BIPV 太阳能光伏发电系统的研究及应用

王秀文 邹振兴

（1.顺特电气设备有限公司 广东 佛山 528300；2.广东职业技术学院 广东 佛山 528041）

0 引言

随着社会发展，能源和环境问题日益受到关注。 作为新能源和可再生能源的重要组成部分，太阳能光伏发电被认为是世界上最有发展前景的新能源技术之一。 在过去的5 年时间里，光伏市场发展迅速，是能源技术领域发展速度最快的行业，平均增长率为35%。 预计到21 世纪中叶将占世界发电总量的20%左右，成为人类的基础能源之一。

太阳能光伏发电是未来发展的重点，深圳属于太阳能资源较丰富区，具有太阳能光伏开发利用的巨大潜力。 使用高效、经济、合理的光伏与建筑一体化(BIPV)方案，在深圳北站应用光伏发电系统，建设绿色铁路，节约资源，提高了资源利用率，且对指导铁路大型站房设计、实施乃至运营有着重要的参考价值和指导意义。

1 系统原理及设计方案

1）光伏发电系统的组成

太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。 其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。

2）发电系统分类

图1 独立光伏发电系统

太阳能光伏发电系统从大类上可分为独立(离网)光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。 即并网光伏电站及独立光伏发电系统。

独立光伏发电系统由太阳电池组件、控制器、蓄电池、逆变器组成。 如图1 所示。

独立光伏发电系统一般应用于小型用电系统中，如在路灯灯杆顶部安装太阳能板，独立为照明系统供电。

并网光伏电站系统由太阳电池组件。 并网逆变器等组成。 通常还包括数据采集系统、数据交换、参数显示和监控设备等。 太阳能方阵所发出的直流电经过并网逆变器转变成与电网相匹配的交流电再输送到电网中。 如下图2 所示：

图2 并网光伏发电系统

并网系统最大的特点就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网， 并网系统中光伏方阵产生的电力除了供给本地交流负载之外，多余的电力可以反馈给公共电网。 这种系统可以充分利用光伏方阵所发的电力，不使用蓄电池，减小了能量的损耗，降低了系统成本；能够并行使用市电和太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源， 降低了整个系统的负载缺电率；可以对本地的公用电网起到调峰作用。目前功率容量较大的光伏发电系统都采用的是并网光伏系统，大量的BIPV 的光伏发电系统也都是采用的并网光伏系统。

通过比较上述两种光伏发电系统工作方式和性能，可以看出并网光伏发电系统是成本最低，维护最方便，污染最小的工作方式。 因此新深圳火车站采用并网光伏系统，一方面是能够降低初始投资，二是减少太阳能光伏系统的维护费用及维护工作量，并且提高光伏供电系统整体的稳定性和可靠性。

3）深圳北站项目

深圳北站项目屋面顶部面积较大，约85000 平方米，采用单晶硅电池组件通过支架安装方案， 光伏采光屋顶代替传统的普通建筑玻璃屋顶，使建筑物的外观协调美观。光伏系统采用高效单晶硅电池片， 具有独具一格的建筑效应和环保效益，该系统的总功率为336kW，年发电量约37.6 万度。

“光伏屋顶”严格根据深圳本地的气象资料，在系统的方案设计中充分考虑了整个光伏系统的自重荷载、 抗风压能力、系统的发电效率等综合因素，采用专业光伏系统设计和模拟分析软件， 对太阳能光伏低压并网系统作了详尽的设计。 并根据光伏组件在屋面上的安装方式，考虑两侧的铝单板凸起的部分区域将会对电池组件造成遮挡进行了阴影计算。

整个光伏采光顶发电系统由840 块180Wp 和840 块220Wp 单晶硅太阳能电池组件以及2 台并网逆变器构成。 整个光伏系统由2 个子方阵构成，每个子方阵配备1 台大型并网逆变器，同时由一套数据采集监控系统完成对整个采光顶并网发电系统的数据采集与监控。

此光伏采光顶并网光伏系统所发的电供大楼部分电气设备使用，不够的部分由电网补充。 并网光伏供电系统由光伏组件阵列、并网逆变器、电缆和汇线盒、监控器等设备组成。 系统与市电并网，光伏系统产生的电能直接输入到电网内，供负载使用，不足的部分由电网补充。

光伏组件作为发电设备安装在大楼顶棚采光顶位置，它固定在顶棚骨梁结构上，并与其他屋面玻璃有机地结合在一起。 效果图如下图3：

图3 光伏采光顶实物参考

2 太阳能电池组件的比选

根据太阳能电池所用材料，一般可将其分为硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型电池和纳米晶化学太阳能电池四大类。 由于硅系太阳能电池对比其他的电池具有效率较高，技术成熟，且原料不含毒,寿命长等优点， 目前硅系太阳能电池占有绝大部分市场份额。而硅系太阳能电池可分为单晶硅电池，多晶硅电池，非晶硅薄膜电池，柔性非晶硅薄膜电池，而单晶硅电池对比其他电池具有技术成熟，效率高，对环境无污染，寿命长等优点，因此，针对新深圳站屋面布置方案，我们提出了采用晶体硅电池方案。

3 光伏系统对电网的影响

1）现有并网光伏技术能够保证良好的供电质量

经过二十多年的发展， 光伏并网供电技术已经相当成熟。 目前，并网光伏发电的核心设备——并网光伏逆变器的交流输出质量已经能够满足甚至超过国家标准对公用电网电能质量的要求。 系统所发出的电力一般为低压并网，通过低压配电保护、10kKV/380V 变压器隔离、高压配电保护等三级保护，以及系统内关键设备并网逆变器的过电压、欠电压、过频率、欠频率、防孤岛效应及雷击等保护措施，保证系统不会对外电网造成任何冲击。 新深圳站太阳能发电光伏发电项目加装逆功率保护装置， 该装置已经在奥运项目中多次使用。 逆功率保护装置能够实现太阳能所发的电全部在站房内部负载即时消耗，如果出现内部负载功率瞬时小于太阳能光伏系统的功率，会逐级切断太阳能发电系统，防止太阳能发电系统产生的电能返送至外电网。

2）光伏系统容量与电网容量安全

考虑到新深圳站的实际情况，屋顶安装的光伏约为300～336kWp 左右， 而新深圳站的变压器最小的容量也大于800kVA，其功率容量之比约0.4，远小于变压器正常运行时的最低负载率，所以，新深圳站太阳能并网光伏系统是安全可靠的。

4 项目产生的效益

光伏系统维护成本非常少，加上国家实行对太阳能光电建筑项目的补贴， 因此新深圳火车站将产生巨大的经济效益，此外可以产生明显的社会效益，太阳能发电对比石油、煤炭等发电将减少大量的二氧化硫、氮氧化物等有害气体和二氧化碳等温室气体，是干净环保的发电模式。

5 结语

长期以来，我国一直以煤炭发电为主，由于多年来无止境的开采， 我国煤炭储量已经不能支持我国电力的发展，加之使用化石能源带来了空气污染， 水污染等环境的问题，中国正在以历史上最脆弱的生态系统，承受着历史上最多人口和最强的发展压力，作为能源消费大国，提高能源效率和发展新能源与再生能源已是燃眉之急。 光伏发电用完美演绎了能源供应和环境保护的双重使命，体现了人与自然相互依存，和谐发展的理念，将太阳能光伏发电应用于深圳，推动深圳市可再生能源的发展，为环境保护做出的巨大示范作用。 为深圳市构建和谐社会，走可持续发展的道路做出瞩目的贡献。

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