光伏发电系统在建筑供配电中的应用

陈艳梅

（黄河上游水电开发有限责任公司）

1 引言

据有关数据表明，目前我国建筑物的能源消耗占总体能源消耗的一半以上，建筑物的节能减排已成为我国能源问题中最亟待解决的问题之一。而太阳能以其清洁、高效、可再生等特点成为解决能源紧缺问题的有力抓手。

城市的发展，经济的增长，用电量越来越大，现有的公网结构缺点不断显现：运行难、耗资巨大、故障频发，末端用户的用电可靠性不能得到保证，这些问题都对城市的生产、生活产生了巨大影响。太阳能光伏发电技术作为分布式、清洁、可再生能源可大大缓解公网压力，并可作为边远地区的电力补充。太阳能光伏发电技术源于1954 年，美国贝尔研究所第一次研究出单晶硅太阳能电池，从此开创了利用太阳能进行光伏发电的新时代。

光伏发电与建筑联动，通过现有建筑物本身的受光面积，比如屋顶、外立面的光伏玻璃等，建立太阳能发电系统，并给建筑本体进行供电，这成为建筑物节能减排的重要途径。本文研究太阳能光伏发电技术在建筑供配电中的应用，对缓解我国能源紧缺和环境污染、降低建筑用电能耗问题有重大的现实意义[1]。

2 光伏发电系统的组成

2.1 太阳能光伏板

在整个光伏发电系统组成中，最核心的元器件就是太阳能的光伏板，它的主要成分是硅，它可以吸收太阳辐射通过光电效应转化为电能。整个发电系统中，光电转换效率的关键就是光伏板的质量。

2.2 蓄电池

蓄电池的主要用途是在阳光丰沛时补偿和平抑系统功率的波动，在满足用电要求的前提下把剩余的电能存储起来用于在夜间和阴雨天气时补偿输送回系统负载电路。

2.3 PWM控制模块

通过测量系统电路中的电压和电流数据，PWM 控制模块可以分析出系统工况的最大功率上限，通过调整开关电源中占空比来生成电流扰动，监测光伏发电系统实时功率的变化来进行功率最高点的跟踪[2]。

2.4 单轴跟踪系统

光伏发电跟踪系统主要分为单轴跟踪系统和双轴跟踪系统，考虑到建筑物受光表面的限制和系统结构造价过高等问题，双轴跟踪系统不适合在建筑物屋顶安装，所以建筑中通常采用单轴跟踪系统，其作用主要是利用光敏电阻的感光特性，测量光伏板上下的光强大小，进而通过控制步进电机，调节光伏板的水平角度，确保太阳直射光伏板，提高系统的工作效率。

3 光伏发电系统在建筑供配电中的应用分析

光伏发电是非常重要的清洁能源，如何把光伏发电应用在民用建筑供配电系统中，将是未来建筑建设重要的发展方向。光伏发电系统在建筑的应用中主要有一些问题。

1）光伏发电和市政大电网的结合分析

在一二级供电负荷中，需要有两个电源，当一级负荷其中一个负荷故障时，另一个需要保证正常工作。光伏发电只能在白天工作，遇到阴雨天气时发电效率也会大大降低，这样就导致其具有时效性的不稳定特点，所以直接把光伏发电系统作为一二级负荷的其中一路电源是不可行的。若要使用光伏发电系统当作另一路电源就需要接入蓄电池帮助稳定电力供应。这种做法和传统灯具接入UPS 电源等备用电源类似，把之前接入市政电网的备用电池改为接入光伏发电系统即可。在配置备用电源蓄电池时需要根据要求设计所需蓄电池的大小，容量过小无法达到使用需求，过度加大容量又会造成浪费，这对设计者来说是个矛盾的问题[3]。

所以基于光伏发电的不稳定性，用其提高供电的等级并不可靠，必须借助蓄电池来保证系统的稳定性，而蓄电池的使用维护也会同时带来很多问题。因此，通常情况下并不会考虑使用光伏发电提高供电等级，光伏发电系统的设计仅从最大发电可利用的角度考虑即可。

2）光伏发电系统的供电负荷类别

在民用建筑中，电力负荷主要分为照明、动力和工业负荷三种，因工业负荷情况复杂，存在极大不确定性，所以采用光伏发电系统为工业负荷供电并不合适。光伏发电应用在建筑领域主要为照明和动力负荷提供电力。在动力负荷启动时，会有启动电流冲击系统，所以需要根据电机的启动冲击容量来确定光伏发电系统的发电容量。动力负荷主要有新风、空调、水泵和电梯等设备。空调系统在我国多数地区只在部分时间段运行，这时光伏发电系统会进入怠工状态，新风和水泵系统也是一样，如果无法保持高效运转，就会造成光伏发电利用率低下。因此，在为动力负荷供电时，除了光伏发电系统外，还需要接入市政大电网并网运行，这样才可以保障用电设备的稳定运转。

独立的光伏发电系统最适合为照明系统进行供电，在白天无法正常采光而需要覆盖照明设备的建筑室内区域，光伏发电系统会发挥最大效率。而对于夜间室外景观的照明需求，通过接入蓄电池把白天产生的电能储存后，在晚上提供照明使用，同样有很好的效果。因为照明的需求并不会受季节的影响，全年都有稳定的应用，使用光伏发电系统最为合适。

4 光伏发电的供配电设计

4.1 光伏接线箱设计

光伏接线箱内安装有直流断路器、电涌保护器等设备，它负责连接光伏阵列中所有的光伏组件，在光伏发电系统维修和保养时负责分离电路对系统进行保护，当光伏发电系统出现故障时缩小受影响的范围。在光伏箱中同时还需要安装汇流铜母排和端子，所有的光伏设备组件都需要经过线缆连接到母排，并在母排前后安装隔离设备及短路防护设备，在安装时需要把光伏接线箱安装到方便检修和操作的区域，安装在室外环境的光伏接线箱还需要有防水和防腐蚀的保护措施[4]。

4.2 光伏配电箱的设计

光伏配电箱主要分为交流式配电箱和直流式配电箱两种，配电箱中需要安装汇流铜母排、直流断路设备、电涌保护设备等电气设备。光伏配电箱需要安装在室内干燥通风的环境内，如果需要安装在户外，则需要进行防水、防腐处理，防护等级需要高于IP54。

4.3 并网配电箱的设计

并网配电箱是负责连接光伏发电系统和市政大电网最重要的设备，它主要有防雷接地、保护隔离、防逆流保护等能力。当光伏发电系统并网连接进入市政大电网时，每个单独系统出现故障或者需要关闭检修时，就需要通过并网配电箱对两个供电系统进行有效隔离，这样就可以对供配电系统和人身安全提供绝对的安全保护，在光伏发电系统和市政大电网之间必须要有专门的连接装置和隔离设备。

4.4 光伏发电系统的保护设计

光伏发电系统的保护设计主要有防雷和接地保护两方面，同时还要考虑兼顾建筑的电气系统保护。雷电分为直击雷和感应雷两种，直击雷指直接击中光伏阵列、配电设备周围的雷击，主要的保护措施是安装避雷针和避雷带。感应雷是由电磁感应和静电感应造成的雷电，防护感应雷需要安装电涌保护设备。雷击具有极大的破坏性，除了危害人身安全，还会对电力设备造成损害，严重时会引发火灾，所以有效的防雷设计极为重要。

光伏发电系统的接地主要是对人身安全进行保护，另外也保证了发配电设备的稳定运行。光伏板阵列的接地线缆需要和建筑的电气系统接地连接，所有电气设备的金属外壳都需要独立连接到接地干线，并且连接点要多于两个，而且光伏发电系统的直流侧还需要进行等电位保护。

5 光伏发电系统应用在建筑供配电中的意义

随着绿色建筑概念的深入，以及公众对节能减排的需求，国家从政策上积极支持绿色能源的使用，使太阳能光伏发电在建筑中的应用越来越多，我国多个地市已经明确了绿色建筑的相关标准和要求，国家也对绿建有着不同程度的补助和奖励，为了达到相关指标，获得奖励和补助，很多甲方都采用了太阳能光伏发电技术，既能符合政策导向，又能解决公网用电压力，还能为用户端节约电费，可谓一举多得。

6 结语

虽然，我国国内对太阳能光伏发电技术的应用还处于初级阶段，多为政策驱动，并由于使用成本高等问题，推广范围和认可度还有限，但是，我国人口众多，建筑体量大，对太阳能光伏发电技术的使用具有巨大潜力。太阳能光伏发电系统在建筑供配电中的应用也会因其环保无污染、节能不占地、既能补充大电网又能满足自身需求等要素的影响，迎来更大的市场发展空间。