建筑屋面分布式光伏发电项目设计探讨

中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 陈锦成

1 引言

近年来，绿色低碳发展的主基调对建筑行业未来发展提出了明确的要求。随着经济水平与科学技术的迅速发展，人们对于住宅水平也有了更好的标准，尤其是对建筑设计的要求越来越高，从而导致当前建筑内部的供电系统越来越复杂，不断增长的建筑用电量使较多地区出现了电力资源危机。因此，电力部门对于建筑内部的发电项目的安全与能耗提出了更高的要求。光伏发电技术作为一种可再生清洁能源，能够较好地满足绿色建筑低碳节能理念，所以在进行建筑电气设计时，应该加大光伏发电技术应用，以保证建筑电气的安全性与节能性。

2 分布式光伏发电技术原理及应用场景

分布式光伏发电技术的主要工作原理是指利用太阳能转化成为机械能，最后转化为电能。当前，该发电技术已经成为新能源发电技术中应用最为广泛的一种，通过分析各种类型的新能源资源储备量可以得出，太阳能资源的储备量最多，所以将其应用于建筑物的电力系统能够实现太阳能-电能的转换，从而实现太阳能发电[1]。

分布式光伏发电系统虽然是一种新型的能源综合利用系统，但是却有着十分广阔的利用空间。分布式光伏发电装置主要包括：光伏组件、逆变器、支架、电缆、并网系统以及相关配件等[2]。其中，光伏组件和逆变器是整个装置的核心部分。光伏组件由晶体硅太阳能电池、非晶体硅太阳能电池构建而成，逆变器的作用是将直流电转变成为交流电，从而能够将太阳能转化为电能。支架是整个发电装置的中心，其主要是起到支撑作用，该装置主要是通过支架内部的电缆进行输配电，同时还具备抗震、防风、防雪等功能。由此可见，分布式光伏发电装置是由不同设备装置构建而成的，只有使其协同工作才能将太阳能高效转化为电能使用，从而实现绿色低碳、节能降耗的目的。

分布式光伏发电技术相比其他的新能源发电技术而言，具有零污染、效益高、适应范围广等特点。目前，我国分布式光伏发电机装机容量已达10750.8kW，占发电机装机容量的75%左右，可见装机容量比例较大。由此可见，该发电技术的应用前景是十分广泛的，经过实践证明该发电技术能够有效提高发电效率，并且在建筑领域的应用水平得到了社会各界的一致认可。分布式光伏发电技术如图1所示。

图1 分布式光伏发电技术

3 项目概况

本工程为某市大型商业综合项目。本工程总建筑面积13900m2，建筑高度为92.5m。建筑布局地下B1-B3层为地下停车库；一层、二层为商业营业厅、餐厅；三层为电影院、健身房；四层为物业管理、设备用房、办公用房。其中，整个建筑物的屋顶均采用平铺安装与光伏发电相结合的方式，从而实现了资源的有效利用[3]。

4 总体设计

4.1 光伏组件

分布式发电技术相比其他的新能源发电技术而言，有着独特的优势之处。即无污染、效益高、适应范围广等。截至2021年，我国分布式光伏发电机装机容量已达10750.8kW。

结合当前我国分布式光伏组件市场现状以及产量情况来看，目前市场上采用最多的光伏组件配置为晶体硅以及薄膜等两大类。其中，晶体硅光伏组件成熟度、性质稳定、市场份额最大、价格低廉、产量大等因素，因此本文将选定光伏组件为晶体硅[4]。

4.2 规格参数

由于晶体硅光伏组件的功率规格多，如5～670W。再加上本项目装机规模较大，因此组件数量较多。本研究为了减少占地面积以及组件安装量，将优先使用单位面积功率大的光伏组件。不仅能够有效降低设备故障发生率，同时也能够减少接触阻力与电缆用量，从而能够减少系统的整体损耗。经济技术方案分析见表1。

表1 经济技术方案分析

由表1可知，540W 光伏组件相比450W 组件而言，能够有效节约屋顶面积644m2，节省租金12800元/年（2元/m2）；节省光伏专用电缆长度23000m，节省电缆成本46000元；节省支架30套。根据技术经济方案以及本项目实际情况来看，适合采用72片封装单晶硅光伏组件，型号规格为550W。然而，本阶段只适用于选择固定的运营方式，从项目和结构两方面因素综合来看，结合平铺方式依次安装屋顶光伏系统[5]。因此，本项目所采用的光伏组件与传统发电模式相比，运行费用也十分合理，设备的初期总投资就能够节省约将近100万元，并且不需要设立单独的机房放置设备，因此可以有效减少使用面积，并且周围的商业用房的相关设置也不会受到实际的影响，再加上其零污染排放、系统运行可靠、设备维护管理方便、使用寿命长等优点，应用于本项目十分合适。

4.3 逆变器

针对本项目分布式光伏发电而言，其中逆变器设备是核心的部分，主要作用是将太阳能转化成电能。当逆变器完成能源转换后，首先会将电能源源不断地输送至建筑物进行供电，而剩余的一部分电能将会被存储至电网中。此外，该设备具有过压保护、电压异常保护、过流保护等保护功能。因此，分布式光伏发电系统能否安全稳定运行与之有着直接作用关系。基于此，本研究在设计光伏发电时，首先需要考虑整个建筑物整体情况，其次构建45kW 逆变器，每一台逆变器的光伏最大配置设置为45÷4.05=11.11。因此，为了确保能够满足本项目建筑物实际供电需求，因此在设计逆变器光伏串时，需要为每一台逆变器配置12串光伏串。

5 技术要点分析

5.1 确保环保节能设计质量

首先，本项目设计人员来说，在建筑物供电系统中应用分布式光伏节能环保技术，需要充分考虑该技术所带来的长远利益以及发展趋势，不仅需要从经济效益的角度出发，还需要站在未来市场环境发展的角度看待这一问题，然而这一切的前提是必须确保分布式光伏发电技术的质量。因此，在整个发电系统设计的过程中，设计人员一方面需要具备专业的光伏发电基础知识，另一方面还需要综合现场建筑物的实际情况，及时对设计方案进行调整，确保整个设计方案的合理化。

除此之外，在设计的过程中，相关的管理人员也需要在现场对设计人员的设计方案进行评估，确保整个设计方案要基于节能环保技术出发，才能够实现绿色低碳的目标。

5.2 确保相关设备设计规范

由于分布式光伏发电系统能够直接影响本建筑项目的低碳、节能、环保应用效果。因此，相关设计人员需要时刻根据本项目设计目标，尽可能地采用绿色、低碳、无污染的设备（如：太阳能）应用于本项目中，进而有效降低的能源消耗。

5.3 发电机组监管维护

本建筑项目分布式光伏发电系统是由多台发电机组组合而成的，每一台机组的发电量是300w 左右。分布式光伏发电机组主要采用的是集中控制方法进行处理。在实际运行过程中，需要安装微机监控设备，进一步实现对发电机组的远程控制。除此之外，针对分布式光伏发电机组的监管与维护过程中，需要在机组内部部署相应的保护装置，同时满足以下要求。

第一，分布式光伏发电机组的监控系统能够起到对每台发电机组的实时监控，同时还能够将监测数据传输至云平台中，而技术人员能够利用上传的数据分析该发电机组是否存在设备运行故障，同时还能够远程进行指定工作，实现对太阳能电池片的转向调整。

第二，将监控设备部署于每一台光伏发电机组中，能够使计算机设备直接控制该发电机组，进而能够实现对过压保护、过流保护、传感器保护等多种保护情况。一旦太阳能转换成电能，在电力传输过程中的电压和电流过高，此时监控设备将会立即切断运输电缆，从而确保发电机组的安全。

6 发电量与经济效益

6.1 发电量

发电系统的实际运行效率是影响其发电量的关键性因素。在本项目中，由于雨水、灰尘等气候以及光伏组件不匹配等都有可能导致发电系统的运行效率降低，同时逆变器、电缆、变压器等设施设备的功率损失同样也会导致发电系统的实际运行效率的下降，从而导致发电量降低。基于此，本研究决定在PVDesigner 软件中进行模拟，进一步得出了发电系统的各项能耗损失。其中，污秽损失约为2.5%；组件温度损失约为4.35%，失配损失约为1.98%，电缆损失约为0.45%，逆变器效率损失约为1.45%，整体系统效率约为82.5%。根据本项目某市一大型商业综合项目分布式光伏发电项目的年总发电量，可根据太阳能年总辐射量、发电系统组件总功率以及发电系统总效率等数据进行计算，得出式：

式中：Ep代表年总发电量；Ha代表太阳能年总辐射量；Paz代表发电系统总功率；K 代表发电系统总效率。由于需要考虑到使用年限的原因，太阳能电池片的运行效率会随着时间有所减弱，因此本项目仅预测未来20～25年内该分布式光伏发电系统每一年发电量。采用PVDesigner 软件进行模拟分析，将相应的设备参数填入模拟系统中，经过计算得出未来25年内，该发电系统的年发电量为985.2万kWh。

6.2 经济效益

根据上述的模拟计算可以得出，本研究分布式光伏发电项目应用于该大型商业综合项目中能够实现年发电量为985.2万kWh，按照相关的火电煤耗发电标准来计算，本项目投入建设后平均每年可节约燃煤约1000t，因此也会减少大气污染物的排放，同时该发电项目应用的主要资源为太阳能，其是一种清洁能源且可再生能源，缓解了我国电力事业用电紧张的问题，同时也为人们生活节约了用电成本。

7 结语

综上所述，随着经济与科技的快速发展，人们的生活水平不断改善和提高，对建筑设计的要求也不断提升，从而造成目前建筑内部的供电系统越来越复杂，不断增长的建筑用电量使较多地区出现了电力资源危机。分布式光伏发电技术的应用大大改善了我国电力紧缺的问题，同时也体现出了我国电力事业创新发展的品质。应用分布式光伏发电技术，不仅能够节约能耗，同时还能够降低环境污染。该技术有效满足了现代化发展需要，实现了可持续发展的战略目标，从而保障我国建筑行业与电力行业的长远稳定发展。