摘要:本文闡述了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及工作原理，提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化的概念，并分析了其發(fā)展優(yōu)勢(shì)。然后提出在九州電氣新建廠區(qū)建設(shè)太陽能光伏電站的設(shè)計(jì)構(gòu)想，最后對(duì)此工程的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞:太陽能；光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏與建筑一體化

　　1.引言

　　能源是社會(huì)發(fā)展的根本動(dòng)力,現(xiàn)代建筑對(duì)煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)的能源過分依賴，高能耗、低效率的建筑不僅增加了能源的消耗,而且污染環(huán)境。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源,具有安全、無污染、可再生和分布范圍廣等特點(diǎn),它是最理想的可再生能源和綠色環(huán)保能源,是所有化石能源及多種可再生能源的源頭,是緩解能源危機(jī)的最可持續(xù)的途徑,是世界各國爭相開發(fā)的能源產(chǎn)品。太陽能光伏發(fā)電作為一種新的能源形式,在近年來得到了長足的發(fā)展。推廣和使用太陽能光伏發(fā)電,對(duì)于節(jié)能減排意義重大。

　　太陽能光伏發(fā)電是直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電形式。由于其具有安全可靠、清潔衛(wèi)生、無噪聲、無污染、建設(shè)周期短、維護(hù)簡單等特點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于城市現(xiàn)代化建筑,市政公共工程以及亮化工程等領(lǐng)域。近年來,隨著對(duì)建筑節(jié)能要求的提高,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化已成為應(yīng)用光伏發(fā)電的發(fā)展方向。

　　2.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

　　2.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、逆變器等設(shè)備組成，其各部分設(shè)備的作用是：

　?。?）太陽能電池方陣：太陽電池方陣由太陽電池組合板和方陣支架組成。因?yàn)閱蝹€(gè)太陽電池的電壓一般比較低,所以通常都要把它們串、并聯(lián)構(gòu)成有實(shí)用價(jià)值的太陽電池板,作為一個(gè)應(yīng)用單元,然后根據(jù)供電要求,再由多個(gè)應(yīng)用單元的串、并聯(lián)組成太陽能電池方陣。

　　太陽能電池板（某些半導(dǎo)體材料，目前主要是多晶硅、單晶硅以及非晶硅，經(jīng)過一定工藝組裝起來）是太陽能光伏系統(tǒng)中的最主要組成部分,也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。太陽能電池板在有光照情況下,電池吸收光能,電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累,即產(chǎn)生“光生電壓”,這就是“光電效應(yīng)”。在光電效應(yīng)的作用下,太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),將光能轉(zhuǎn)換成電能,它是能量轉(zhuǎn)換的器件。

　　(2)蓄電池組：其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,可不加蓄電池組。

　 （3）控制器：對(duì)電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的裝置。

　　(4)逆變器:是將太陽能電池方陣和蓄電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源,當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí),逆變器是必不可少的。逆變器按運(yùn)行方式,可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng),為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，本文主要介紹太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[1]。如圖1所示，并網(wǎng)逆變器由IGBT等功率開關(guān)器件構(gòu)成,控制電路使開關(guān)元件有一定規(guī)律的連續(xù)開通或關(guān)斷,使輸出電壓極性正負(fù)交替,將直流輸入轉(zhuǎn)換為交流輸出。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單,造價(jià)低,但諧波分量大,一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高,但可以適用于各種負(fù)載。

圖1：并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　并網(wǎng)逆變器除具有普通逆變器的功能外，還應(yīng)具有以下功能：

　　1)純正弦波同步并網(wǎng)送電：通過DC/AC電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)控制，將電流控制成50Hz正弦波，自動(dòng)與電網(wǎng)同步后送入電網(wǎng)。以正弦波電流的方式并網(wǎng)送電不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾和過多的無功分量。

　　2)太陽能電池最大功率追蹤技術(shù)：以晶體硅為基本材料的太陽能電池在不同的照射強(qiáng)度和溫度下其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應(yīng)存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，因此，對(duì)太陽電池最大輸出功率點(diǎn)的追蹤MPPT(MaximumPowerPointTrace)成為提高整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

　　3)反孤島運(yùn)行技術(shù)：并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)因意外情況出現(xiàn)停電時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備應(yīng)該能夠及時(shí)檢測出電網(wǎng)停電情況，并與電網(wǎng)解列，停止向電網(wǎng)送電，以保護(hù)人身和設(shè)備安全。

　　2.2太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)通過光電效應(yīng)產(chǎn)生電能，所發(fā)的電能通過逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并由控制器對(duì)電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，如圖2所示。在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，交流電一部分輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電，用于照明等用途，其余電能饋入電網(wǎng)。

　　圖2：太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

　　2.3太陽能光伏系統(tǒng)特點(diǎn)

　?。?）節(jié)能：以太陽能光電轉(zhuǎn)換提供電能，取之不盡、用之不竭；

　?。?）環(huán)保：無污染、無噪音、無輻射；

　?。?）品位高：科技產(chǎn)品、綠色能源，使用單位重視科技、環(huán)保，形象檔次提升；

　?。?）適用廣：太陽能源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用。

　?。?）靈活：出入電網(wǎng)靈活，既有利改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，又可降低線路損耗。

　　3.太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化的概念及趨勢(shì)

　　太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaic)，是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。該系統(tǒng)能將太陽能發(fā)電機(jī)組完美的集成與建筑物的墻面或屋頂上，其工作原理與普通的光伏發(fā)電系統(tǒng)完全相同，唯一的區(qū)別就是太陽能組件既被用作系統(tǒng)發(fā)電機(jī)，又被用作建筑物外墻材料。

　　BIPV系統(tǒng)一般由光伏陣列、墻面或屋頂和冷卻空氣通道、支架等組成，對(duì)于一個(gè)完整的BIPV系統(tǒng)，還應(yīng)有另外的一些設(shè)備負(fù)載、蓄電池、逆變器、系統(tǒng)控制器等。與建筑相結(jié)合的光伏系統(tǒng)，可以作為獨(dú)立電源供電或以并網(wǎng)方式供電。當(dāng)一個(gè)BIPV系統(tǒng)參與并網(wǎng)時(shí)，可以不需要蓄電池，但需要與電網(wǎng)聯(lián)入裝置，而并網(wǎng)發(fā)電是當(dāng)今光伏應(yīng)用新趨勢(shì)。將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或外墻，引出端經(jīng)控制器和逆變器與公共電網(wǎng)相連接，由光伏方陣和電網(wǎng)并聯(lián)對(duì)用戶供電，這就組成了戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，由于這種系統(tǒng)幾乎不用蓄電池，所以大大的降低了系統(tǒng)成本，而且除了發(fā)電以外還具備環(huán)保和替代某些建筑材料等多種功能，因此BIPV系統(tǒng)已經(jīng)成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

　　4.哈爾濱九州電氣3MW屋頂光伏電站項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析

　　4.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)構(gòu)想

　　哈爾濱九州電氣新建廠區(qū)位于哈爾濱市松北區(qū),本期項(xiàng)目為九州電氣科研樓屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目，預(yù)計(jì)安裝容量為3MW。樓房建設(shè)凸現(xiàn)節(jié)能環(huán)保主題,屋頂安裝光伏陣列，引出端經(jīng)控制器和逆變器與公共電網(wǎng)相連接，為節(jié)約造價(jià)不安裝蓄電池組，而是由光伏方陣和電網(wǎng)并聯(lián)為公司提供電力，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)，產(chǎn)生的電能通過轉(zhuǎn)換作為公用部分照明及試驗(yàn)、生產(chǎn)用電，當(dāng)有多余的電能產(chǎn)生時(shí)，則饋入電網(wǎng)。

　　4.2可行性分析

　　太陽每秒到達(dá)地面的能量達(dá)80萬千瓦,如果能把太陽光照射到地面1個(gè)小時(shí)的能量聚積起來,就能滿足人類一年的能源需求。太陽能是取之不盡,用之不竭的。我國的絕大多數(shù)地區(qū),都具有發(fā)展太陽能光伏發(fā)電的條件。本項(xiàng)目所處的哈爾濱地區(qū)，哈爾濱位于東經(jīng)125°42′-130°10′、北緯44°04′-46°40′。哈爾濱的氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，特點(diǎn)是四季分明，春季山野披綠、滿城丁香；夏季清涼宜人、休閑避暑；秋季秋高氣爽、層林盡染；冬季銀裝素裹、雪韻冰情。冬季1月平均氣溫約零下19℃；夏季7月的平均氣溫約23℃。全年平均降水量569.1毫米，夏季占全年降水量的60%。水平面日平均輻照度為3.63kWh/㎡，45°的傾斜面輻照度日平均輻照度為4.5kWh/㎡，太陽能資源相對(duì)豐富，再加上廠區(qū)大樓南面無高層建筑阻擋,具有良好的項(xiàng)目實(shí)施條件。依據(jù)系統(tǒng)效率（25年平均效率）保守?cái)?shù)據(jù)75%來計(jì)算，3MW屋頂發(fā)電項(xiàng)目可年度發(fā)電量約為3695625kWh。在不考慮國家、省市上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策的前提下，按照，目前工業(yè)用電價(jià)格，以1.0元/千瓦時(shí)計(jì)算，每年累計(jì)可減少市電購買：3695625元，由此可見，此項(xiàng)目可行。

　　4.3主要部件設(shè)計(jì)

　　哈爾濱九州電氣3MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，計(jì)劃采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。如圖3，將系統(tǒng)分成3個(gè)1MWp的光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，并且每個(gè)1MW發(fā)電單元采用4臺(tái)250KW的并網(wǎng)逆變器的方案。每個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電單元的電池組件采用串并聯(lián)的方式組成太陽能電池陣列，太陽能電池陣列輸入光伏方陣匯流箱后接入直流配電柜，然后經(jīng)光伏并網(wǎng)逆變器和交流防雷配電柜并入變壓配電裝置，最終實(shí)現(xiàn)將整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入交流電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電方案。

圖3九州電氣3MW太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

　  （1）太陽能電池陣列

　　1）太陽能光伏組件選型

　　多晶硅光伏組件與單晶硅光伏組件相比較，使用壽命均能達(dá)25年，功率衰減均小于15%。

　　雖然多晶硅轉(zhuǎn)換效率略低于單晶硅，但具有生產(chǎn)效率高，成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在高功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中一般采用多晶硅組件。

　　根據(jù)性價(jià)比計(jì)算，本方案計(jì)劃采用165Wp太陽能光伏組件，其峰值功率為165Wp，峰值電壓為24V,峰值電流為7A。

　　2）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)效率計(jì)算

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率主要由光伏陣列的效率、逆變器的效率、交流并網(wǎng)效率三部分組成。

　　光伏陣列效率η1：光伏陣列在1000W/m2太陽輻射強(qiáng)度下，實(shí)際的直流輸出功率與標(biāo)稱功率之比。光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換過程中的損失包括：組件的匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度影響、最大功率點(diǎn)跟蹤精度、及直流線路損失等，取效率85%計(jì)算。

　　逆變器轉(zhuǎn)換效率η2：逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，取效率95%計(jì)算。

　　交流并網(wǎng)效率η3：從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率，其中主要是升壓變壓器的效率，取效率95%計(jì)算。

      系統(tǒng)總效率η總：η總=η1*η2*η3=77%。

　　3）傾斜面光伏陣列表面的太陽能輻射量計(jì)算

　　從氣象站得到的資料，均為水平面上太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進(jìn)行發(fā)電量的計(jì)算。

      對(duì)于某一傾斜角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關(guān)，較簡便的輻射量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式【2】為：

　　RD=S×[sin（α+β）/sinα]+D

　　其中：RD——傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量；

　　S——水平面上太陽直接輻射量；

　　D——散射輻射量；

　　α——中午時(shí)分的太陽高度角；

　　β——光伏陣列傾角。

　　通過將氣象站得到的數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得出的一系列數(shù)據(jù)，通過分析得出，哈爾濱市區(qū)45°傾斜角照射時(shí)全年接收的太陽能輻射能量最大，所以確定光伏陣列按照45°傾角固定安裝。

　　4）太陽能光伏組件串聯(lián)并聯(lián)方案

　　此工程計(jì)劃采用250KW并網(wǎng)逆變器，其直流工作電壓范圍為：450VDC～880VDC,最佳直流電壓工作點(diǎn)為560VDC。

　　太陽能光伏組件串聯(lián)的數(shù)量NS=560V/24V=23塊，這里考慮到溫度變化系數(shù)，以18塊太陽能電池組件串聯(lián)，單列串聯(lián)功率=18×165Wp=2970Wp；單臺(tái)250KW逆變器需要配置太陽能電池組件并聯(lián)的數(shù)量NP=250KW/2970W≈85列,1MWp的光伏電池陣列單元?jiǎng)t需要設(shè)計(jì)85×4=340列支路并聯(lián)，共計(jì)340×18=6120塊太陽能電池組件。

　　則實(shí)際整個(gè)3MW光伏系統(tǒng)所需165Wp的電池組件數(shù)量M=3×6120=18360塊，實(shí)際功率達(dá)3.029MW。

　　按照九州電氣3MW光伏電站的初步計(jì)劃設(shè)計(jì)，該工程需要165Wp的多晶硅太陽能電池組件18360塊，18塊串聯(lián)，1020列支路并聯(lián)的陣列。

　?。?）逆變器選擇

　　此太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為3個(gè)1MWp的光伏并網(wǎng)發(fā)電單元并聯(lián)組成，每個(gè)并網(wǎng)發(fā)電單元需要4臺(tái)功率為250KW的并網(wǎng)逆變器(直流工作電壓范圍為：450VDC～880VDC,最佳直流電壓工作點(diǎn)為560VDC，最大陣列輸入電流560A),整個(gè)系統(tǒng)配置12臺(tái)此型號(hào)的光伏并網(wǎng)逆變器，組成3MW并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)。

　　（3）監(jiān)控系統(tǒng)

　　如圖4所示，監(jiān)控系統(tǒng)是以sunnyWebBox為總控單元，此系統(tǒng)可以連接最多50臺(tái)并網(wǎng)逆變器，可以監(jiān)控每臺(tái)逆變器的日發(fā)電量，累計(jì)發(fā)電量等，同時(shí)系統(tǒng)配備環(huán)境傳感器可以采集輻照量，溫度，風(fēng)速等信息為分析系統(tǒng)發(fā)電量提供依據(jù)。

　　圖4：監(jiān)控系統(tǒng)

　?。?）環(huán)境監(jiān)測裝置

　　在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中配一套環(huán)境監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等參數(shù)，其通訊接口可接入并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)。

　?。?）系統(tǒng)防雷接地裝置

　　為保證本光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠，防止因雷擊、浪涌等外在因素導(dǎo)致系統(tǒng)器件損壞等情況發(fā)生，系統(tǒng)的防雷接地裝置必不可少。

　　除此之外，并網(wǎng)逆變器交流側(cè)還要配有交流防雷配電柜，交流升壓變壓器等設(shè)備。

      通過對(duì)3MW光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)與實(shí)施,九州電氣將在實(shí)現(xiàn)用電的自給自足的基礎(chǔ)上，將多余的電能售給電力公司創(chuàng)造效益。不但節(jié)約了電費(fèi),而且減少了鋪設(shè)電纜等道路挖掘量，降低了施工投資，此工程實(shí)施后將把公司打造成為光電建筑一體化示范基地和科研基地。

　　5.結(jié)束語

　　我國太陽能資源比較豐富，分布范圍廣，太陽能發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮螅覈ㄖ芎募s占能源消費(fèi)總量的27.45%，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，提供建筑物自身用電需求，實(shí)現(xiàn)建筑物“零能耗”，可以大大改變我國建筑物高能耗的現(xiàn)狀。太陽能發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化工程是一項(xiàng)具有開拓性的工作，系統(tǒng)并不存在太多的設(shè)計(jì)難度，主要是光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本較高，所以需要政府相關(guān)部門的政策扶持。2009年7月，財(cái)政部、科技部和國家能源局已經(jīng)共同出臺(tái)了《金太陽示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，重點(diǎn)支持光伏發(fā)電站項(xiàng)目。

　　這將對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑一體化工程起到有力的推動(dòng)作用，相信不久的將來，太陽能發(fā)電將成為建筑物必備的功能。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]胥良.地表斜面上輻射量的計(jì)算.云南民族學(xué)院學(xué)報(bào).2010：04.

　　作者簡介：

　　鄭文英（1982-）女工程師現(xiàn)任職于哈爾濱九州電氣股份有限公司新能源事業(yè)部，從事風(fēng)力發(fā)電變流器及光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)等方面的研究。