公共建筑光伏发电系统设计要点及应用分析

黄超强

（深圳供电局有限公司，广东 深圳518000）

建筑绿色化和低碳化是今后一段时期内建筑发展的主旋律，也是破解全球能源危机和实现长期可持续发展的必由之路。中国是全球能源消耗大国，单位GDP对应的能耗指标始终居高不下，国内能源供需矛盾时有显现，能源可持续和安全问题逐渐凸显[1]。基于此，优化调整中国的能源结构和组成，大力推广新能源对于中国今后一段时期的发展具有深远意义；而太阳能光伏发电系统能够将太阳能转换为电能，同时不产生任何温室气体，是不折不扣的绿色能源生产方式，真正实现了能源生产过程中的零排放、零污染。目前，太阳能已成为中国大力推广使用的新能源之一，在未来必将拥有更加广阔的前景[2]。

1 光伏发电系统原理

光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，在光照充足、日照时间长的地区得到了广泛推广，光伏发电系统的核心是太阳能光伏板，配套设施包括逆变器、配电端、储能设施等，光伏发电系统能将太阳能转换为电能并存储后供用电端使用。经过较长时间的发展，光伏发电系统已成为中国诸多新能源生产形式的重要组成部分之一[3]。

2 光伏发电系统技术要求

在光伏发电系统的设计过程中，为了保证系统的正常、高效运行，设计应充分考虑闭网控制、运行安全、系统保护、输出功率监测等参数，现进行简要阐述。

做好系统电压、相位、频率等参数的实时采集，做好与并网参数的对比，确保逆变器输出参数与电网参数一致；合理布置逆变器，并做好参数调试，以最大程度提高光伏发电系统的生产效率；光伏系统应具备自动停启功能，一旦系统出现输出异常，应能够自动切断交流输出，系统进入自我保护状态；当故障排除后，系统达到延迟时间后，自动恢复运行；为了保证光伏发电系统在极端条件下的安全性，系统应具备过载保护、失压预警、频率监控、防雷保护、短路保护等功能；光伏发电系统直流侧设计电压值必须大于光伏组件在极端气温条件下的开路电压最大值，光伏发电系统中使用的各种元器件的最大容许电压值不能低于设计电压[4]。

3 光伏发电系统设计要点

3.1 光伏发电的设计原则

公共建筑光伏系统在设计时，应根据建筑类型、结构特性等合理设计，确保系统不会对建筑结构安全、功能等造成不良影响。

3.1.1 建筑设计

首先，应考虑建筑所在地的气候环境特点，重点分析该地区太阳能资源情况；其次，应考虑建筑自身接受太阳辐射的条件，比如该建筑周围是否存在其他建筑遮挡、建筑接受光照时长等；再者，需要与建筑外立面相协调，根据建筑外立面装饰面层风格，进行合理的布局设计，确保与建筑外立面相协调，与周围整体建筑环境相协调，以达到整体统一的效果；对于外立面的透光部位，应合理代替采光顶施工，以避免影响室内采光效果，实现自然采光与光能收集的有机结合[5]。

3.1.2 发电系统设计

与地面光伏系统设计不同，公共建筑光伏发电系统光伏方阵设计受到面积限制，且需要考虑到建筑自身采光需求，因此需要根据光伏方阵布设面积等因素，合理确定发电功率配套系统，而地面系统则是根据功率要求，设计光伏方阵和配套等。

3.1.3 光伏方阵设计

由于建筑外观构造、外观装饰需要，光伏方阵设计时，需要根据建筑外形、外饰等合理设计，方阵形状、板块大小、颜色、朝向、倾角需要与建筑外立面设计相协调，这就需要光伏供应商与建筑师协调；此外，还需要明确光伏发电系统类型，比如独立系统或者并网系统等，依据光伏系统选型、光伏输出功率大小等，合理配置控制器、逆变器等选型。

3.1.4 结构安全性与结构设计

光伏组件设计安装，不仅要考虑到组件、系统安装对建筑结构的影响，还要考虑到系统组件自身稳固性，确保系统结构安全、连接牢靠，因此，需要进行相应的结构计算，并在设计阶段就对预期可能发生的风险进行预估。

3.2 合理选择并网形式

一般情况下，根据光伏系统投产后向负载供电方式不同，可将太阳能光伏系统分为3种类型，分别是独立光伏系统、并网光伏系统、混合光伏系统。

独立光伏系统中，供应负载的电力全部来源于光伏系统，是结构最为简单的一种光伏系统。有一些直接供给直流负载的系统，甚至不需要逆变环节。此类系统目前多应用于一些电网系统难以覆盖的偏远山区等地，或者是用于驱动一些中小型电器。

并网光伏系统，多用于一些分布式光伏发电建设项目中，其主要功能是将太阳能转化为直流电，再经过逆变处理，转变成为交流电，并入电网；该型光伏系统可直接将电网作为储能装置，无需配置蓄电池，具有成本低、占地少的优势，且在阴雨天等不利条件下，可直接切断光伏系统与电网联系，保证电网供电稳定性。

混合光伏系统是一种相对稳定、可靠的发电系统，该系统可将若干种发电方式引入到光伏系统，保证系统向负载供电的稳定性；在不利天气条件下或者晚上时，光伏系统输出功率不足，此时其他形式可保证负载供电稳定，有效克服了单一光伏系统可靠性、稳定性的不足。

3.3 光伏发电与建筑安装的几种实施形式

3.3.1 平屋面

光伏采光顶是平屋面常用的光伏发电实施形式。在实际安装时，除了光伏组件安装要满足安全性、防水性等要求外，还需要考虑屋面采光要求，因此，光伏元件应具有一定的透光性，一般要求透光率在10%～15%。现阶段，在平屋面光伏系统设计安装时，通常将光伏组件与屋面结合，布局形式多为蜂窝铝板屋面、光伏屋面、玻璃采光顶等。将光伏屋面更多地运用于光伏建筑，不仅能够有效利用屋顶空间，还能够改善和增加屋面透光率，达到双重节能降耗的效果。光伏采光顶的优势为能与建筑物完美结合、能充分利用屋顶空间且不会对建筑外立面设计艺术性造成影响。

3.3.2 斜屋面

斜屋顶在安装方式、安装要求等方面与平屋顶基本相同，但南向斜屋顶光伏建筑经济性更加优异，南向相对其他朝向或平屋顶，本身采光更好；可以通过调节组件角度，使系统获得更大发电量；此外，斜屋面光伏发电一体化，成本也相对其他方案更低。

3.3.3 遮阳板

对一些光照较为强烈的地区，可将光电板作为遮阳构件，不仅可以起到良好的遮阳效果，降低室内温度，减少空调能耗，还能够将光能转化为电能，进一步降低夏季电网供电压力；此外，由于光电板角度与太阳角度垂直，更有利于光电板光电转化，该方案也是未来最具应用潜力的光伏发展方向之一。

3.3.4 光伏幕墙

光伏幕墙是一种使用光电板取代传统玻璃幕墙的玻璃构件的光伏发电系统形式，其构造方式与传统玻璃幕墙基本相同，通过高性能光电板组件，使光伏幕墙具备良好采光、遮阳、保温等性能，在功能上完美取代传统玻璃幕墙，同时又能够将光能转化为电能，经济、社会和环境效益显著。当前，光伏幕墙主要分为2类：①不透明幕墙，光电板多为单晶硅和多晶硅组件，具有光电转化效率高、遮阳性好等优势；②半透明幕墙，目前多采用非晶硅薄膜电池，其优势是对衬底材料基本无要求，可在较低温度下沉积于玻璃等衬底，不过其缺点也相对明显，就是光能利用率相对较低。由于光伏幕墙除了要满足发电功能，还需要满足建筑外立面造型、采光、美学等需求，导致光伏阵列往往难以达到最佳安装角度，对光伏系统效率造成影响，且相对于传统玻璃幕墙，造价成本偏高。因此，必须从设计阶段做好统筹规划，在保证建筑美观性、安全性、维护性等幕墙要求的基础上，通过光伏系统，为建筑“增绿降耗”，提高建筑全生命周期的经济、社会和环境效益。

3.4 光伏组件设计

光伏发电板的材质和有效触光面积决定了系统的发电功率，为了最大程度提高光伏发电系统的效率，光伏板布设应综合考虑当地的光照条件、建筑物朝向等因素，光伏板面积设计应以建筑结构屋面、幕墙面积及光伏板布置形式确定。此外，还应做好光伏发电系统与建筑结构的协同设计，在满足功能性的前提下，还应注重设计的美观性和协调性。

除了完成组件布置和初步设计外，为了保证光伏发电系统的正常运行，还应做好组件的细部详细设计，设计原则强调装卸便捷、功能完备。考虑到光伏发电系统布置于室外，对光伏系统的基础设施要求较高，为了保证光伏发电系统在恶劣环境下的耐久性和可靠性，除了做好基础设计外，应重点加强结构支撑系、加固檩条、面板组件的设计优化，其中支撑系及檩条设计如图1、2所示。此外，还应做好光伏发电系统各组件的安装设计，设计示意如图3所示。

图1 支承构件设计（单位：mm）

图3 光伏组件的安装设计（单位：mm）

3.5 光伏发电电路设计

电路是光伏发电系统正常运行的基础，光伏发电系统由众多不同功能的电子元器件和组件通过电路连接，以达到电能传输的目的，屋面组件和幕墙组件的电路应单独设计，最后将独立的光伏组件以串联或并联的方式连接。

根据光伏发电系统的总体输出功率要求，拟以8个光伏单体串联组成一套光伏组件，每套组件通过汇流组件再组成一个完整的光伏系统，光伏系统电路串联逆变器，最终接入配电端，电路中串联电量表和控制器，以实现对电路的电量统计和监控控制。光伏组件及电路连接设计图4、图5所示。

图4 光伏组件结合设计

图5 光伏发电电路设计

4 光伏发电系统应用

依靠光伏发电系统，实现太阳能向电能的高效转换，有力支撑了建筑绿色化、低碳化发展趋势，具有经济高效、绿色低碳的突出优势。光伏发电系统的输出功率受组件性能、布置形式、触光面积等因素影响，发电子系统设计参数如表1所示。

表1 光伏发电子系统参数

以A建筑为例，该建筑按照三级绿色标准设计施工，建筑结构内部按办公写字功能进行装修，涉及到的建筑电气类型包括照明、暖通空调、一般动力、会务等，其中空调系统能源由地源热泵提供，故功率参数分析对象主要包括照明系统、一般动力系统、会务系统等，具体分析结果如表2所示。

表2 某项目A栋楼光伏发电系统总功率参数

为了降低建筑电气能耗的水平，建筑结构内全部照明光源均使用了新型节能灯具，节能标准满足了国家的相关规范要求，总功率指标根据建筑结构内的使用功能及照明光源布置形式确定，总功率参数设计应考虑会务系统和一般动力系统的负载要求，考虑到电梯能耗指标较高，所以光伏发电系统的总负载不考虑电梯的负载。

A建筑电气负载的设计参数如表3所示。

表3 某项目A栋楼电气设计负荷参数

A建筑的光伏发电系统的总功率设计值为150 kW，主要满足建筑内照明系统、会务系统、一般动力系统的用电负载，3大系统的总负载为132 kW，故光伏发电系统总功率满足负载要求；但考虑到光照条件、天气情况等客观因素，为了保证建筑内各项系统的正常工作，光伏发电系统应与供电网并网使用，一方面发挥光伏发电系统的环保优势，同时体现供电网的“兜底”作用。

5 结论

为了缓解能源危机造成的现实威胁，优化调整中国的能源供给结构，同时促进建筑工业绿色化、低碳化发展水平，以太阳能光伏发电为代表的新能源技术迎来发展契机。本文以建筑结构光伏发电系统为研究对象，阐述了光伏发电系统的工作原理和基本技术要求，重点对光伏发电系统的组件和电路设计进行了研究，提出了具体的设计要点，最后，以A建筑为例，介绍了光伏发电系统在建筑结构室内供电中的应用。