光伏发电系统在建筑供配电中的应用研究

叶小冬

（广东广筑工程设计有限公司）

1 引言

据调查，我国建筑物耗电量占社会总耗电量的50%以上，如何实现建筑物节能是我们迫切需要解决的问题。光伏发电是将太阳能转换成电能的一种技术，这种技术实现的关键是太阳能电池组件。光伏发电具有受地域影响较小、安全可靠、无噪声、低污染等优点，特别是在建筑供配电中有广阔的应用前景，在建筑中，光伏发电系统可以实现就近发电、并网、使用，减少电能在升压及远距离输送的损耗，充分利用太阳能，减少化石能源消耗。

2 光伏发电系统分类及组成

2.1 光伏发电系统分类

光伏发电系统根据是否与电网连接，目前可以将太阳能发电分为独立光伏发电系统方式、并网光伏发电系统方式两种。独立光伏发电系统方式就是独立于电网之外设置的光伏发电系统，自发自用模式，该模式适用于远离电网的偏远地区；并网光伏发电系统方式是指太阳能板产生的直流电源经逆变器转换成交流电之后，接入公共电网，系统概要图详见图1。根据项目规模分为大型集中式并网光伏发电系统和小型分散式并网光伏发电系统两种，其中，小型分散式并网光伏发电系统具有投资额小、建设周期短、可利用屋面安装等优点，广泛用于建筑项目中，是并网光伏发电的主要模式。

2.2 光伏发电系统组成

并网光伏发电系统主要包括太阳能电池方阵、汇流箱、直流配电柜、逆变器、交流配电柜、变压器及配电柜等控制系统与设备组成，还可以根据实际项目需求，设置供电系统监控装置和环境监测装置。

图1 并网光伏发电系统概要图

分散式并网光伏发电系统的运行模式是太阳能电池板将太阳能转换成电能，经直流汇流箱汇集，通过并网逆变器转换成交流电为建筑自身设备供电，多余或不足的电力通过电网来调节输出/供给。

表1 太阳能电池组件技术参数（型号：28010）

表2 40kW 组串式逆变器基本参数

3 光伏发电系统在建筑供配电中的应用研究

3.1 项目情况介绍

该工程处于广东地区，光照时间较长，地理条件优越，太阳能电池板理想斜面安装，年辐射量可达1400kW ·h/㎡～1800kW ·h/㎡，很适合发展光伏项目产业。

该工程作为办公场所，白天主要用电负荷为各楼层办公区域的计算机、打印机等设备、照明灯具和空调，以及一楼餐厅的厨房、冷藏室、冷库用电设备等。为减少对其他设备的影响，本项目前期仅考虑将三级负荷纳入光伏发电的供配电体系中。

该工程光伏发电系统供电对象选取为餐厅的冷藏室、冷库，及二楼至六楼办公区域的空调等用电设备，这些负荷均为三级负荷，短暂的停电不会对大楼员工正常的工作和生活造成较大影响。上述部分用电设备总装机功率为33kW，计算负荷为31.4kW。参照相关规范，该工程光伏发电系统总装机容量为35kW。

3.2 光伏发电系统关键问题分析

1）系统并网模式分析

在系统组成方面，需考虑是否设置蓄电池组，采用储能系统还是采用即发即用并网系统。

考虑到该工程发电量不大，增加蓄电池后在投资和管理各方面成本都会有所增加，在系统设置上采用即发即用模式发电，就地使用，并网而不上网。该工程太阳能光伏发电系统选择为不含蓄电池环节的不可调度式并网太阳能光伏发电系统。

2）太阳能电池选择分析

目前太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池（含薄膜太阳能电池）、碲化镉电池、铜铟硒电池等。结合工程的具体特点，从工程投资、占地及土地利用效率等多方面综合考虑，进行最优选择，达到太阳能电池的最优方案。

该工程选用单晶硅太阳能电池组件，该电池主要技术参数见表1。

该工程光伏发电系统安装容量为35kW，需要安装280Wp 单晶硅组件125块。共设计5 串太阳能电池组件，每串25 片，其功率为25×0.28kW=7kW。工程太阳能电池组件方阵布置方案为：0.28kW×25 片/串×5 串。为了减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，在室外配置1 台光伏阵列防雷汇流箱，整个系统5 路光伏阵列接入汇流箱内，该汇流箱直接安装在电池支架上。该工程太阳能电池板阵列安装方式为屋顶支架安装。

3）逆变器的选择分析

太阳能电池产生的直流电需转换成交流电后，才能为普通的交流设备供电，因此需增加逆变器来实现直流—交流转换。

对于逆变器的选用，不仅需要从输入直流电压的范围、输出波形、输出效率、输出特性等方面考虑，也要兼顾其性价比和安全稳定可靠性，逆变器应具有抗干扰能力、环境适应能力、顺势过载能力及各种保护功能。

该工程采用单台40kW 带隔离变压器的三相并网逆变器，其防护等级为IP65，安装在室外屋顶墙体上。40KW组串式逆变器的基本参数见表2。

4）并网低压配电箱的设置

小型分散式光伏发电系统经过逆变器整流后，转换成AC380V 50Hz 电源，光伏电源需与正常电网之间设置合理的并网方式，保证电源的可靠运行。小规模建筑用光伏发电系统并网接入点一般选择在低压配电箱，在设备配电箱进线处设置双电源转换开关，当光伏发电系统的电量充足的情况下完全由光伏电源为该系统下的负荷供电，当阴雨天气太阳能发电量不足或者光伏电路发生故障不能正常供电时，将供电电源切换到市电电源。

该项目并网低压配电箱安装在楼顶机房外墙上，配电箱一路进线引自光伏发电系统逆变器，另一路进线引自市电。当光伏系统发电量充足的情况下，引自光伏系统回路的进线开关处于闭合状态，否则投切到市电回路，使进线开关闭合，确保该配电箱进线母排一直处于通电状态。将配电箱低压出线分别引至一楼冷藏室、冷库低压供电回路和二至六楼室内空调机各供电回路为其供电。

5）防雷接地设计

一般建筑物光伏发电设施均设置在屋顶位置，所处的环境比较特殊，需要着重考虑发电设施的直击雷、感应雷的防护问题。

该工程在直击雷防护方面，充分利用现有建筑物屋面装设的接闪带及避雷网，将光伏发电系统太阳能电池板、汇流箱、逆变器的金属边框、金属支架等金属构件与屋面接闪带可靠连接。在感应雷防护方面，对于感应雷引起的过电压保护，主要采用在直流侧和交流侧分别装设电涌保护器，以防护过电压对设备的损坏。

4 结语

该工程中光伏发电系统总装机容量仅为35kW，按运行期年平均发电量约2.9 万kW ·h、运行期25a 计算，共可发电72.5 万kW ·h，可节省燃煤245.9t，可减少排放二氧化碳644.3t、二氧化硫5.4t、氮氧化物1.8t、粉尘3.6t，可见光伏发电项目的建设对于环境保护、减少大气污染具有积极的作用，并有明显的经济效益和社会效益。

太阳能是开发潜力最大但已开发比例最低的能源类型，是取之不尽、用之不竭的，作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、使用经济等优点，逐步成为各国争相研究发展的重点对象。随着太阳能的深度开发，我们会继续减少甚至消除资源匮乏的情况。