張 燁（上海建工四建集團有限公司，上海 201103）

發(fā)展清潔能源是“十四五”時期我國深入實施能源消費和供給革命的重要組成部分。《能源生產和消費革命戰(zhàn)略（2016-2030）》提出，到 2030 年非化石能源占一次能源消費比重應達到 20%，2050 年超過 50%。

2021 年 6 月 20 日國家能源局綜合司下發(fā)了《關于報送整縣（市、我）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，要求黨政機關建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例≥50%；學校、醫(yī)院、體育場館等公共建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例 ≥ 40%；工商業(yè)廠房屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例≥30%。

在此大背景下，研究分布式光伏在建筑及其配電系統(tǒng)中的應用，具有極為重要的現(xiàn)實意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)類型及構成

光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用半導體材料的光伏效應，將太陽輻射能轉化為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為離網光伏系統(tǒng)和并網光伏系統(tǒng)兩大類。

離網光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏陣列、蓄電池組、充電控制器、逆變器、負載等組成。其工作原理是，太陽輻射能量經過光伏陣列首先被轉換成直流電能，然后逆變器變換成合格的交流后給負載供電。同時將多余的電能經過充電控制器后以化學能的形式儲存在儲能裝置中。這樣在日照不足時，儲存在電池中的能量就可經過電力逆變器、濾波和工頻變壓器升壓后變成交流 220 V、50 Hz 的電能供交流負載使用。

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器、負載和系統(tǒng)監(jiān)控部分組成。其工作原理是，太陽輻射能量經過光伏陣列首先被轉換成直流電能，進過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓相頻一致的正弦交流電流。

以上兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大我別就在于，并網光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網相連接，因而光伏陣列的電量盈余與并聯(lián)電網可以實行互補，省去了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必需的蓄電池等儲能元件，不僅降低了系統(tǒng)成本，而且保證了系統(tǒng)的可靠性。

太陽能發(fā)電的特點是白天發(fā)電，而負載往往卻是全天候用電，因此在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能元件必不可少，目前工程上使用的儲能元件主要是蓄電池。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中應用型式

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應用主要為：光伏組件與建筑結合（BAPV）、光伏組件建筑一體化（BIPV）、非建筑場景，三種型式。

（1）光伏系統(tǒng)與建筑相結合，即 BAPV。是利用封裝好的光伏組件安裝在已有的建筑物的屋頂上，再通過與逆變器、蓄電池、控制器、負載、并網箱等裝置相聯(lián)組成完整的發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)只是建筑物的附屬物，不屬于建筑物本體的組成部分。

（2）光伏組件建筑一體化（BIPV）。該型式是將光伏組件與建筑材料集成化，是光伏組件和建筑的結合，我別在于將光伏組件和建筑集成為不可分割的一部分，組件兼具發(fā)電、裝飾和建材功能，不以發(fā)電性能作為唯一考量標準，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶等。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中應用

光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物內的配電系統(tǒng)結合應用的方式型式較多現(xiàn)舉其中最常見的型式說明如下。

（1）自發(fā)自用余電上網。光伏發(fā)電系統(tǒng)產生的電能經逆變器轉換成交流電源后接入光伏并網箱（箱內設光伏發(fā)電計量表），然后接入建筑物內的總配電箱內，供建筑物內部的用電設備使用，如有多余的電量則通過配電箱的總進線輸送至附近的電網系統(tǒng)，賣給電網公司。在總配電箱與電網系統(tǒng)連接處設置雙向電度計量表。

（2）電量全額上網。光伏發(fā)電系統(tǒng)產生的電能經逆變器轉換成交流電源后接入光伏并網箱（箱內設光伏發(fā)電計量表），然后接入建筑物與外部公共電網的連接點處。所發(fā)電量全部賣給電網公司。

4 某工程實例設計方案

4.1 設計方案

在某工程建筑物的屋頂面積為 1 200 m2，實際可利用面積約為 1 000 m2，為了響應國家低碳減排的能源政策，建設一套自發(fā)自用余電上網的光伏發(fā)電系統(tǒng)，組件采用的 540 Wp單晶硅組件，共計 260 塊，安裝容量約 140.6 kW。

光伏組件采用配重塊＋支架型式安裝，組件傾角 10°，組件每 18～20 塊為一串，接入一臺 110 kW 組串式逆變器，逆變器再接入并網柜內，然后通過并網柜接入原有低壓配電柜。本光伏電站接入系統(tǒng)方案，按照就近接入，就地平衡消納的原則進行設計，光伏電站擬以 400 V 電壓等級出線接入電網。

4.2 400 V 并網主要電氣設備

4.2.1 光伏組件

單面單晶硅 540 Wp 光伏組件

峰值功率： 540 Wp

峰值電壓： 41.65 V

峰值電流： 12.97 A

開路電壓： 49.5 V

短路電流： 13.85 A

組件效率： 21.1%

4.2.2 組串式逆變器

MPPT電壓范圍：250-1 000 V

輸入組串路數：20

MPPT數量：4

額定輸出功率：110 kW

最大有功功率： 121 kW

額定輸出電壓：400 V

最大輸出電流：174.7 A

最大效率：98.60%～99.01%

中國效率：98.30%～98.52%

4.2.3 400 V 并網開關柜

根據電網相關要求，配置 3＋N 斷路器，配置隔離開關、浪涌保護器、計量表。出線斷路器具有易操作、明顯開斷指示、開斷故障電流能力的功能。同時具備失壓跳閘、過壓跳閘及檢有壓合閘功能，失壓跳閘定值宜整定為 20% Un、10 s，過壓跳閘定值宜整定為 135% Un，檢有壓定值宜整定為大于85% Un。出線斷路器應符合Q/GDW1972—2013 《分布式光伏并網專用低壓斷路器技術規(guī)范》、Q/GDW1973—2013《分布式光伏并網專用低壓斷路器檢測規(guī)范》的要求。電能量計量表精度要求不低于有功 0.5 S 級，無功 2.0 級，并且要求有關電流互感器的精度不低于 0.5 S 級。

4.3 防雷、接地及過電壓保護設計

4.3.1 光伏陣列部分

對于屋頂光伏電站來說，光伏陣列的最高點是組件的鋁合金邊框，更容易遭受雷擊，但它也是良好的導電體。因此可以直接利用鋁合金邊框作為接閃器與光伏支架連接，組成等電位網，進而與屋頂原有的防雷接地網焊接，形成環(huán)形避雷網。具體的設計步驟如下：

4.3.2 組件與橫梁連接

將每塊光伏組件的接地孔通過 1 根 1 mm×4 mm 的黃綠接地線與支架橫梁單獨連接。

4.3.3 橫梁之間焊接光伏支架橫梁縱向間采用 -40 mm×4 mm 鍍鋅扁鋼焊接起來，焊接部位應進行防銹處理，每兩根扁鋼間距≤25 m。

4.3.4 等電位網與防雷接地網連接

為了將雷電順利引向大地，還需要將屋頂等電位網與建筑物的防雷接地網連接，利用建筑物原有的接地線引導雷電流。根據 GB50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》規(guī)定，“光伏方陣接地應連續(xù)、可靠，接地電阻應＜4 Ω?！睋耍夥娬窘ㄔO時，應實測建筑物的防雷接地電阻，若防雷接地電阻＜4 Ω，則用 -40 mm×4 mm 鍍鋅扁鋼將屋頂等電位網焊接至防雷接地網，組成環(huán)形避雷網。

若建筑物接地電阻＞4 Ω，則應組建獨立的防雷接地網，滿足接地電阻＜4 Ω 的要求。

沿建筑物墻體敷設引下線，引下線兩端分別連接屋頂等電位網和人工環(huán)形接地體，接地體由多個接地極通過 φ 10圓鋼焊接組成，以避免跨步電壓的產生，接地極由水平接地裝置與垂直接地裝置焊接而成。

在材料選擇和工程施工時需要注意以下技術要求。

（1）引下線技術要求。①引下線宜采用圓鋼或扁鋼，優(yōu)先選用圓鋼，圓鋼直徑 ≥8 mm；扁鋼截面積≥48 mm2，厚度 ≥4 mm，采用熱鍍鋅防腐措施。②建筑物周長＞25 m 或高度 ≥40 m 時，宜沿著建筑物均勻布置多根引下線，且其間距 ≤25 m。③采用多根引下線時，為了便于檢測接地電阻和檢查引下線的連接情況，宜在各引下線距地面高 0.3～1.8 m 處設斷接卡。④防直擊雷的專設引下線距建筑物出入口或者人行道邊沿不宜＜3 m。

（2）接地裝置技術要求。①埋于土壤中的垂直接地裝置宜采用熱鍍鋅，角鋼、鋼管或圓鋼；水平接地裝置宜采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼。角鋼截面積≥290 mm2，厚度≥4 mm；圓鋼直徑≥10 mm；扁鋼截面積≥100 mm2，厚度 ≥4 mm；鋼管壁厚≥3.5 mm。②垂直接地裝置的長度宜為 2.5 m，垂直接地裝置及水平接地裝置的間距宜為5 m，當受地方限制時可適當減小。③接地裝置在土壤中 的埋設深度 ≥0.5 m，并宜敷設在凍土層以下，其距墻或建筑物基礎 ≥1 m。

（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護。為防止光伏線路上侵入波雷電壓，在組串式逆變器及并網柜內逐級裝設避雷器。10 kV 及以下電氣設備以避雷器標稱放電電流 5 kV 時雷電過電壓殘壓為基礎進行絕緣配合，滿足 GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》規(guī)范要求。

在供電設計中考慮了多級防雷保護措施，太陽能電池板支架體和鎧裝電纜中的金屬護鎧各自接地。

4.4 電纜設施

4.4.1 電纜敷設及構筑物

根據建筑物內配電室位置，直流線纜至逆變器的路由，為了減少土建部分施工，線纜通過屋面橋架進行敷設并匯總至配電室內并網柜，最終接入建筑物現(xiàn)有的低壓配電柜。

4.4.2 電纜選型

根據 GB 50217－2018《電力工程電纜設計規(guī)范》及《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》對電纜選型的要求，工程對光伏發(fā)電站內光伏發(fā)電我域電纜均采用 A 類阻燃電纜，對特別重要的回路，如消防系統(tǒng)、站用直流系統(tǒng)、事故照明系統(tǒng)采用耐火電纜。

對 1 kV 及以下動力、控制電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜或光伏專用電纜。計算機網絡電纜采用網絡五類線。

4.4.3 電纜防火措施

本工程電纜防火主要采用以下措施：

采用阻燃和耐火電纜；在電纜穿墻的孔洞處采用阻火包或有機防護堵料，并在洞兩側的電纜表層涂防火涂料；

采用架空橋架敷設方式時，當電纜通過高溫、易燃場所時采用帶蓋板的耐火槽盒；

電纜溝、建筑物中電纜引至電氣柜、盤或控制屏、臺的開孔部位，電纜貫穿墻、樓板的孔洞處，均應采取防火封堵處理。

4.5 電氣二次保護

線路保護主要利用并網點的斷路器來實現(xiàn)基本的保護。斷路器需具備短路瞬時、長延時保護功能和和欠壓脫扣、自復式過欠壓保護器，線路發(fā)生短路故障時，線路保護能快速動作，瞬時跳開斷路器，滿足全線故障時快速可靠切除故障的要求。

本工程模式為自發(fā)自用余量上網，通過電能量采集終端將并網點發(fā)電量上傳至電網管理部門以及用戶的控制中心。智能監(jiān)控系統(tǒng)可通過逆變器配置的 4G 通訊棒無線傳輸光伏電站內的各類信息，用戶可通過手機下載逆變器廠家提供的APP 實現(xiàn)對光伏電站的實時監(jiān)控。

4.6 光伏發(fā)電量估算

根據 SolarGIS 數據和 Meteonorm 數據分析，本光伏電站站址處，10°傾角上總輻射量年平均值為 1 575 kwh/m2。

根據氣象行業(yè)標準GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》以及 GB/T31155—2014《太陽能資源等級總輻射》給出的劃分方法，可判定本工程處太陽能資源很豐富的（B）我域，有很高的開發(fā)利用價值。光伏電站總體效率暫按 82% 考慮，據此統(tǒng)計電站 25 a 的發(fā)電量收益如表1 所示。

表1 電站 25 a 的發(fā)電量收益

由表一可知：25 a 總發(fā)電量為 402.14 萬 KWh，節(jié)約電費累計收益 38.79 萬元，電費收益 301.61 萬元，項目發(fā)電量2 860.20 kWh·MW﹣1。25 a 年均發(fā)電量為 16.09 萬 KWh，電費收益 12.06 萬元，項目發(fā)電量 114.08 kWh·MW﹣1。

4.7 光伏投資回收年限計算

本光伏電站所在建筑物用電屬于商業(yè)用電，采用峰、谷、平電價模式，白天為用電高峰期，用電量較大。根據前期核算光伏發(fā)電建成后自用電比列可達 80%，上網電量比列約為 20%。電費折算總體綜合電價為 0.69 元/kWh。

根據工程竣工決算，本電站單瓦靜態(tài)投資約為 3.45元，整個工程造價約為 48.51 萬元，根據發(fā)電量計算表可以看出，本電站建成后的第 4 a 的光伏發(fā)電所得的電費累計收益為 51.61 萬元，由此可見本光伏電站投資回收年限很短，具有很高的投資回報率。

通過本實例工程可見，利用建筑物屋頂建設光伏電站，并結合建筑物現(xiàn)有的配電系統(tǒng)的使用，不僅能實現(xiàn)節(jié)能減排，還能實現(xiàn)很高的經濟效益，值得進一步深入研究并大力推廣。

5 結 語

我國人口眾多，建筑體量大，隨著節(jié)能減排、綠色建筑概念的深入，以及公眾對節(jié)能減排的需求，國家及地方對安裝光伏鼓勵政策逐步出臺，利用建筑物屋頂資源建設光伏電站會得到進一步的推廣應用。

隨著新技術、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設成本會逐年降低，投資回報率會進一步提高。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物內供配電中系統(tǒng)的結合應用也會因其投資少、回報率高、占地少、對電網也能起到“削峰填谷”的補充作用，使得光伏發(fā)電與建筑配電相結合的應用具有巨大的應用空間。