现代建筑太阳能光伏发电系统的设计

现代建筑太阳能光伏发电系统的设计

张幸乐

（广东呈斯意特建筑设计有限公司广东惠州516000）

【摘要】太阳能是清洁无污染的可再生能源。随着气候变化和环境问题日益受到重视，太阳能应用也迎来了春天。建筑本身是耗能大户，占用全社会能耗的1/3，应用太阳能可降低对传统化石能源的依赖，减少废气污染和碳排放，有利于环境保护。而太阳能光伏发电与建筑结合，既有效利用了太阳能，也节省了稀缺的土地资源，因而成为建筑节能、节地政策的优先选项。良好的设计是确保光伏系统高效运行的基础，因此本文对相关内容进行了分析。

【关键词】太阳能光伏发电；电气设计；分析

DesignofModernBuildingSolarPphotovoltaicPowerGenerationSystem

ZhangXing-le

【Abstract】Solarenergyisacleanandnonpollutingrenewableenergysource.Withclimatechangeandenvironmentalissuesmoreandmoreattention,theuseofsolarenergyhasalsousheredinthespring.Buildingitselfisalargeenergyconsumption,theuseofthewholesocietyenergyconsumptionof1/3,theapplicationofsolarenergycanreducethedependenceontraditionalfossilenergy,reduceemissionsandcarbonemissions,isconducivetoenvironmentalprotection.Andsolarphotovoltaicpowergenerationandconstruction,boththeeffectiveuseofsolarenergy,butalsotosavethescarcelandresources,andthusbecomeabuildingenergysaving,landsavingpriorityoption.Gooddesignisthebasistoensuretheefficientoperationofphotovoltaicsystem,sotherelevantcontentofthispaperisanalyzed.

【Keywords】Solarphotovoltaicpowergeneration;Electricaldesign;Analysis

【中图分类号】TM615【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2016）20-0020-02

1.太阳能光伏发电系统的构成与运行原理

1.1光伏系统构成

太阳能光伏发电系统由光伏组件（光伏方阵）、光伏接线箱、直流配电柜、光伏逆变器、交流配电柜等组成[1,2]。

1.2光伏系统运行原理

光伏系统分为离网型和并网型。前者利用太阳能电池板将太阳能转变为电能，通过控制器将电能储存在蓄电池组中或经光伏逆变器转换为交流电，供交流设备使用。后者得到的直流电一般不经过蓄电池组，而是直接由并网逆变器转换为交流电后并入电网。

2.太阳能光伏发电系统的设计

2.1设计原则

根据《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》（JGJ203-2010）第3.1.2和4.1.1规定，光伏系统的选型和设计应与建筑有机结合，所以设计人员需要统筹考虑建筑、结构、通风等各方面的因素，以便综合发电量、发电效率、美观适用、结构安全以及方便施工、维护和管理等目的，当然也要兼顾经济性能。

2.2光伏系统及主要部件选型

2.2.1光伏与建筑结合形式选型

光伏与建筑的结合分为BAPV和BIPV两种形式[3]。BAPV也称为光伏附着设计，即不改变建筑物结构形式，只是将光伏组件固定在建筑物上；BIPV是通过专门设计使光伏组件与建筑物良好结合。按JGJ203-2010第4.1.1条的含义，新建建筑应采用BIPV，既有建筑上装设光伏组件不大可能满足BIPV条件，所以笔者认为应选择BAPV形式。

2.2.2光伏组件选型

目前，光伏组件包括晶硅组件、薄膜组件和聚光组件三类。其中晶硅组件在光电转化率（15%～20%）、技术成熟度等方面仍然占有明显优势；薄膜组件虽成本较低，但光电转化率较低（5%～8%）；聚光组件光电转化率达40%，但需冷却装置，占用体积和整体造价方面是其劣势所在。因此，通常情况下宜选择晶硅组件。晶硅组件又可再细分为单晶硅组件和多晶硅组件，前者光电转化率更高一些、性能也更稳定，一般情况下应选择单晶硅组件。

2.2.3逆变器选型

逆变器分组串式和集中型两种型式。前者适于小型或大型分散并网光伏电站，特点是可以分散安装，安装位置灵活；后者适于大中型光伏电站，特点是占地面积小，线缆用量少，监控维护方便。另外，还需要根据输入功率、电压、电流、直流路数等参数选择合适的逆变器。

2.3光伏方阵布置

2.3.1布置方式

光伏方阵有2种布置方式，一种是跟踪太阳，另一种是选择全年获得最大太阳辐射量的最佳安装角度。前一种对太阳能的利用效率高，但系统复杂，造价高，所以建筑光伏系统通常选择后一种。

2.3.2最佳安装倾角

最佳安装角度可根据当地气象资料进行计算，对于纬度=0°～25°地区，光伏阵列的最佳安装倾角=，例如惠州市纬度为23°09′，最佳安装倾角=23°；纬度26°～40°，光伏阵列的最佳安装倾角=+（5°～10°），例如长沙市纬度为28°12′，最佳安装倾角=34°。

2.3.3安装方位角

地处北半球，向南可接受较多的太阳辐射量，所以电池安装方位角可选正南±20°范围内。同时应尽量避开建筑物、树木的阴影遮挡。

2.3.4光伏阵列间距

为避免阴影的影响，光伏方阵之间应保持足够的距离，一般要求冬至日早9:00～15:00光伏方阵不被遮挡。可按以下公式计算：，其中，，为前后方阵投影到地面的距离，为光伏方阵与被遮挡组件底边的高度差，为纬度。惠州纬度=23.15°，=0.7m，利用上述公式可计算出=0.9920m，取光伏阵列间距1m。

2.4光伏发电量计算

2.4.1光伏阵列太阳辐射量计算

日辐射量可利用公式计算，式中为倾角的光伏方阵上的太阳总辐射量，为水平面辐射量，为正午时太阳高度角，为月度日均散射辐射量。，其中为纬度，为从1月1日起的日期编号，d=357[4]。

2.4.2光伏发电量计算

单位面积光伏方阵年发电量可利用公式计算，其中为多年平均辐射总量，为光电转化效率。利用2.4.1小节数据，计算=3.92×365×16%×1000/3600=63.59kWh/m2。

2.5光伏方阵面积计算

某建筑最大平均每日用电量为30kWh，不采用储能装置，则光伏方阵面积可按公式计算。其中为光伏方阵面积；为光伏方阵平面设计辐射量；、为日照输入、输出系统的效率。，其中为日照输入电量效率；=0.9；为蓄电池电量效率，无蓄电池=1；为最大功率跟踪器效率，固定装置=1；为灰尘系数，=0.95；蓄电池效率，无蓄电池=1。，其中为光伏组件效率，=16%；为最大功率温度系数，=-0.5%；、分别为光伏组件工作温度与标准温度，=28.4℃（12月平均温度8.4℃，再加20℃），=25℃。带入上述公式=55.01m2。采用某型号单晶硅电池组件，尺寸为1116mm×1316mm，面积为1.47m2，共需40片。采用南北方向4块1组，共10路接入汇流箱，每4路串联开路电压约480V。交流配电箱（柜）并网上级断路器选用16A，并网逆变器选用3kW。光伏组件安装在屋顶采光顶上。

3.结语

为了实现经济社会可持续发展目标，需要大力推广清洁能源和绿色建筑技术。建筑一体化太阳能光伏发电系统的应用很好地适应了这一发展趋势，因此电气设计人员应加强新技术、新材料和新装备的研究，以便在实践中不断提高节能技术的应用水平，为太阳能光伏发电的推广应用做出更大贡献。

参考文献

[1]朱飞宇.太阳能光伏发电系统的工程应用[J].现代建筑电气，2013,4(10)：46-48，64.

[2]李宁峰，于国才.屋顶太阳能光伏发电系统的设计[J].江苏电机工程，2012,31(3)：43-45.

[3]肖冬开，何清，詹龙鹏.深圳火车北站太阳能光伏发电系统设计[J].建筑电气，2012,31(10)：21-32.

[4]朱飞宇，曾理.建筑一体化太阳能光伏发电系统在办公楼改建工程中的应用[J].低压电器，2012(13)：21-24.