摘要：文章针对绿色建筑内光伏发电系统的设计，归纳了光伏发电系统的设计流程，总结了光伏组件、逆变器、汇流箱的选型和安装要求，阐述了独立运行和并网运行系统方案在设计阶段的区别，提出了有效的系统运行方案。从经济运行角度计算了光伏系统运行过程中的收益。通过实际应用的案例，介绍设计方案、设备选型和系统接线，量化分析收益和设计成果。
关键词：建筑光伏发电；并网发电；经济效益估算；绿色建筑；分布式能源
引言
随着国家大力推进节能减排战略，绿色建筑的概念日益被人们接受。我国到2020年，绿色建筑占新建建筑比重将超过30%。在绿色建筑评价体系中，对太阳能的利用是重要的一部分。太阳能光伏发电技术目前较为成熟，市场上应用广泛，市场运营模式健全，经济效益可观，而且国家大力扶持，有一系列补贴政策。所以太阳能是目前利用最广泛的可再生能源，我国太阳能资源丰富，发展潜力巨大。建筑光伏发电较集中式光伏电站，对土地资源的要求更低，且电能可以就地消纳，无需长距离传送，避免了电能的损耗，同时对公共电网的冲击也较小。建筑屋顶可利用面积大，增长潜力巨大，是可再生能源发展利用的重要方向。绿色建筑的光伏系统在设计应用时，需要考虑其他方面的要求，如对建筑结构承载能力的考量，对建筑功能和外观的影响。系统设计会变得更为复杂，根据所在地区的气候特点，建筑的周边环境，阴影遮挡，选择相应的光伏组件，安装位置和方式，兼顾建筑的外观，同时考虑发热对建筑的影响。设计流程为：光伏电量需求分析，确定光伏系统的形式，收集当地日照、气象、地理等条件，确定建筑可利用光伏发电的区域；光伏组件的选型与布置、确定发电容量，控制器、逆变器的型号容量选择，组件的支架与安装方式设计，交流侧系统设计，系统防雷、接地与保护的设计与配置，监控和测量系统的设计。
1光伏发电主要设备选型
1.1光伏组件的选型及安装
1.1.1光伏电池类型及特点分析光伏组件需满足下列要求：（1）有足够的机械强度，能够承受诸如冰雹等极端天气的影响；（2）有良好的密封性，可以防风、防水、减少外界对太阳能电池的腐蚀；（3）抗紫外线辐射；（4）绝缘良好；（5）电池单元间的连接可靠且能耗小；（6）有足够的工作寿命，一般工程上要求有20年以上的使用寿命；（7）组件之间的特性偏差不大，有相同的输出特性。主流的太阳能组件尺寸规格大约有两种，1000mm×1600m和1000mm×1900mm，分别由60个和72个电池片组成。整个系统应尽量选择同一型号的光伏组件，避免出现各支路电流不平衡，各时段效率不同等情况。1.1.2光伏设备的组装要求光伏电池方阵应选择朝南安装，如果有特殊原因限制，方阵面向东或西偏转的角度不应大于当地地理纬度的角度[1]。在屋顶安装光伏系统时，应设置避雷装置及栏杆扶手等保护设施。光伏阵列一般为固定式安装，安装倾角可参考文献[1]附录B的值，不同于集中式电站，建筑光伏与屋顶面积、周边环境、屋顶承载力等相关，宜根据实际情况进行综合考虑。光伏设备支架的承载和防风及屋顶的承重应经过严格力学计算的验证。光伏组件间距的设计原则是在冬至当天9：00~15：00光伏方阵不被阻挡。光伏阵列的布置需要综合考虑屋顶面积的利用率和早晚阵列前后遮挡所造成的热斑效应来选择横排或竖排方式。根据理论计算，横向排布可比纵向排布多5%左右的发电量，增加20%的占地面积，但安装的工程量和难度会稍大。
1.2光伏逆变器的选型
光伏逆变器将光伏发出的直流电转换为民用电压的交流电或并网点电压的交流电，是光伏发电系统中关键的一个环节。光伏逆变器的选型原则如下：（1）由于光伏逆变器容量越大，单位功率制造成本越低，效率越高，对于绿色建筑，可考虑选用一台容量可覆盖发电功率的逆变器；（2）由于一天中光伏发电量变化较大，需要选择直流输入电压范围宽的逆变器，从而可以最大限度地利用太阳能，增加光伏系统发电时间；（3）需要有抗干扰能力和过载能力；（4）当光伏发电系统发生故障后，逆变器应能将光伏系统从主网中解列，当故障排除后应能重新并网；（5）光伏逆变器必须装有防止孤岛运行的保护措施[2]。MPPT（MaximumPowerPointTracking最大功率点跟踪）控制器可以对光伏阵列直流输出的最大功率点进行跟踪，光伏电池的输出特性随环境温度和日照强度的变化会呈现不同的功率输出特性，MPPT控制器及其算法可以通过改变负载特性提高光伏组件的发电效率。典型的MPPT算法有：扰动观察法、定压跟踪法、模糊控制法、导纳增量法[3]。这些控制算法各有优缺点，应用于建筑光伏系统时需要根据实际环境情况及项目需求选择合适的算法。根据实际的设计经验，光伏组件的串联数目一般为18个、20个或22个，依据光伏组件的选型计算出逆变器MPPT电压最大值和最小值以及最大直流输入电压，选择符合要求的MPPT电压范围，并估算整个系统的发电功率和直流侧总电流，最后决定逆变器型号和个数。
1.3汇流箱的选型及安装
汇流箱的作用是将光伏方阵的多路直流输出电缆分组并汇集，使得接线有序便于维护，在发生局部故障时，可以局部检修，不影响整体工作，汇流箱的下一级接入逆变器，建筑光伏系统中常用12串或16串输入的汇流箱，汇流箱中应由直流故障保护单元、断路器、熔断器、防雷、浪涌保护器等元件构成，并配有电量检测系统和通信单元，可以实时将汇流箱内部的分支电流、电压和功率等参数上传到控制中心并可以远程操作开关。汇流箱的安装位置应就近安装在组件串的附近，从而减少电缆铺设长度和线损。箱体的安装高度满足各限制的要求，箱体底部留有足够空间用来安装、维修，箱体的防护等级应根据现场环境确定。
2光伏系统运行方案
2.1独立运行系统
独立光伏系统即离网光伏发电系统，系统所发出的电能提供本建筑物内电器使用，与公共电网隔离。负荷类型可以是直流负荷，交流负荷或者交直流混合的负荷。系统可分为有蓄电池和无蓄电池系统。在有蓄电池系统中，当发电功率大于本地负荷，可以将电能存储于蓄电池中，在发电低谷时使用。当发电功率低于负荷，并且蓄电池提供的电量仍不满足要求时，可以使用公共电网提供负荷。系统中需要安装光伏控制器，在蓄电池充满电时，光伏系统停止发电，防止蓄电池过充，当蓄电池低电量时，停止蓄电池放电，有效保护蓄电池。
2.2并网运行系统
并网运行是通过并网逆变器将所发的电能直接并入电网，光伏发电系统可以看做是一个分布式的电源，在建筑的公共电网接入点，电能可以是由电网流入建筑，也可以由建筑流向电网。相比独立运行系统，并网运行可以不采用蓄电池和光伏控制器，但需要并网逆变器和防孤岛运行系统。并网运行可以充分利用光伏电能，不会造成能量浪费，系统的固定成本比独立运行系统小，使用寿命一般按25年设计，而独立系统受制于蓄电池的使用寿命一般为10年左右，并网系统的运行维护成本也相对较低，目前并网技术已经成熟，建筑周边的电网接入点较多，因此，在设计建筑光伏发电系统时，一般重点考虑并网运行方案。并网逆变器配置以太网通讯和RS-485接口，把数据传输到计算机上观察、操作，监控系统应对下列参数进行监测和显示：光伏阵列直流侧的电压和电流、交流侧电压和电流、当日发电量、实时发电功率、总发电量、太阳辐射量、环境温度等系统参数、光伏组件温度，减少的二氧化碳排放量和故障状态等信息。
2.3系统接线的设计方法
以并网运行系统为例，并网接入电网的方式有：专线接入和支线接入方式。在设计系统前应先统计光伏组件的总数，选择串联个数和总串数，根据串数选择合适的光伏汇流箱型号和个数，组成光伏系统直流侧的接线。为保证系统电压稳定，每一串组件个数必须相同，而每个汇流箱接入的串数可以不同，要以节省汇流箱个数为原则进行分配。统一连接到室内直流配电柜，直流电压接入光伏逆变器逆变后连接到公共电网中。并网型建筑光伏发电系统是典型的分布式电源，为保证并网后对公共电网的冲击影响不超过限值，要求分布式电源的装机容量不超过上一级变压器容量的20%。
3经济效益分析
在设计建筑光伏系统时，经济效益是衡量项目是否可行的一个重要指标，需提供经济效益的评估表，确定投资回收周期和收益。建筑光伏系统输出功率相对较小，一般而言，一个建筑光伏系统项目的容量在数千千瓦以内，相比集中式电站，免去了土地价格，降低了安装费用和输配电费用。建筑光伏系统项目在发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染，环保效益突出，因此，发电系统的外部效益同样不可忽视。
4案例
以上海地区一个绿色建筑示范工业园屋顶光伏系统的设计为例，选择并网运行模式，可利用的屋顶面积约为5000m2，采用1496块1.6m*1m的光伏组件，最大输出功率为250W，装机容量374kWp。22块组件为一串，共68串，每12串接入同一个汇流箱，不同建筑之间不宜共用汇流箱，所以项目总计使用7个汇流箱。所有直流线路接入园区的配电间的直流配电柜内，采用一个550kVA的三相逆变器，满载MPPT电压范围为450-850V，最大输入电流为1200A。光伏组件分别安装在2个车间、1个办公楼的屋顶以及停车场顶棚上，组件的安装倾斜角度为25°。上海地区的年太阳辐射量约在4700MJ/m2[4]，则每块太阳能光伏组件年发电量为421.2kWh，1496块光伏组件的年发电量为630115kWh。逆变器平均效率为96%，其他传输损耗加上光伏设备维修保养停运的损耗，系统的效率按80%计算，光伏系统的年发电量可以达到500000kWh以上。根据《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》，分布式光伏的“度电补贴”金额为工、商业用户0.25元/kWh，补贴时间为5年，上海市的脱硫燃煤电价为0.4593元/kWh。《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》国家补贴为0.42元/kWh，期限为20年。本项目光伏组件设计使用寿命为25年，系统设计使用年限为25年。预计7~8年可收回投资，其余工作年份收入即为收益。
5结束语
（1）光伏发电系统的设计需要遵循可靠性、合理性、经济性的原则，既保证可以长期可靠运行，满足预计的发电量需求，又以经济合理的方式配置整个系统，以最小的投资达成设计的目标。系统设计可分为两个阶段，第一阶段选型和布置光伏组件，确定直流侧电能的参数。第二阶段完成整个系统的设计，对系统中用到的电力电子设备选型，匹配第一阶段设计的参数。（2）总结了对光伏系统设计中重要设备的选型，在建筑光伏发电系统中，可按照预算投资和发电量需求选择采用单晶硅或多晶硅光伏材料，计算出最优光伏组件串并联组合。逆变器的选型需要根据光伏阵列的串并联数，选择最大电压，最大电流和容量，而直流电压输入范围需与MPPT控制器结合，范围尽量宽。保护系统至少监测到每一串光伏组件的工作状况，配置过流、过压、雷电、浪涌等保护单元，并网运行需安装防孤岛运行保护。光伏组件的安装和布置原则是尽量多地收集太阳能，同时考虑到电压恒定和遮挡的问题。（3）采用离网型式的光伏系统时，需要配置蓄电池和光伏控制器，能量利用率较低。而并网系统对并网条件要求较高，需配置相关继电保护系统，双向电能表和足够容量的并网接入点。目前，并网设备已较为成熟，城市电网容量和规模越来越大，为追求更高的发电效率和经济效益，优先考虑采用并网发电系统。（4）目前光伏发电可以享受上网电价和政府补贴，一般7~10年可收回投资，其余十多年寿命期内的收入都是利润，随着光伏产业技术升级，市场扩大，设备的成本已大幅降低，即使补贴政策今后退出，光伏系统仍然可以盈利。合理地设计建筑光伏系统可以提高发电效率，减少能量损耗，提供更稳定可靠的电能，减少污染排放。
参考文献
[1]GB50797-2012.光伏发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.
[2]郑诗程，丁明，等.光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究[J].系统仿真学报，2005.
[3]黄克亚，尤凤翔，李文石.组合模糊控制技术与扰动观察法提升光伏发电MPPT性能[J].测控技术，2012，31（7）：130-135.
[4]代彦军，许煜雄，王如竹.上海太阳能建筑一体化技术与系统集成研究与应用[A].全国住宅工程太阳能热水应用研讨会论文集[C].2004.
作者：单佳睴 宋依群 单位：上海交通大学
