新能源光伏發電助力建筑電氣節能減排探討

李加方

（中鐵十四局集團電氣化工程有限公司，濟南 250000）

1 新能源光伏發電概述

1.1 新能源光伏發電技術原理

新能源光伏發電技術依托太陽能光伏組件、逆變器、變壓器、匯流箱等元器件與設備設施將太陽能轉化為電能，其基本工作原理為半導體的光電效應。 新能源光伏發電技術在應用過程中， 利用光伏發電監控系統與功率監測系統動態監測太陽能轉化為電能的穩定性與可靠性， 利用并離網運行模式高效關聯局部光伏發電的微電網與主網， 有效補充主網電能與用電系統的用電量[1]。 具體做法為，利用光伏組串將太陽能轉換為高壓直流電， 經逆變器逆變后輸出為與主網同頻同相正弦交流電， 或可直接作為電氣設備用電， 或可直接向主網輸送。 在并離網運行模式下，當新能源光伏發電量無法滿足局部區域用電需求時， 主網可將同頻同相正弦交流電流輸送至用電設備端進行供電； 當新能源光伏發電量超出局部區域用電需求時，可將多余電能輸送至主網，有效補充主網電能。

1.2 新能源光伏發電相關構成

新能源光伏發電系統由光伏組件、逆變器、支架、并網箱、交直流線纜等元器件或輔材構成，其中，光伏發電組件是新能源光伏發電系統的核心部件，固定在太陽輻射可直射區域，利用半導體的光電效應將太陽能轉化為電能， 再利用直流電纜將方陣產生的電流輸送至逆變器中進行逆變， 并將逆變后的正弦交流電輸送至主網中。

1.2.1 光伏發電組件

光伏發電組件由光伏電池、背板、玻璃、鋁框架、線纜、連接器、膠封材料等元器件或材料構成，其中，光伏電池用于將太陽輻射能轉化為電能， 電池組件性能直接影響太陽能轉換率。 當前，常見的光伏電池類型有薄膜、單晶硅、多晶硅等。 不同類型的光伏電池優缺點不同， 如晶硅光伏電池的太陽能轉換率較高，電能轉換性能穩定；薄膜類光伏電池的太陽能轉換率相對較低，弱電響應能力強，光伏系統搭建成本較低。 背板布設于光伏電池背面，可有效隔絕空氣中的水分與電氣，以免光伏電池的轉換功能與性能受到不利環境因素波及。 玻璃布設于光伏發電組件面向太陽輻射的一面， 以良好的機械強度與透明性保證光伏發電組件的安全性。 連接器主要用于關聯光伏發電組件與電池箱，確保電氣正常連接。 線纜作為并離網工作模式的重要輔材， 用于連接光伏發電組件與用電設備或主網， 實現光伏發電組件轉換電能至用電設備或主網的有效傳輸。

1.2.2 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器用于將光伏發電組件轉換得到的直流電逆變為交流電，確保交流電與主網同頻、同相，有效補充主網電能。 當主網出現斷電情形時，光伏并網逆變器因過載而自動保護，將新能源光伏發電微電網與主網快速斷開，逆變器單獨運行為用電負載供電； 當新能源光伏發電微電網所提供的功率無法滿足用電設備的高負載要求時， 則光伏發電組件陣列端電壓降低，逆變器輸出的交流電壓降低，主網電能將通過連接器及時補充，滿足負載的用電要求。

綜上，光伏并網逆變器具有并網輸送交流電、離網向用電設備供電、自動調整電壓、低壓保護、故障保護、功率自動控制等功能。 當前，常用的光伏并網逆變器包括組串式逆變器、集中式逆變器，其中，集中式逆變器是將直流電匯總逆變為交流電后升壓并網，電網調節性較好，組建配置靈活度不高；組串式逆變器是將直流電直接逆變為交流電后升壓并網， 安裝靈活、發電率較高，但發電監控難、故障率高、穩定性差。 因此，在選擇光伏并網逆變器時，應綜合考慮不同類別的建造成本、維護便利性、發電率、配置靈活度等，因地制宜地保證光伏組件轉換直流電的逆變性能。

1.2.3 光伏發電監控系統

光伏發電監控系統用于對光伏發電的各類組件設備進行實時監測與控制，監測對象包括光伏發電組件、光伏并網逆變器、匯流箱等，利用傳感器動態采集組件設備的工作參數，反演其工作狀態， 以便新能源光伏發電系統運維人員實時掌握系統運行情況，提前發現系統運行故障，提高故障預警率與修復率。 此外，利用新能源光伏發電控制系統對電量進行動態調節，合理調度與控制電量，配合光伏并網逆變器實現用電設備供電、蓄電池存儲與主網對接輸出。

2 新能源光伏發電助力建筑電氣節能減排的優勢

2.1 提升能源使用效果

將新能源光伏發電系統應用于建筑電氣節能減排中，可以充分引入太陽能這類清潔能源，將其轉化為電能，提高新能源在建筑電氣工程投運中的能源占比， 減少不可再生資源的利用。 同時，新能源光伏發電系統通常就地安裝、原地使用，在建筑屋面或周邊空曠區域布設多晶硅光伏組件、 逆變器、支架、并網箱、交直流線等元件設備，有效避免了電能資源在長距離運輸中產生的線路損耗。 此外，建筑電氣節能減排時，多將新能源光伏發電系統安裝部署在建筑屋面， 不僅可直接吸收太陽輻射，將其轉化為電能，還可幫助建筑有效遮擋太陽直射，減緩屋頂升溫過程，從而間接降低建筑內的溫度，減少空調用電負荷，提高空調使用效果[2]。

2.2 安全性高、污染小

新能源光伏發電系統利用半導體的光電效應將太陽能轉化為電能，電能的產生無須消耗不可再生的化石能源，也不會產生有害氣體、固體廢棄物等，造成污染大氣環境、土壤環境與水環境。 同時，相較于變電站、配電站等主網設備站點而言，新能源光伏發電系統的建設難度較低、組建配置靈活度較高、施工安全性較高。 新能源光伏發電系統技術相對成熟，運行安全系數較高，將新能源光伏發電系統應用到建筑電氣節能中，可以減少建筑電氣安全隱患。

2.3 供電可靠

新能源光伏發電系統應用在建筑電氣節能中， 依托建筑的主體結構、圍護結構、附屬設施等布設光伏發電系統，利用建材產品打造建筑、光伏發電一體化建設項目，可提高光伏發電系統的可靠性。 如利用光伏建材作為建筑屋面的施工材料，將新能源光伏發電系統嵌入建筑工程中， 提高了建筑工程與光伏發電系統的一體化建設水平。 同時，利用光伏并網逆變器將直流電逆變轉換為交流電， 交流電功率充足時可穩定供應負載用電，并將剩余電能輸送至主網；交流電功率不足時，逆變器端的電壓較低，主網將電能資源輸送至負載端，滿足負載用電需求。 因此，新能源光伏發電系統可以充分發揮分布式電能資源的效用，為建筑內電氣設備的穩定供電提供保障。

2.4 占地面積小

新能源光伏發電系統多分布在建筑的主體結構、 圍護結構、附屬設施等部位，對建筑的計容面積影響不大，也不會擴大實際占地面積，可以有效節約土地資源，在不增加城市土地利用壓力的前提下，為建筑電氣工程提供安全、可靠、穩定的電力資源。

2.5 運營成本低

相較于電網各類配電工程， 新能源光伏發電系統的施工內容簡單、工期較短，投入成本較低，多晶硅光伏發電組件等技術與元器件相對成熟，故障率較低，運營維護較為便利。 因此，新能源光伏發電系統的投資回報周期短，各類元器件的使用壽命較長，可較好地滿足建筑電氣工程長期、穩定、低成本的供電需求。

3 新能源光伏發電助力建筑電氣節能減排的具體措施

3.1 建筑電氣設計中嵌入新能源光伏發電

建筑電氣設計時，需結合建筑實際使用需要，估算電氣負荷，設計照明系統、配電系統、電氣維護系統，科學選擇高效節能的電氣設備，并根據建筑功能空間布局與電氣設備布置，合理布置電氣系統配線。 為強化新能源光伏發電在建筑電氣節能減排中的應用效果，應在建筑電氣設計階段，乃至建筑工程設計階段，融合新能源光伏發電系統設計，如在建筑工程設計時，考慮將新能源光伏發電系統安裝布設在屋面或立面，選用光伏建材作為建筑屋頂材料或立面材料等； 在建筑電氣設計時，根據建筑的電氣負荷選用適宜的光伏發電組件，光伏發電系統的連接器布設應根據建筑電氣設計方案中的配線布設方案合理設計等。 通過在建筑電氣設計中融入新能源光伏發電，可以提高建筑與光伏發電一體化設計與建設水平， 有效降低新能源光伏發電系統建設成本，提升建筑電氣節能減排成效。

3.2 新能源光伏發電系統并離網靈活調度

在不同強度的太陽輻射條件下， 新能源光伏發電系統的輸出功率不同，將新能源光伏發電系統引入建筑電氣工程中，利用并離網工作模式靈活調度新能源光伏發電系統的電能輸出情況，可切實提高光伏發電系統的發電效率，保證建筑節能減排成效。 具體做法為，當太陽輻射強度較大時，利用新能源光伏發電系統向建筑電氣設備供電， 并將多余的電能輸送至超級電容器、 鈉離子電池等蓄電系統中進行存儲或輸送至主網；當太陽輻射強度較低時，利用蓄電系統為建筑電氣設備供電，實現新能源光伏發電系統輸出電能的最大化利用[3]。

3.3 建筑電氣設備設施節能運行

引入新能源光伏發電系統， 可以提高建筑電氣設備設施對能源的利用率，以及建筑節能減排的成效。 例如，在建筑電氣工程的照明系統中采用智能感應燈， 利用光感或聲感控制照明設備的工作參數， 確保照明設備在建筑室內光線較暗或室內有聲音的情況下開啟， 合理利用新能源光伏發電系統產生的電能資源，以光伏發電與建筑電氣節能系統的協同運作，提高建筑電氣節能減排效果。

3.4 注意事項

新能源光伏發電系統助力建筑電氣節能減排時， 對建筑電氣設計方案中的電氣負荷、配線布設、電氣設備布置、繼電保護措施等做好充分對接， 確保建筑電氣的電能供應正常且穩定。 建筑工程設計與施工時，應做好新能源光伏發電系統安裝的預留、預埋工作，以前瞻性視角推進光伏模塊與建筑電氣一體化建設，提高新能源光伏發電系統與建筑結構、電氣設計方案的吻合度與適配性。

4 結語

在“雙碳”戰略背景下，利用新能源光伏發電系統將太陽能轉化為電能， 并將其應用于建筑電氣設備用電供應等環節中，可有效補充電氣負載的用電負荷，提高新能源在建筑電氣運行消耗能源中的占比，提高建筑電氣的能源利用率，達到節能減排的目的。