分布式光伏发电系统在建筑设计中的应用

分布式光伏发电系统在建筑设计中的应用

郑文波

中电国能（天津）综合能源规划设计有限公司    300450

摘　要：在我国社会经济的加速发展下，社会对电能的需求不断增加，引起了电力能源的供给压力，同时造成其他发电能源的大量消耗。尤其在节能减排战略引领下，煤电生产结构亟待调整，亟待寻求清洁的电能生产方式。分布式光伏发电系统可有效节约能源损耗，目前已经深入民用建筑。分布式光伏技术发电效率较高，还能节约能源，在民建项目中应用比较广泛。但是由于理论不足和应用经验有限，导致该技术的应用仍然存在一定的问题，文章就此展开论述。

关键词：分布式光伏发电；民用建筑；光伏发电

1分布式光伏发电系统

系统主要由光伏阵列和并网逆变器组成。光伏阵列中，n块光伏电池板串联成一串，m串光伏电池板并联接入一台逆变器，共有k台逆变器并联接入电网。根据这种结构特点，可知单块光伏电池板的故障仅会引起其所在光伏电池板串的停运，而逆变器的故障会导致其所在光伏--逆变器组停运。按照不同的故障情况可将系统状态分为全额运行、故障减额运行以及故障停运这3种状态。

2分布式光伏发电现状

（1）除特殊情况外，集中进行供电的配电网均存在电力辐射的情况，若配电网处于正常运行状态，其电压将沿功率传输方向缓慢下降，但运用分布式光伏发电技术后，电网内将形成多个电源节点，同时传输功率潮流的变化方向也发生了改变，使各节点对应电压不断变化，若不尽快解决该问题，将导致电压偏压持续增大，进而对电网的安全性造成不利影响。

（2）若供电系统因故停止运行，但光伏发电仍处于供电状态，会造成孤岛现象。一般来说，孤岛现象主要分为非计划性和计划性两类，非计划孤岛往往难以预测。此外，考虑到主网难以做到有效控制孤岛输电频率和电压，随着孤岛现象存在时间的增加，其他设备受损的概率将大幅提高。

3   分布式光伏发电的应用形式

在民用建筑中，分布式光伏发电的应用形式主要为并网型，其他还有离网型及多能互补微网等。并网型光伏发电系统在实际应用中必须接入公共电网，配合公共电网一起为特定区域内的用户提供电能。离网型分布式光伏发电系统直接利用自身的储能系统和发电系统进行发电，不需要和其他电网配合应用，一般在海岛区域较为常见。分布式光伏系统既可以配合其他发电方式一起应用，也可以独立运行，不仅供电效率较高，应用形式也十分灵活可靠。

4   分布式光伏发电系统设计

4.1 逆变器系统设计

在整个分布式光伏发电系统中，逆变器是最为关键的部分，其主要作用是将太阳能转变为电能。逆变器完成能源转换后，先将电能输送到建筑内部进行负荷供电，剩余部分则被存储到电网。在分布式光伏发电系统中，逆变器系统具有过压保护、电压频率异常保护、过流保护等功能，光伏发电系统是否可以安全稳定运行，和逆变器系统有直接关系。为此，在设计该建筑光伏发电系统时，考虑整个建筑内部的实际情况，需要构建40kW逆变器，每台逆变器需要的光伏串数量最大配置为40÷4.05=9.8。为了更好地满足建筑供电需求，实际设计时，为每台逆变器设置了10串光伏串。4.2 电源设计光照条件随时在变化，分布式光伏系统的输出功率也会随着光照条件的改变发生一定程度的波动。如果并入分布式电源的数量过多，会降低整个分布式光伏系统的稳定性，鉴于这一点，在设计系统电源时引入了分布式低压电源。

5   分布式光伏发电系统应用评价

（1）光电转换效率。在标准测试条件下，如果光伏电池板的标准功率为580Wp，尺寸为2278mm×1134mm×30mm，那么其光电转换效率为580÷(2.278×1.134×1000)≈22.45%。（2）光伏阵列效率。不管是在能量转换的过程中，还是在能量传输的过程中，光伏阵列都可能会发生能量损失，而导致能量损失的因素包括组件匹配损失、表面尘埃遮挡、太阳能敷设损失、直流电路损失等。综合考虑这些损失，根据经验值确定光伏阵列效率为85%。

（3）逆变器转换效率。逆变器转换效率为逆变器输出的交流电功率和直流输入功率的比值。

（4）周围障碍物遮光效率。通常情况下，在上午9点到下午3点之间，机房屋面遮挡和光伏阵列前后排之间的遮挡最为明显，为了消除这类遮挡，必须合理设计电梯机房屋面的距离与相邻光伏阵列之间的间距。《太阳能集热系统设计与安装》（国家建筑标准设计图集06K503）中提出，在上午9点到下午3点之间，太阳辐射最足，考虑遮挡因素，在设计时，光伏电池板前后排的间距必须超过224mm，另外还要注意适当预留检修空间。

6   分布式光伏发电应用中可能存在的隐患及对策

6.1 可能存在的隐患

虽然分布式光伏技术的应用有诸多优势，但其在实际应用中，也存在一定的隐患问题。具体包括如下方面。

（1）分布式光伏技术的应用往往需要增设发电设备和线路，如果设置不够合理，可能会给建筑内的居民带来安全隐患。

（2）虽然分布式光伏技术具有较大的特殊性，独立运行的分布式光伏系统的运行效果不会对电网运行产生影响，但是并网后的分布式光伏发电系统，因为电网输送频率会发生波动，会造成整个电网电压的波动。不仅如此，分布式光伏技术的应用还增加了环境中的随机因子，如暴露在外的点线，如果维护不当，可能会引发火灾。

（3）分布式光伏技术的应用涉及大功率发电设备的设置，这些设备在运行中，会产生电磁感应，在一定区域内形成较大的电磁干扰，干扰其他电子设备的正常运行。（4）分布式光伏系统内可能存在孤岛效应。

6.2 问题解决措施

（1）分析安装分布式光伏发电系统的载体建筑，综合考虑民用建筑实际用电需求及系统相关参数，合理规划空间。为了提高分布式光伏系统运行过程中的安全性，逆变器等组件必须设置在专门的空间和区域，系统调试和维修工作必须组织专业工作人员实施。

（2）在安装各组件之前，必须充分了解各组件的品质，仔细阅读组件的产品认证书。逆变器是分布式光伏系统的重要部件，需要反复检查。为了避免大功率发电装置产生电磁感应，可以采取有效的防护性措施。另外，在逆变器的位置设置可以快速关闭的按钮，杜绝孤岛效应的产生，保护维护人员的安全。

7   结束语

光伏发电站是现代电力发展的重要形式，具有多项优势，在理论上能够促进电能供给的水平，同时实现高效的节能效应，因此可应用于民用建筑层面。为了解光伏发电站在民用住宅的应用，分析了光伏发电站的应用优势，并结合实例工程设计了相应的光伏发电站，探讨了应用效果和调整措施。

参考文献

：[1]　吴奕奇,薛剑飞,王佳妮.基于校园屋顶的分布式光伏发电系统设计[J].现代建筑电气,2021,12(7):69-74.

[2]　程梓筠.新能源光伏发电技术应用研究[J].光源与照明,2021(2):132-133.

[3]　李延峰,莫康信,井晓,等.光伏电站逆变器接地异常及设备安全保护方案研究[J].工程技术研究,2019,4(9):10-11.

[4]　周健奇.“十四五”期间分布式光伏将充分释放潜力[N].人民政协报,2020-12-15(7).

[5]　崔查秀.分布式光伏接入配电网继电保护的解决方案[J].光源与照明,2021(2):130-131.