太阳能光伏与建筑一体化技术探讨

Ｎｏｖ． ２０１４ Ｖｏｌ． ３３ Ｎｏ． １１http: // www. jzdq. net. cn誖BUILDINGELECTRICITY2 01 4 年 第 期11Discussion on Building Integrated Photovoltaic TechnologyLIU Chaoyong （ Anhui Provincial Architectural Design and ResearchInstitute Co.， Ltd ， Hefei 230002 ， China）刘朝永 （ 安徽省建筑设计研究院有限责任公司 ， 合肥市 230002）太阳能光伏与建筑一体化技术探讨Abstract ： This paper introduces the classificationsof photovoltaic system， the quantity of photovoltaicmodule in series and in parallel and the formula tocalculate the generating capacity of photovoltaicsystem， and discusses the major contents， precautions，steps and key points for design of building integratedphotovoltaic.Key words ： building integrated photovoltaic ；photovoltaic generation system； photovoltaic module；grid-connected photovoltaic generation system；independent photovoltaic generation system； combinerbox； inverter ； grounding for lightning protection摘 要 ： 介绍太阳能光伏 系 统 的 分 类 ， 以 及 光伏组件串联个数 、 光伏组件并联个数及光伏系 统发电量等的计算公式 ， 并结合外观 、 结构 、 管 线布置及系统运行管理等探讨太阳能光伏 与建筑一体化设计的主要内容 、 注意事项 、 步骤及重点 。关键词 ： 太阳能光伏与建筑一体化 ； 光 伏 发 电系统 ； 光伏组件 ； 并网光伏发电系统 ； 独立光伏 发电系统 ； 汇流箱 ； 逆变器 ； 防雷接地中图分类号 ： TM615 文献标识码 ： A0 引言为 加 快 可 再 生 能 源 开 发 利 用 ， 提 高 能 源 效 率 ，保护生态环境 ， 国家目前在大力推广分布式光 伏发电系统 。 其核心是鼓励自发自用 ， 余电上网 ， 这为太阳能光伏与建筑一体化技术的发展提供了更加广阔的发展空间 。 但目前国内还缺少关于 “ 太阳能光伏与建筑一体化技术 ” 的详 细 技 术 标 准 与 规 定 ， 能 够 对 设计 、 施工 、 验收等各个环节进行规范和指导 。 笔者有幸参与了 《 安徽省太阳能 光 伏 与 建 筑 一 体 化 技 术 规程 》 的编制 ， 在此过程中对太阳能光伏与建筑一体化技术深有体会 ， 今与各位同行共飨 。1 光伏发电系统光伏发电系统按是否接入公共电网 ， 可分为 “ 独立光伏发电系统 ” 与 “ 并网光伏发电系统 ”。 独立光伏发电系统一般应用于远离公共电网覆盖的区域 ， 如山区等边远地区 ， 独立光伏发电系统的安装容量 （ 包括储能设备 ） 需满足电力负荷的需求 。 并网光伏发电系统适用于已存在公共电网的区域 ， 可将发出的电力直接送 入公共电网 ， 也可就 地 送 入 用 户 侧 的 供 电 系统 ， 由用户直接消纳 ， 不足部分再由公共电网进行补充 。 目前 ， 与建筑一体化的光伏发电系统主要是指并网光伏发电系统 。太阳能光伏发电系统一般包括光伏组件 、 光伏方阵 、 汇流箱 、 控制器 、 逆变器 、 监测装置等 ， 独立光伏发电系统还有蓄电池组等组件 。 并网太阳能光伏发电系统组成示意如图 1 所示 。在太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 设 计 中 ， 光 伏 方 阵 的 计算与确定是非常关键的 。 光 伏 方 阵 应 根 据 控 制 设 备的额定直流电压 、 最大 功 率 跟 踪 控 制 范 围 、 光 伏 组作者信息刘朝永 ， 男 ， 安徽省建筑设计研究院有限责任公司 ， 高级工程 师 ， 副 总 工 程 师 ， 住 房 与 城 乡 建 设 部 绿 色 建 筑 评 价 标识专家委员会成员 ， 安徽省土木建筑学会建筑电气专业学术委员会副主任委员 。74034http: // www. jzdq. net. cn件的最大输出工作电压及其温度系数 ， 确定 光伏组件的串联数 。光 伏 组 件 串 联 个 数 ， 可 依 据 GB 50979 - 2012《 光伏发电站设计规范 》 中式 （ 6. 4. 2 - 1） 及 （ 6. 4. 2- 2） 计算 ：N ≤ VdcmaxVoc × ［ 1 +（ t - 25） × Kv］（ 1）Vmppt minVpm× ［ 1 +（ t′ - 25） × Kv′ ］≤ N ≤Vmppt maxVpm× ［ 1 +（ t - 25） × Kv′ ］（ 2）式中 ： Kv ——— 光伏组件的开路电压温度系数 ；Kv′ ——— 光伏组件的工作电压温度系数 ；N ——— 光伏组件的串联数 （ N 取整 ）；t ——— 光伏组件工作条件下的极限低温 ， ℃ ；t′ ——— 光伏组件工作条件下的极限高温 ， ℃ ；Vdcmax ——— 逆变器允许的最大直流输入电压 ，V ；Vmpptmax ——— 逆变器 MPPT电压最大值 ， V ；Vmpptmin ——— 逆变器 MPPT电压最小值 ， V ；Voc ——— 光伏组件的开路电压 ， V ；Vpm ——— 光伏组件的工作电压 ， V 。以 上 数 据 在 相 关 厂 家 的 光 伏 组 件 材 料 中 均 可查 到 。光伏组件并联个数 ， 可按下式计算 ［ 3］ ：N = PoPm× Ns（ 3）式中 ： N ——— 光伏组件并联个数 ；Po ——— 系统输出总功率 ， Wp；Pm ——— 组件最大输出功率 ， Wp；Ns ——— 组件串联个数 。通过以上 3 个 公 式 ， 可 以 确 定 光 伏 方 阵 的 串 联与 并联数量 ， 这些指标确定后 ， 再确定光伏方 阵 的数量 ， 则整个光伏系统的规模与发电量也 就基 本 确定了 。在 方 案 阶 段 光 伏 系 统 发 电 量 可 按 下 式 进 行 估算 ［ 3］ ：L = W I × aI oη 1 × η 2 × η 3 × η 4 × η 5 × 1 000 （ 4）式中 ： L ——— 年发电量 ， kWh；W ——— 装机总量 ， kWp；I ——— 水平面年总辐射量 ， kWh / m2；a ——— 倾角修正系数 ， 一般取 1. 05；I o ——— 标准太阳辐射强度 ， kWh / m2， 一般取1 kWh / m2；η 1 ——— 光伏阵列效率 ， 一般取 0. 95 ；η 1 ——— 温度及衰减修正系数 ， 一般取 0. 94 ；η 3 ——— 污秽影响修正系数 ， 一般取 0. 92 ；η 4 ——— 逆变器效率 ， 一般取 0. 96 ；η 5 ——— 并网损耗系数 ， 一般取 0. 93 ~ 0. 96。装机容量要按照实 际 光 伏 组 件 的 材 料 、 转 换 效率 、 数量 、 面积等资料来计算 。目前太阳能光伏组件的材料主要为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件 。 晶硅光伏组件转换效率较高 ， 但目前仍无法应用在建筑立面上 。 薄膜光伏组件适合应用在建筑立面上 ， 但其转换效率较低 。 太阳能电池转换效率在逐年提高 ， 单晶硅太阳能电池的效率已经可以到 20 % 以上 。图 1 并网太阳能光伏发电系统组成示意图Fig. 1 Schematic diagram of composition ofgrid -connected photovoltaic generation system太阳 能 光 伏 与 建筑 一 体 化 技 术探 讨 （ 刘 朝 永 ）分 布 式 光 伏 发 电 系 统 设 计 专 栏74135Ｎｏｖ． ２０１４ Ｖｏｌ． ３３ Ｎｏ． １１http: // www. jzdq. net. cn誖BUILDINGELECTRICITY2 01 4 年 第 期112 太阳能光伏与建筑一体化技术太阳能光伏与建筑 一 体 化 技 术 ， 是 指 运 用 设 计手段 ， 将太阳能光伏产品集成到建筑上 ， 使 之 成 为有机整体的技术 。 它需要建筑 、 结构 、 电 气 等 多 个工种的交叉 、 协调和配合 ， 是一项比较 全面 系 统 的工程 。在建筑物的方案 、 规 划 阶 段 就 应 对 太 阳 能 光 伏系统进行经济与技术的分析 、 比较 ， 明确设 置 太 阳能光伏系统的必要性 。 一旦明确设置 ， 则 在 建 筑 方案设计阶段就应将光伏发电系统 纳入到建筑平面 和立面设计考虑的范围 。 光 伏发电系统可根据建 筑 面积估算发电容量 ， 结合建筑物本身的规模 、 用电量 、配变电房等 设备用房的布置 、 线缆通道 、 并 网 的 技术条件要求 、 运行安全等确定光伏发电系统的类型 、接线方式 、 与建筑物本身的供配电系统的结 合 方 式等内容 。 故光伏发电系统的设计不宜 孤立设 计 ， 应结合建筑物本身的建筑 、 结构 、 电 气系统的 设 计 统一考虑 。太阳能光伏发电系统与建筑一体化主要体现在以下 4 个方面 ：a. 外观上 ， 实现太阳能光伏发电系统与建筑完美结合 ， 合理布置太阳能光伏组件 。 无论在屋顶 、 阳台或在墙面 、 雨棚上均应使太阳能光伏方阵或光伏板成为建筑的一部分 ， 实现两者的协调和统一 ， 并应满足消防 、 安全等要求 。b. 结构上 ， 妥善解决太阳能光伏发电系统安装的安全问题 、 荷载问题 ， 确保建筑物的承重 、 防水等功能不受影响 ， 并充分考虑太阳能方阵抵御强风 、 暴雪 、 冰雹等的能力 。c. 管线布置上 ， 合理布置太阳能管线 ， 尽量减少管线长度 ， 预留必要的安装与维护空间 。d. 系 统 运 行 管 理 上 ， 系 统 应 可 靠 、 稳 定 、 安全 ， 易于检修 、 维护 ， 尽可能实现系统的智能化 。太阳能光伏发电系统与建筑一体化设计中应重点考虑以下几个问题 ：a. 光伏方阵的布置除要考虑安装的方位角 、 高度角等因素外 ， 还应注意冬至日在 9 点 ~ 15 点间日照强烈时不应相互遮挡 ， 以免形成热斑效应 ， 损坏光伏组件 。b. 光伏控制器的总额定容量应根据光伏阵列最大功率确定 。 其主要技术指标应满足设计要求及环境温度 、 防护等级等规定 。 需注意的是应选用最大功率跟踪型控制器 。c. 汇 流 箱 内 应 设 置 防 雷 保 护 装 置 ， 其 设 置 位置宜 选择室内干燥的场所 ， 应便于操作和检修 ， 且宜采用防故障电弧断路器 ， 以减少直流故障造 成的危害 。d. 逆变器的总额定容量应根据光伏阵列最大功率及负荷性质确定 ， 其数量应根据光伏发电系统装机容量及单台逆变器额定容量确定 。e. 根据当地公共电网条件和供电部门要求配置的光伏发电系统自动控制 、 通信和电能计量装置 ， 应与光伏发电系统工程同时设计 、 同时 建设 、 同 时 验收 、 同时投入使用 。f. 光伏发电系统与公用电网并网 ， 应符合现行国家标准 GB / T 19939 -2005 《 光伏系统并网技术要求 》、 GB / T 50866 -2013 《 光伏发电站 接入电力系统设计规范 》、 GB / T 29319 - 2012 《 光伏发 电 系统接入配电网技术规定 》 的有关规定 。 同时并网光伏 发 电 系 统 应 具 有 自 动 检 测 功 能 及 并 网 切 断 保 护功 能 。g. 太阳能光伏系统的线缆选择也非常重要 ： 光伏 组件之间 、 组件与汇流箱之间及汇流箱与逆 变 器之间的直流电缆应符合 CNCA / CTS0004 -2010 《 并网 光 伏 发 电 系 统 工 程 验 收 基 本 要 求 》 的 有 关 规 定 ，采用耐 候 、 耐紫外辐射 、 阻燃等抗老化的光 伏 专 用电 缆 ； 光伏组件之间及组件与汇流箱之间的电 缆 应有固定措施和防晒措施 ， 所有直流侧线 缆应标 识 正负极性 。h. 光 伏 系 统 的 防 雷 、 接 地 也 是 一 项 重 要 的 内容 。 为保证人身安全 ， 所有电气设备 （ 组件 、 箱柜 、逆变 器等 ） 外壳都应接至专设的接地干线并与建 筑物原有的接地装置可靠连接 。 组件接地孔 与钢 支 架横梁进行可靠连接 （ 连接处需做防腐处理 ）， 不同阵列间钢支架采用 40 × 4 的热镀锌扁 钢可靠连接 ， 且接至整个接地系统 。 晶硅光伏 方阵场地附近设 置 接闪杆时 ， 接闪杆的阴影 不应投射到光伏组件 上 ， 这是为了避免接闪 杆的阴影投射在光伏组件上 ， 造 成光伏组件的损坏 。74236http: // www. jzdq. net. cn接地装置的设计还 应 根 据 实 际 情 况 选 取 合 适 的防腐蚀措施 ， 如采用镀锌钢材等保护方法 。太阳能光伏并网发 电 系 统 的 所 有 室 外 设 备 都 应位于接闪网的保护范围内 。i. 由 于 光 伏 发 电 系 统 的 部 件 有 相 当 部 分 在 室外 ， 故其室外配电 、 接线 、 控制装置应采取防水 、 防腐措施 ， 其防护等级不应低于 IP65 。为规范太阳能光伏系统与建筑一体化的设计 、 施工 ， 保证其质量 ， 新建 、 改建 、 扩建建筑和既有建筑的光伏发电系统应有专项设计 ， 或者作为建筑电气工程设计的一部分 ， 应有光伏发电系统设计说明 、 系统图 、 平面设备安装布置图等完整的设计文件 ； 正式文件应包括经施工图审查机构专项审查通过的施工设计文件图 、 设计变更单 、 经建设和设计单位确认的深化设计文件 、 经电力主管部门审查批准的接入系统设计方案 。 系统各组成部件质量应符合现行国家 、 行业有关产品标准的规定 ， 应有产品检测报告 、 产品合格证和安装与使用说明书 。 工程发生变更 ， 应经原设计单位或 不低于原设计单位资质的设计单位修改或 确 认后 ， 方能进行施工 。3 结语光伏发电系统与建筑一体化技术是一项系统的工程 ， 贯穿从方案设计到施工 、 验收的全过程 。 光伏发电系统设计应由建筑 、 电气专业组织 ， 专业公司及其他专业配合完成 ， 只有各方团结协作 ， 才能将光伏发电系统与建筑有机结合起来 ， 为我国的太阳能光伏发电事业的发展做出更大的贡献 。［ 1］ 上海电力设计院有限公司 ， 中国电力企业联合会 .GB 50797 - 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