電纜進行輸配電，同時還具備抗震、防風、防雪等功能。由此可見，分布式光伏發電裝置是由不同設備裝置構建而成的，只有使其協同工作才能將太陽能高效轉化為電能使用，從而實現綠色低碳、節能降耗的目的。

分布式光伏發電技術相比其他的新能源發電技術而言，具有零污染、效益高、適應范圍廣等特點。目前，我國分布式光伏發電機裝機容量已達10750.8kW，占發電機裝機容量的75%左右，可見裝機容量比例較大。由此可見，該發電技術的應用前景是十分廣泛的，經過實踐證明該發電技術能夠有效提高發電效率，并且在建筑領域的應用水平得到了社會各界的一致認可。分布式光伏發電技術如圖1所示。

圖1 分布式光伏發電技術

3 項目概況

本工程為某市大型商業綜合項目。本工程總建筑面積13900m2，建筑高度為92.5m。建筑布局地下B1-B3層為地下停車庫；一層、二層為商業營業廳、餐廳；三層為電影院、健身房；四層為物業管理、設備用房、辦公用房。其中，整個建筑物的屋頂均采用平鋪安裝與光伏發電相結合的方式，從而實現了資源的有效利用[3]。

4 總體設計

4.1 光伏組件

分布式發電技術相比其他的新能源發電技術而言，有著獨特的優勢之處。即無污染、效益高、適應范圍廣等。截至2021年，我國分布式光伏發電機裝機容量已達10750.8kW。

結合當前我國分布式光伏組件市場現狀以及產量情況來看，目前市場上采用最多的光伏組件配置為晶體硅以及薄膜等兩大類。其中，晶體硅光伏組件成熟度、性質穩定、市場份額最大、價格低廉、產量大等因素，因此本文將選定光伏組件為晶體硅[4]。

4.2 規格參數

由于晶體硅光伏組件的功率規格多，如5～670W。再加上本項目裝機規模較大，因此組件數量較多。本研究為了減少占地面積以及組件安裝量，將優先使用單位面積功率大的光伏組件。不僅能夠有效降低設備故障發生率，同時也能夠減少接觸阻力與電纜用量，從而能夠減少系統的整體損耗。經濟技術方案分析見表1。

表1 經濟技術方案分析

由表1可知，540W 光伏組件相比450W 組件而言，能夠有效節約屋頂面積644m2，節省租金12800元/年（2元/m2）；節省光伏專用電纜長度23000m，節省電纜成本46000元；節省支架30套。根據技術經濟方案以及本項目實際情況來看，適合采用72片封裝單晶硅光伏組件，型號規格為550W。然而，本階段只適用于選擇固定的運營方式，從項目和結構兩方面因素綜合來看，結合平鋪方式依次安裝屋頂光伏系統[5]。因此，本項目所采用的光伏組件與傳統發電模式相比，運行費用也十分合理，設備的初期總投資就能夠節省約將近100萬元，并且不需要設立單獨的機房放置設備，因此可以有效減少使用面積，并且周圍的商業用房的相關設置也不會受到實際的影響，再加上其零污染排放、系統運行可靠、設備維護管理方便、使用壽命長等優點，應用于本項目十分合適。

4.3 逆變器

針對本項目分布式光伏發電而言，其中逆變器設備是核心的部分，主要作用是將太陽能轉化成電能。當逆變器完成能源轉換后，首先會將電能源源不斷地輸送至建筑物進行供電，而剩余的一部分電能將會被存儲至電網中。此外，該設備具有過壓保護、電壓異常保護、過流保護等保護功能。因此，分布式光伏發電系統能否安全穩定運行與之有著直接作用關系?；诖?，本研究在設計光伏發電時，首先需要考慮整個建筑物整體情況，其次構建45kW 逆變器，每一臺逆變器的光伏最大配置設置為45÷4.05=11.11。因此，為了確保能夠滿足本項目建筑物實際供電需求，因此在設計逆變器光伏串時，需要為每一臺逆變器配置12串光伏串。

5 技術要點分析

5.1 確保環保節能設計質量

首先，本項目設計人員來說，在建筑物供電系統中應用分布式光伏節能環保技術，需要充分考慮該技術所帶來的長遠利益以及發展趨勢，不僅需要從經濟效益的角度出發，還需要站在未來市場環境發展的角度看待這一問題，然而這一切的前提是必須確保分布式光伏發電技術的質量。因此，在整個發電系統設計的過程中，設計人員一方面需要具備專業的光伏發電基礎知識，另一方面還需要綜合現場建筑物的實際情況，及時對設計方案進行調整，確保整個設計方案的合理化。

除此之外，在設計的過程中，相關的管理人員也需要在現場對設計人員的設計方案進行評估，確保整個設計方案要基于節能環保技術出發，才能夠實現綠色低碳的目標。

5.2 確保相關設備設計規范

由于分布式光伏發電系統能夠直接影響本建筑項目的低碳、節能、環保應用效果。因此，相關設計人員需要時刻根據本項目設計目標，盡可能地采用綠色、低碳、無污染的設備（如：太陽能）應用于本項目中，進而有效降低的能源消耗。

5.3 發電機組監管維護

本建筑項目分布式光伏發電系統是由多臺發電機組組合而成的，每一臺機組的發電量是300w 左右。分布式光伏發電機組主要采用的是集中控制方法進行處理。在實際運行過程中，需要安裝微機監控設備，進一步實現對發電機組的遠程控制。除此之外，針對分布式光伏發電機組的監管與維護過程中，需要在機組內部部署相應的保護裝置，同時滿足以下要求。

第一，分布式光伏發電機組的監控系統能夠起到對每臺發電機組的實時監控，同時還能夠將監測數據傳輸至云平臺中，而技術人員能夠利用上傳的數據分析該發電機組是否存在設備運行故障，同時還能夠遠程進行指定工作，實現對太陽能電池片的轉向調整。

第二，將監控設備部署于每一臺光伏發電機組中，能夠使計算機設備直接控制該發電機組，進而能夠實現對過壓保護、過流保護、傳感器保護等多種保護情況。一旦太陽能轉換成電能，在電力傳輸過程中的電壓和電流過高，此時監控設備將會立即切斷運輸電纜，從而確保發電機組的安全。

6 發電量與經濟效益

6.1 發電量

發電系統的實際運行效率是影響其發電量的關鍵性因素。在本項目中，由于雨水、灰塵等氣候以及光伏組件不匹配等都有可能導致發電系統的運行效率降低，同時逆變器、電纜、變壓器等設施設備的功率損失同樣也會導致發電系統的實際運行效率的下降，從而導致發電量降低?；诖?，本研究決定在PVDesigner 軟件中進行模擬，進一步得出了發電系統的各項能耗損失。其中，污穢損失約為2.5%；組件溫度損失約為4.35%，失配損失約為1.98%，電纜損失約為0.45%，逆變器效率損失約為1.45%，整體系統效率約為82.5%。根據本項目某市一大型商業綜合項目分布式光伏發電項目的年總發電量，可根據太陽能年總輻射量、發電系統組件總功率以及發電系統總效率等數據進行計算，得出式：

式中：Ep代表年總發電量；Ha代表太陽能年總輻射量；Paz代表發電系統總功率；K 代表發電系統總效率。由于需要考慮到使用年限的原因，太陽能電池片的運行效率會隨著時間有所減弱，因此本項目僅預測未來20～25年內該分布式光伏發電系統每一年發電量。采用PVDesigner 軟件進行模擬分析，將相應的設備參數填入模擬系統中，經過計算得出未來25年內，該發電系統的年發電量為985.2萬kWh。

6.2 經濟效益

根據上述的模擬計算可以得出，本研究分布式光伏發電項目應用于該大型商業綜合項目中能夠實現年發電量為985.2萬kWh，按照相關的火電煤耗發電標準來計算，本項目投入建設后平均每年可節約燃煤約1000t，因此也會減少大氣污染物的排放，同時該發電項目應用的主要資源為太陽能，其是一種清潔能源且可再生能源，緩解了我國電力事業用電緊張的問題，同時也為人們生活節約了用電成本。

7 結語

綜上所述，隨著經濟與科技的快速發展，人們的生活水平不斷改善和提高，對建筑設計的要求也不斷提升，從而造成目前建筑內部的供電系統越來越復雜，不斷增長的建筑用電量使較多地區出現了電力資源危機。分布式光伏發電技術的應用大大改善了我國電力緊缺的問題，同時也體現出了我國電力事業創新發展的品質。應用分布式光伏發電技術，不僅能夠節約能耗，同時還能夠降低環境污染。該技術有效滿足了現代化發展需要，實現了可持續發展的戰略目標，從而保障我國建筑行業與電力行業的長遠穩定發展。