关于太阳能光伏发电系统在民用建筑中的应用

关于太阳能光伏发电系统在民用建筑中的应用

刘勇

（云南正元安泰建设工程设计咨询有限公司 云南 昆明 650000）

摘要：太阳能是可再生环保能源，合理使用太阳能可以在节约能源的同时提高环境环保水平。本文将介绍光伏发电构成与发电量计算方法，用案例的方式分类光伏发电系统，估算太阳能光伏发电系统经济回报，合理设计民用建筑太阳能光伏发电系统。

关键词：太阳能；光伏发电；民用建筑

前言：在环境污染加剧、全球能源紧张背景下，开发绿色环保能源成为全球热议话题。太阳能资源丰富，获取比较方便，当前已被发电、制冷以及供热等众多领域广泛使用。光伏发电意思就是转化太阳光，将其变成电能，是一种无污染、清洁环保、安全可靠的发电系统。为了推动绿色化、环保化发电目标的落实，太阳能发电在民用建筑中的应用研究已成趋势。

一、太阳能光伏发电介绍

（一）系统构成

太阳能是环保能源辐射能力很强，使用光伏元件转化辐射光，能直接为其他设备提供能源。在光伏发电系统中半导体是电信号存储单元，靠着其他信道配合，直接转化辐射光完成电能传输，该过程电损耗非常小。光伏发电系统包括太阳电池板、控制器、基础逆变器[1]。光辐射信号的协调依靠基础逆变器。直流电信号变成交流电信号靠的是控制器。电信号的存储依靠太阳电池板。在串联中太阳电池板可以组成大范围电池结构，使用连接组件光伏发电与滑动变阻器、功率协调器串联，共同组成太阳能光伏发电系统。

在光伏发电中并网逆变器属于重要结构，可以转换电信号，调整相位数值与输出电信号频率。利用并网逆变器，将高压电网电信号与交流电信号融合到一起[2]。直流电压源与并网逆变器在光伏发电中为直接相连，发电网络搭建的时候为防止电量击穿一般会在并网逆变器周围设置高阻值定值电阻元件。

（二）发电量计算

发电量意思是单位时间内光伏面板的电信号转换情况。系统发电量越大表明光伏面板有着越强的电信号转换能力。

发电量计算中需要按照电功率向量取值情况求解。考虑电功率的度量值、电感系数、交流电信号特征、电功率定标数、并网逆变器内阻值。为了节约电能，减少消耗在计算发电量时候应尽量取大值[3]。

（三）实施方法

光伏发电分并网与离网两种形式。

首先是并网光伏发电，该模式能够合并公共电信号与太阳能电信号，使用交流并网中的逆变器原件，直接升压/降压，更改逆变元器件物理电压值，实现电信号的自由传输与调度。

其次是离网光伏发电，该模式能脱离公共电力实现独立供电、发电。应用MPPT/PWM控制器为蓄电池充电[4]。按照DC/DC与DC/AC设备连接形式，完成并网逆变器电压数值调节。相较于并网光伏发电，离网光伏发电需要使用蓄电池用于电信号的传输、存储。在储电量达到相应水平后，电信号参量会被自发调取，使用逆变网络信道完成电量信号的分发。

二、民用建筑中的光伏发电使用可行性

（一）项目状况与政策

本次项目为某省某市的写字楼，地下2层地上15层，建筑物总面积31750m2。地下室功能包括冷冻站、风机房、水泵房与变电所和车库。地上建筑物中，1至3层为物业用房与商业用房，4至15层为办公室。整栋楼每一层都有中央空调。

按照当地的民用建筑节能条例规定，必须选择可再生能源规模化使用。该项目没有热水需求，主要服务于办公，所以考虑使用光伏发电。

（二）太阳能情况

项目所在地的气候为亚热带季风，每年都有充沛的雨量，霜少无雪气候温和。按照规定可知当地每年的日照量为1400至2200小时，辐射量约为5000MJ/（m2· a）。即本项目具备光伏发电使用条件。

（三）系统设置

以光伏发电的分类特征以及地区光照条件，最终决定使用非逆流分散并网光伏发电。光伏板以南北朝向布置，进而获得足够多的太阳光照。布置光伏板的时候保障周围没有遮挡物，创造合适的光伏板布置条件。

本次项目共有2个屋面，1号屋面是商业裙楼，2号屋面是主楼屋面，两个屋面都是平屋顶。

1号屋面的主楼投影外区域有600m2，东面有200m2空间设置休闲座位。在1号屋面的西边规划绿化区域，北边设置空调风机、厨房排烟设备。1号屋面最后剩余的区域总共有100m2，可用于光伏板设置。但考虑到冬季的时候，1号屋面会被南边的主楼阴影遮挡，最终决定不再1号屋面设置光伏板。

2号屋面总共有2100m2，其中水泵房与中间核心筒占地400m2，2号屋面的北边设置空调外机，所以不再北边设置光伏板。2号屋面最终只剩南面可以布置光伏板，共有750m2可用。

在设置光伏发电系统的时候，优先选择无自然采光区域。因为2号屋面面积有限，并不足以支持楼道、地下室以及楼梯间照明，所以设计本次的光伏系统时，只考虑为地下室提供照明电能。照明负荷计算结果如表1。

表1 照明系统负荷

在装机容量的估算中使用综合系数法，因为在使用中会出现折旧、衰减与升温问题影响组建性能，甚至表面灰尘、光照不均也会影响效果，所以最后准备了适当的冗余，系数选0.7。此外本次项目的屋顶玻璃幕墙为7米，在透光衰减中，光伏板的太阳能吸收能力会受到一定影响，故设置透光衰减系数，本次选择0.8.最终综合系数为0.75。为了供给33.5kW的电量，光伏系统装机容量必须满足33.5的要求，最终计算得出55kWp，使用每块0.25kWp的多晶硅电池，根据计算最终需要218块电池，总共占地358m

2，使用30kWp的并网逆变器。逆变器直流输入电压最大值880V，直流输入电流最大值80A，额定输出30kWp。各种组件与设备的配置如表2。

表2 设备配置情况

光伏发电构成包括监控系统、并网逆变器、配电箱与光伏组件等。按照系统需求与建筑物的布局情况，最终决定设置光伏板方阵2个，每个光伏板方阵配置109块电池，每个方阵配置1台并网逆变器，方阵与直流配电箱与防雷汇流箱相接。使用并网逆变器与并网专用交流开关计量箱相接，之后再连接地下室的照明配电箱。

（四）发电量与经济回报

计算发电量时用每年的太阳能辐射量情况与光伏组件的占地面积与组件的电信号转换效率和综合系数想乘。

按照GB50797-2012《光伏发电站设计规范》内容计算的出，本地的年辐射量为1298kWh/m2。本次项目的光伏组件为358m2，根据光伏板说明得知转换率15%，结合前文计算得出的综合系数0.75，得出每年光伏板方阵发电量为4.34万kWh，按照当地的工商业电价0.831元/kWh，最终计算得出使用光伏板方阵可以让该楼节省3.63万人民币的电费。

通过市场实地调查与网络渠道的沟通得出，当前市场价格方面，光伏设备一般为6元/Wp。通过计算得出本次设备的采购成本加上设备的附件费、安装费，整体投资约为40万元人民币，考虑到还需要运维管理、安全维护，系统总成本最终会在44万元左右。设备回收成本计算为44万÷3.63万=12.12年。考虑到光伏设备寿命约为20年，本系统只需要12.12年便能完成成本回收，所以有着比较高的经济回报，系统设计可行且合理。

（五）能耗量与发电量计算

本次项目的商业部分与办公部分总面积为73250m2，商业面积12000m2，办公面积61250m2。根据地方建设规定，可以用于再生能源的能耗量与发电量数据对比。

本项目年能耗为740tce。项目中的太阳能每年发电量为3.63万kWh，折合标准煤系数以后数据为0.744t/万kWh，即4.75t标准煤，能耗量占比结果为0.27%。

项目年用电量在700万kWh，年发电量耗电量0.37%。

考虑到本次项目为高层建筑有着比较大的容积率，即屋面面积小、占地面积不大，但总面积比较大，所以会有比较大的耗电基数。小高层建筑年耗电量一般情况下基数都是比较小的，会有比较高的光伏发电量占比。

三、未来民用建筑中的光伏发电使用趋势

光伏发电技术的开发应着眼于提高电池板太阳能转换率。太阳能的确是可再生能源不过低转换率不足以保障其作用的发挥。如果转换率比较低，将无法保障用电效果。对此需要提高太阳能转换率。通过调整太阳能板光照夹角，优化电池板性能的方式获得更高的电量转换率。

此外降低电池板造价也是非常重要的事情。调节太阳板的工作时间能够减轻太阳板损耗问题，实现资金成本的有效控制。大力开发新技术，让新能源事业获得更多科技支持。

现如今全世界都在积极使用太阳能资源，不论是质量还是规模都在扩大。世界各国都在制定光伏发电系统研发计划，追求光伏发电在民用建筑中的积极使用，在二者的充分结合中改变民用建筑高能耗问题。

结语：整体看来因为光伏发电有着重大优势，是可再生、高安全性能源。在世界发展趋势与格局不断变动中，人们表现出极强的环保意识。当前阶段国内为了推动绿色发展，一直在致力于积极引进太阳能发电技术。在适宜的安装环境中使用太阳能系统，能够在缓解能源短缺问题的同时，减轻污染物和温室气体排放，对环境保护与生态文明的建设具有重大意义。今后太阳能必然会助力建筑行业获得更好发展，成为人类文明常规资源。

参考文献：

[1]张东,刘鹏飞,刘春阳,侯刚,惠博,安周建.太阳能PV/T光储直驱热电联产系统性能分析[J/OL].化工进展:1-10[2023-03-30].

[2]王瑞林,孙杰,洪慧.可再生能源与燃煤发电集成互补系统综述[J].洁净煤技术,2022,28(11):10-18+4.

[3]高阳,徐国宁,王生,李兆杰,蔡榕,杨燕初.临近空间太阳电池模型修正与发电量预测研究[J].太阳能学报,2022,43(10):80-87.

[4]姚玉璧,郑绍忠,杨扬,张民,赵继锋,李强.中国太阳能资源评估及其利用效率研究进展与展望[J].太阳能学报,2022,43(10):524-535.

[5]海涛,刘振语,时雨,黄新迪.基于NB-IoT的水循环光伏发电系统设计[J].传感器与微系统,2022,41(09):77-80.

[6]苗青青,石春艳,张香平.碳中和目标下的光伏发电技术[J].化工进展,2022,41(03):1125-1131.