建筑光伏系统的应用与电气设计

建筑光伏系统的应用与电气设计

李东浩

宁波市城建设计研究院有限公司 浙江宁波 315012

摘要：近年来，我国的建筑技术不断成熟和进步，建筑业的建造能力和水平突飞猛进，但全球环境污染日益严重，能源消耗日趋紧张，所以在实现中国现代化建设的同时，保证“节能减排”的可持续发展成了一项重要且艰巨的任务。建筑光伏系统是通过利用太阳能将光能转化为电能的一种可再生能源技术。它在建筑物的设计和运行中发挥着重要作用，既可以为建筑物提供清洁的能源，又可以降低能源成本和环境影响。本论文旨在探讨建筑光伏系统在现代建筑中的应用，并重点关注其电气设计方面的考虑。

关键词：光伏建筑；建筑光伏一体化；分布式光伏发电系统

引言

分布式光伏系统在现今建筑⼯程中应用十分广泛，将光伏发电系统安装在现有的建筑物上，或者把光伏发电系统与建筑物同时设计、安装、施工实现光伏建筑一体化，既满足了光伏发电最主要的功能，同时又与建筑外部结合，提升了建筑物的审美感。在建筑光伏系统的设计与布局中，电气设计是至关重要的一环。良好的电气设计可以确保系统的高效运行和安全性。本文就建筑光伏系统的组成、原理以及其配套电气的设计进行相应的阐述。

1光伏发电系统的主要组成部分及其原理

光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、逆变器、储能装置及其他配件组成（并网不需要储能装置）。根据是否依赖公共电网，分为离网跟并网两种。不管何种形式，工作原理均为光伏组件将光能转换成直流电，直流电在逆变器的作用下转变成交流电，最终实现用电、上网功能。

1.1光伏组件

光伏组件是整个发电系统里的核心部分，由光伏组件片或由激光切割机或钢线切割机切割开的不同规格的光伏组件组合在一起构成。由于单片光伏电池片的电流和电压都很小，所以要先串联获得高电压，再并联获得高电流，通过一个二极管（防止电流回输）输出，然后封装在一个不锈钢、铝或其他非金属边框上，安装好上面的玻璃及背面的背板、充入氮气、密封。把光伏组件串联、并联组合起来，就成了光伏组件方阵，也叫光伏阵列。

1.2逆变器

逆变器是一种将光伏发电产生的直流电转换为交流电的装置，光伏逆变器是光伏阵列系统中重要的系统平衡之一，可以配合一般交流供电的设备使用。太阳能逆变器有配合光伏阵列的特殊功能，例如最大功率点追踪及孤岛效应保护的机能。

2分布式光伏发电系统的主要特点

（1）稳定高效。相比于其他发电系统，分布式光伏发电系统不仅输出功率较小，同时还可规避集中式光伏发电系统对输电线路的依赖问题。分布式光伏发电系统的容量不大，相较于集中式光伏发电系统，电网不会对其发电效率产生任何干扰，且其制作成本较低，而工作效率却可以和集中式光伏发电系统相媲美。（2）绿色环保。分布式光伏发电系统在运行过程中不会产生大量噪声，而且施工单位通常将其安装在建筑物楼顶，周围居民的日常生活不会受到太多影响。分布式光伏发电系统的应用不会对环境产生污染，其发电过程无需燃烧，只需太阳光照射便可发电，而且太阳能向电能转换期间不会产生有害物质，同时太阳能这一清洁能源覆盖了地球上的每个角落，只要有太阳的区域，分布式光伏发电系统的应用价值便能得到充分展现。

3建筑光伏系统的应用与电气设计

3.1数据采集及校正

建筑光伏系统的数据采集及校正主要是对日常发电功率情况以及数据进行监测与整合，针对各项详细指标，预测发电功率。在监测平台中接入⼀个RS-485串行数据光伏监测仪，与系统相关联。可以完成对RS-485串行数据光伏监测仪的展示，将其接入系统之中，安装数据采集器，获取日常的发电数据，依据标准进行简单的校正处理。数据采集的种类包括太阳能光伏发电系统的发电量、光伏组件背板表面温度、室外温度、太阳辐照度、环境温度、风速、电池数据、风向以及湿度等。针对于数据的校正，可以采用系统预设的标准进行比照，均衡化处理，为后续的预测⼯作奠定基础。

3.2光伏组件的选型与布局

在分布式光伏发电系统运行过程中，选择合适的光伏组件，同时采用合理的光伏组件布局是保证整个光伏系统高效、安全、可靠运行的基础。

在选择光伏组件时，需要考虑以下几个重要的因素：（1）效率：光伏组件的效率是指其将太阳能转化为电能的能力。较高的效率意味着组件能够从光能中产生更多的电能。（2）功率：光伏组件的功率是指其产生的最大电力输出。根据建筑的能源需求，选择适当的功率级别以满足所需的电能。（3）尺寸和重量：光伏组件的尺寸和重量对于安装和空间利用非常重要。在选择组件时，需要考虑建筑物的可用空间和承重能力。（4）可靠性和寿命：光伏组件的可靠性和寿命对于长期运行非常重要。选择优质的光伏组件，以确保组件具有较长的使用寿命和良好的性能稳定性。（5）抗压能力：对于安装在建筑物上的光伏组件，其抗压能力非常重要。选择能够承受外部压力和负载的组件，以确保其安全运行。（6）成本：光伏组件的成本是一个重要的考虑因素。需要根据项目的预算和投资回报期来评估不同组件的成本效益。

在进行光伏组件布局时，需要考虑以下因素以最大程度地提高系统的能量产出和效率：（1）光照条件：光照是光伏系统能够转换为电能的关键因素。因此，需要在安装位置上选择光照条件较好的区域，避免阴影覆盖，确保光伏组件能够接收到足够的日照。（2）建筑结构和空间：根据建筑物的结构和空间布局，选择合适的安装位置。（3）倾角和朝向：光伏组件的倾角和朝向对于能量产出具有重要影响。根据所在地的纬度和太阳轨迹，选择适当的倾角和朝向，以最大程度地接收到太阳的辐射能量。（4）阴影避免：阴影会对光伏组件的能量产出产生严重影响。因此，在组件布局过程中需要避免阴影覆盖。（5）管理维护：在布局设计中考虑到日后系统的管理和维护。确保光伏组件之间的空隙足够，以便进行清洁、检修和维护工作。

3.3逆变器设备的选型

在分布式光伏发电系统运行过程中，逆变器主要承担着系统的DC/AC转换任务，除此之外，其还需对包括振动频率、电压和简谐波等在内的多个指标的转换进行科学管理。在选择逆变器设备时，相关人员必须综合考量分布式光伏发电系统的装机容量，确保所选择的逆变器设备的功率与装机容量保持协调一致。与此同时，选型人员还需分析大直流电压、MPPT电压区间、MPPT数量、额定输出电压、输出功率和直流输入接线端口数量等因素对分布式光伏发电系统电气运行所造成的影响。在确定直流输入接线端口数量时，必须参考组串并联具体路数；在选择组件组串数量时，要针对性分析最大直流电压和MPPT电压区间等因素。目前，常见的逆变器包括集散型逆变器、集中型逆变器和组串型逆变器。相比于集散型逆变器和集中型逆变器，组串型逆变器的功率较低，而且体积较小，安装时可通过壁挂法安装，其对模块化设计方案进行了有效应用，能够防止组串不同模块之间产生的互相干扰和遮蔽问题，也可进一步降低逆变器和最优工作点不匹配的可能性。因此，优先选用组串型逆变器，其在搬运和安装过程中不会耗费过多的人力资源，施工步骤也相对简单。

3.4建筑光伏系统防雷接地设计

建筑光伏系统的防雷接地设计应结合建筑的防雷接地设计统一考虑，其防雷类别与建筑的防雷类别应相同。屋面光伏方阵利用组件金属边框支架作为防直击雷接闪器，光伏方阵支架之间采用40×4热镀锌扁钢进行防雷等电位连接，并通过屋顶现有接闪带接入建筑防雷接地系统。光伏方阵与屋顶接闪带应多处连接，连接点不应少于4处。正常不带电设备的金属外壳均应可靠接地，包括光伏组件边框、组件支架、电缆槽盒、逆变器、汇流箱金属外壳、电涌保护器接地端、线缆金属外皮和信号线路屏蔽层等，每块光伏组件金属边框都采用软铜编带与支架可靠连接，逆变器、汇流箱等设备金属外壳均采用铜芯导线与支架连接。接闪装置和屋面设备应避免遮挡光伏组件，接地的光伏设备应保持接地的连续性和可靠性。

结语

建筑光伏发电系统电气设计水平的高低直接关乎整个发电系统的运行效能和价值发挥。因此，相关单位必须在充分了解建筑光伏发电系统特征的基础上，立足光伏组件和逆变器设备的选型，深入把控分布式光伏发电系统光伏方阵和并网方式的设计要点，对分布式光伏发电系统的电气设计环节进行科学管理，从而进一步提升分布式光伏发电系统的电气性能，助力我国光伏发电事业走上长效发展道路。

参考文献

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