光伏发电系统在民用建筑项目中的应用

光伏发电系统在民用建筑项目中的应用

杨乐

中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司  新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市830000

摘要：近年来，我国建筑领域的节能创新技术得到了迅猛发展。绿色环保和可再生资源可持续发展，是我国建筑节能在未来的主要发展趋势，同时也是我国建筑技术提升的重要标志。太阳能作为一种可再生能源，如若得到良好利用，可以节省能源消耗。

关键词：光伏发电系统；民用建筑；项目应用

1项目概况

文章以某民用建筑的屋面光伏发电系统项目为研究案例。项目中，建筑屋面安装了光伏发电设备，发电设备安装的倾斜度为27°，组件的长度为1.65m，宽度为0.99m；使用的是250Wp的多晶硅光伏发电组件，总计16块，蓄能总容量为4kW。4块组件布设为1组，并排布设，前后各布设4排，总计16块；每组组件的安装间距为10mm，投影占地面积为23.28m2，使用平铺固定方式将组件安装在屋面可利用区域内。

2屋面光伏发电系统的设计

2.1组件选型

2.1.1光伏发电组件选型

光伏发电组件的成本占整个项目成本的比例非常高，应该降低光伏发电组件的成本，从而降低总成本。根据组件性能、市场销售状况、建筑面积、技术可行性等，选择使用275Wp的多晶硅双玻组件，组件的尺寸为1660mm×992mm×6mm。

2.1.2光伏并网逆变器选型

光伏组件布设比较密集，安装容量比较小，从组件后期检修维护的角度分析，适合使用单台容量小的逆变设备。但是若逆变器的容量较小，数量较多，会导致建设单位的投资成本增大，同时还会增大后期维护成本。根据实际情况，建筑较为分散，选择使用20kW的逆变器。

在选择并网逆变器时，需满足以下技术要求：（1）额定功率保持在0.85Pm～1.2Pm（Pm为最大功率）；（2）最大电压不小于空载电压；（3）运行电压不小于最小电压；（4）最大电流不小于短路电流；（5）额定电压与最大功率状态下的电压保持一致；（6）额定输出电压与电网额定电压保持一致；（7）额定频率与电网频率保持一致；（8）相数与电网相数保持一致。此外，逆变器的输出波形、频率误差必须符合并网管理的技术要求，还应该具备过压、短路保护功能。光伏发电系统采用的是可逆流发电系统，在选择逆变器时，应该保证其具备自动切换市电的功能。

2.1.3电缆选型

光伏发电系统的开路电压为376V；短路电流为17.5A，运行电压为314V，运行电流为15.96A。（1）直流端：汇流箱与光伏间导线选择使用2.5mm2铜导线，电流控制在16～25A之间；汇流箱与逆变器导线选择使用4mm2铜导线，电流控制在25～32A之间。（2）交流端：逆变器与断路器间导线选择使用4mm2铜导线，电流控制在25～32A之间。

2.2方阵安装

（1）安装方式选择。从安全性、经济性、美观性方面分析，选择双玻组件，使用固定方法对组件进行安装。

（2）方阵倾角选择。将组件按照倾斜方式安装可以使组件获得更多的太阳能，结合建筑屋面的形式，可在混凝土屋面与玻璃屋面使用平铺方式安装光伏发电组件。

（3）方阵排布。光伏发电组件按照22个/串的方式布设，按照4路接入逆变器（规格为20kW），如组件的容量比较小，可以选择使用小容量的逆变器。为了避免组件安装以后出现漏风现象，可以将光伏发电组件的间距设置为20mm。

（4）串并联方案。光伏发电组件选择使用275Wp多晶硅电池板，22个组件构成1串，组件使用固定倾角方式安装。逆变器可以直接就地完成逆变，将直流电压转换为交流电压，逆变器的输出端与汇流箱连接，而后通过强电检查井与高压配电室连接。

2.3继电保护及安全装置设计

（1）380/220V线路保护。光伏发电系统中的并网点具备短路瞬时、长延时功能，如线路发生故障，系统会自动断开断路器，迅速响应隔离故障管理要求。继电器保护装置自带保护功能，不需要安装二次保护设备。

（2）防孤岛监测。使用附带防孤岛保护功能的逆变器。在系统运行过程中，逆变器一旦检测到孤岛存在，会立即断开电网连接。

2.4电能计量装置设计

电能计量表应该具备三合一功能，上下网点计量电能表也可以作为并网电能表使用。电能表的精准度至少要达到1.0级，同时，应附带有双向计量功能。

2.5装机容量及发电量设计

因装机容量非常大，设计为“自发自用、全额消纳”模式，结合建筑位置、并网点分布状况，将光伏发电网络细分为多个光伏方阵，具体情况如表1所示。

表1 项目装机容量及发电量统计

光伏发电系统整体效率与交流网运行效率、光伏组件运行效率、逆变器运行效率等有关。光伏发电系统运行效率的影响因素主要包括逆变器运行效率、电网损耗率、电压损耗率、电池老化率。其中，因太阳能电池自身的老化问题，会导致光伏发电系统的运行效率、发电效率降低。项目中使用的电池组件使用寿命大概为25年，电池发电衰减率为25%，由此可以计算出，电池组件的平均发电量为90%。

3效益分析

3.1经济效益

发电经济性可以按照以下两种极端情况进行分析。（1）光伏发电系统的电量全部输送至国家电网，售卖给地方电网。按照当前的电量补贴标准，将每度电的补助价格设置为0.42元，分布式家庭发电的价格为每度电0.45元，由此可以计算出光伏发电系统每度电的收益为1.07元，每年发电的经济收益为1.07×5913=6326.91元。光伏发电系统的建设成本为36000元，建设成本回收时间为36000÷6326.9≈5.7年。（2）光伏发电系统的电量全部由家庭用户使用，未产生多余电能。家庭用电的价格为每度电0.55元，国家对分布式家庭的发电补助价格为0.45元，光伏发电系统每度电的收益应该为1.2元，则光伏发电系统每年的经济收益为1.2×5913=7095.6元。光伏发电系统的建设成本为36000元，建设成本回收时间为36000÷7095.6≈5.1年。

由此可以发现，家庭用户如若安装4kW的光伏发电系统，需要6年的时间才能够完全收回建设成本，而光伏发电系统的正常使用寿命为25年，以此来看，光伏发电系统的建设回报率较大。

3.2环境效益

1套光伏发电系统的正常使用寿命为25年，25年的总发电量为119600kW·h。相对于传统火电发电系统，光伏发电系统能够减少二氧化碳排放量117.45t，折算为标准煤，可以节省42.2t标准煤，而42.2t标准煤燃烧会排放3.12t二氧化碳。以此来看，发展光伏发电系统对于生态环境可持续发展具有一定的促进作用。

3.3社会效益

现阶段，世界各国对环境保护、新能源利用的关注度日益提升，光伏发电系统正处于高速发展阶段。不管是基于环境保护要求，还是站在传统产业创新升级方面，发展光伏发电系统都具备显著的社会效益。

4结语

综上所述，光伏发电系统是现阶段太阳能资源最普遍的一种利用方式，在能源危机的社会背景下，光伏发电系统具备可持续性发展、环境友好的优势。近年来，光伏发电系统是全球新能源产业中发展速度最快的产业之一，具备普遍适用性。回顾我国的新能源发展历程，从整体层面来看，阻碍光伏发电产业进一步发展的问题主要是电能储存、交换问题。在未来的发展过程中，光伏发电产业的发展方向应该聚焦于电能转换技术及电池管理控制技术的发展。

参考文献

[1]李光光.分布式光伏发电系统在民用建筑中的应用[J].通信电源技术,2018,35(10):125-126.

[2]蔡焕宁.太阳能光伏发电系统在民用建筑中的应用分析[J].建筑电气,2018,37(02):45-50.

[3]周希松.分布式光伏发电系统在民用建筑中的应用[J].现代建筑电气,2017,8(04):38-41.

[4]李雷,杨舒.光伏发电系统在建筑项目中的应用探讨[J].有色冶金设计与研究,2011,32(01):23-25+36.