光伏太阳能发电技术在建筑电气节能设计中的应用

刘仕科

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

我国是能源消耗大国，以煤炭、石油等不可再生能源为主，上述传统能源全球储存量有限，为不可再生能源，不仅污染环境，当面临枯竭时，还会给人类带来能源危机。在我国能源消耗结构中，建筑行业、工业行业、交通运输行业的能源消耗是最大的，其中，在社会总能源消耗的占比中，建筑行业能源消耗约占30%[1]。随着人民生活水平的提高和城市化的进展，建筑业能源消耗占比也会持续增加。因此，提倡建筑业节能，推广太阳能、风能等可再生能源不仅能缓解传统化石能源供应不足而产生的能源危机问题，还能降低环境污染。

政策上，我国相继出台了鼓励发展光伏太阳能发电的法规及条例。例如2022 年实施的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）中第5.2.1规定[2]：新建建筑应设置太阳能系统。2013 年3 月1 日实施的《山东省民用建筑节能条例》中规定：12 层以上建筑中推广和应用太阳能光热系统。随着政策的支持，太阳能作为无污染、用之不竭、取之不尽的可再生能源，在建筑节能设计中已得到越来越多的应用，其发挥的作用也越来越大，本文着重探讨光伏太阳能发电技术在建筑电气设计中具体应用。

1 光伏太阳能发电技术工作原理及特点

1.1 光伏太阳能发电技术工作原理

P 型半导体与N 型号半导体互相接触在一起后形成P-N 结，当太阳能辐射量足够大时，太阳光照射在上述半导体的P-N 结后，会发生光电反应，在P-N 结接触面处产生电压，进而形成电流，这就是光伏太阳能发电系统的发电原理[3]。

电池板光伏组件、控制器、光伏逆变器、蓄电池组是组成光伏太阳能发电系统的基本设备，在各个发电环节起着重要的作用。当光伏发电系统产生出来的发电量接入电网，此系统称作并网光伏发电系统，系统结构如图1 所示；当光伏发电系统产生出来的发电量不接入电网，此系统称作独立光伏发电系统，系统结构如图2 所示。

图1 并网光伏发电系统

图2 独立光伏发电系统

1.1.1 电池板光伏组件

电池板光伏组件是光伏太阳能发电系统的核心，是太阳能转换为电能的核心元器件，每片电池片的电流、电压都不高，所以为了获得更高的电压，就需要将电池片串联起来，最后再并联后才能获得更高的电流。把光伏组件在给定的建筑面积上串联、并联后，就会形成电池板光伏组件方阵。

1.1.2 控制器

控制器一般在独立光伏发电系统中使用，是蓄电池充、放电的控制中心，是一种自动控制设备，能起到防止蓄电池过充电、过放电的作用，具备负载短路、负载过载、反向放电的保护功能。

1.1.3 光伏逆变器

光伏逆变器是一种将直流电逆变成交流电的设备，光伏系统发出来的直流电需经逆变器逆变成交流电才能供给我们的交流用电设备，另外光伏逆变器还能起到平衡光伏系统的作用。

1.1.4 蓄电池组（并网系统不需要）

蓄电池组是储存电能的设备，光伏太阳能发电系统输出的发电量较充裕时，电量会先储存在蓄电池组中，当光伏太阳能发电系统发电量不足时，再由蓄电池组储存的电量供给用电负载。

1.2 光伏太阳能发电技术特点

光伏太阳能发电技术能得到世界各国的重视，跟其自身特点优势密不可分。

（1）太阳能随处可见、不怕枯竭，是用不完的可再生能源。

（3）光伏太阳能发电系统建设灵活，不受偏僻地域影响，不受当地能源结构的影响，因不需要长距离输送电能，避免了长距离输电线路上的损耗，从而节约能源、减少投资。

（4）在建设周期上，光伏太阳能发电系统是比较短的，是获取电能最快的途径之一。

2 光伏太阳能发电技术在建筑电气设计中的应用

建筑节能，就是在满足规范、生活舒适的前提下，尽量的减少能量损耗，减少使用传统能源，尽可能的采用、发展光伏太阳能发电技术，提高新能源的利用率[4]。

本文以广东省广州市某二星绿色建筑地铁项目为例，对光伏太阳能发电技术在建筑电气设计中具体应用进行相关探讨分析。

2.1 项目工程概况

本工程位于广东省广州市，为轨道交通地面高架地铁站，地面2 层，首层为站厅层，2 层为站台层，屋面为钢结构，总建筑面积15315m2，屋顶面积6129m2。

按建筑规划要求，本项目绿色建筑需满足绿色二星设计要求。根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）第7.2.9 提出：“结合当地气候和自然资源条件合理利用可再生能源。”本项目根据规范要求需至少设计一种可再生能源。

根据项目现场实际情况，对比太阳能热水系统、地源热泵系统和光伏太阳能发电系统，因本项目无热水需求，太阳能热水系统不合适；另外本项目架空在市政道路上方，地热系统设置较困难；最终选择了光伏太阳能发电系统，在屋面空余地方安装太阳能电池组件。

2.2 光伏新能源系统分类及系统选择

2.2.1 广州市太能能资源分析

广州市气候属亚热带季风气候，夏季长、太阳辐射量充足、霜期不长。其中4、6 月温暖多雨，7、9 月高温炎热，10 月、11 月、3 月温度适中，12、2 月天气寒冷，全年平均温度21.9℃。根据规范《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012）附录B 内容[5]，广州市日辐射量为12110kJ/m2，具备光伏太阳能发电的条件。

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2.2.2 光伏新能源系统分类

根据是否接入公共电网，可分为并网光伏发电系统、独立光伏发电系统。其中并网光伏发电系统如果允许通过上级变压器向主电网供电的方式则叫有逆流并网光伏发电系统，否则叫无逆流并网光伏发电系统。

独立光伏发电系统需配置控制器、蓄电池，结构简单、系统功率较小，安装灵活，不并入公共电网，适用于附近无电网的偏远地区；并网光伏发电系统原理是太阳能电池发出来的直流电由逆变器转换成标准的50Hz交流电并接入电网。与独立光伏发电系统对比，并网光伏发电系统可不配置蓄电池，因不配置蓄电池，提高了电能的利用率，减少了环境污染，建筑物内无须设置蓄电池室，节省了建筑面积。

2.2.3 光伏新能源系统选择

本项目根据并网光伏太阳能发电系统各自优、缺点，选择无逆流并网光伏发电系统。

因本项目钢结构屋面镂空区域较多，且高架地铁站位置设置在室外较空旷的位置，周围遮挡较少，不改变建筑屋面的前提下，在屋顶合理布置电池板光伏组件。

屋面光伏太阳能发电系统在考虑到建筑美观、疏散要求的前提下，尽可能的提高屋面的利用率，使屋面电池光伏组件安装面积达到最大，为能更好地吸收太阳能的辐射量，现场需根据太阳的照射方向适度调整电池板光伏组件角度。

本工程光伏太阳能发电系统由室外电池光伏组件、室内并网逆变器、室内交流汇流箱、室内并网柜及相关配套设备组成。

总建筑面积15315m2，屋顶面积6129m2，根据建筑屋面情况，在北边、南边和中间安装室外电池板光伏组件，电池板光伏组件有效安装面积为1715m2，共安装628 块260Wp 多晶硅双玻组件，多晶硅双玻组件尺寸为1.64m2/块，电池板光伏组件总面积约为1030m2。车站屋顶电池板光伏组件平面布置如图3 所示。

图3 车站屋顶电池板光伏组件平面布置

本光伏发电系统直流装机容量为163.28kWp，光伏发电系统共设计33kW 组串式逆变器5 台，5 进1 出交流汇流箱1 台，并网柜1 台，监控系统1 套，380V 并网方式并网，光伏系统配置如表1 所示；光伏电缆经站台屋顶层交流汇流箱、站厅层0.4kV 开关柜室设置的光伏并网柜并入电网，从而给电网供电，光伏系统总原理如图4 所示。

表1 光伏系统配置

图4 光伏系统总原理

2.3 防雷设计

太阳能发电系统电池板光伏组件会受到雷电的直接雷击和雷电的间接感应雷。

2.3.1 防直击雷

为防止雷电的直接雷击，太阳能发电系统电池板光伏组件主要措施如下。

（1）电池板光伏组件安装支架及基础与建筑物防雷系统可靠电气连接。

（2）逆变器内装设Ⅰ级防雷保护。

（3）交流汇流柜内部设置防浪涌保护器。

2.3.2 防感应雷

预防感应雷措施主要如下。

（1）针对直流配电线路侵入的感应雷，逆变器直流侧设置直流开关，并配置防浪涌保护器。

（2）与太阳能发电系统并接的外部电网中设置的0.4kV 低压配电柜内安装防浪涌保护器。

（3）室外进入配电小间的金属桥架、配管与建筑物防雷系统可靠电气连接。

2.4 光伏新能源系统年发电量

光伏新能源系统发电量受当地的日辐射量及环境质量影响，因此不能完全精确的计算出当地的年发电量，年发定量可按照下式估算。

Ep=365×HA×PAZ×K。

式中：Ep——年发电量，kW·h；HA——水平面太阳能日辐射量，（kW·h/m2）；PAZ——系统安装总容量，kWp；K——综合效率系数。

根据规范《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012）附录B 内容，广州市水平面太阳能日辐射量为HA=12110kJ/m2=12110×1/3600（kW·h）/m2=3.36（kW·h）/m2。

本工程系统安装总容量PAZ=163.28kWp，综合系数K 取0.7，光伏新能源系统年发电量为Ep=365xHAxPAZ×K=365×3.36（kW·h）/m2×163.28kWp×0.7=14.02 万kW·h。

标准煤折标系数取1.229t/万kW·h，折算为标准煤重量为：14.02 万kW·h×1.229t/万kW·h=17.23t。综上，本项目每年可节约17.23t 标准煤，从而可以间接减少传统能源的利用，减少大气污染。

3 结语

综上所述，光伏太阳能发电，作为再生能源是缓解能源危机的重要方向，其清洁、无污染、取之不尽的特性正得到世界各国的重视，因此，大力发展、推广光伏太阳能发电技术，对于缓解能源危机乃至消除能源危机、减少传统能源对地球环境的污染、保护地球的环境有着重要意义。