張 奇

（常德市規(guī)劃建筑設計院有限責任公司，湖南 常德 415000）

0 引 言

不可再生資源具有不可再生特性，難以滿足新時代背景下社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的實際需求。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅具有生產(chǎn)分散的特征，還可實現(xiàn)就地利用。在多能源互補發(fā)展的要求和新的發(fā)展理念前提下，屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)將作為一種太陽能發(fā)電的能源利用方式，得到極大的推廣應用，在加快建設更清潔高效的能源體系過程中發(fā)揮重大作用。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢及構(gòu)成

1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢

第一，與其他發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率更小，可解決集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)過于依賴輸電線路的問題。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)需應用輸電線路將電力傳輸至電網(wǎng)中，隨后由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度及分配電力。在此環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)運行易受電網(wǎng)影響。與集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量更小，但電網(wǎng)不會對發(fā)電效率造成影響，且應用成本更低，工作效率與集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)不相上下。第二，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行過程不會出現(xiàn)污染問題，施工單位可將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設置在民用建筑物屋頂。此外，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行過程不會對周邊生態(tài)環(huán)境造成破壞，不會產(chǎn)生任何有毒有害物質(zhì)，僅利用太陽光照射便可實現(xiàn)發(fā)電目標，太陽能向電能轉(zhuǎn)化過程十分環(huán)保[1]。第三，新型水力發(fā)電及風力發(fā)電方式對環(huán)境的要求十分嚴格，難以適應各個地區(qū)的實際情況。太陽能這一清潔能源在各個地區(qū)均有所分布，只要受到太陽照射，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用及價值就能夠得到體現(xiàn)。第四，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑工程結(jié)合緊密，應用成本更低，安裝難度不高，優(yōu)勢尤為顯著。

1.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、直流匯流箱（可選）、控制器、逆變器、電表等共同組成。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可劃分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，二者的差異體現(xiàn)于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)具備蓄電池，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不具備蓄電池，電能直接輸入電網(wǎng)內(nèi)，省略了蓄電池儲能過程及蓄電池能量釋放過程，可依托可再生太陽能發(fā)出的電能，降低傳統(tǒng)電能損耗。此外，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠使用電網(wǎng)電能及光伏發(fā)電系統(tǒng)電能滿足區(qū)域用典需求，降低負載停電的發(fā)生概率，還具有公用電網(wǎng)調(diào)峰作用。

不難看出，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是我國太陽能發(fā)電的主要方向。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行原理是依托光伏組件半導體材料的“光電”效應，將太陽能輻射轉(zhuǎn)化為直流電能，利用控制器將直流電用于用戶日常用電，也可在并網(wǎng)逆變器影響下將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，用于本地交流電使用，剩余交流電可輸入電網(wǎng)中，利用計量表計算出賣出電量。在夜晚及光照條件不佳時，電網(wǎng)向用戶供電，計量表可計算出買入電量，結(jié)合買入電量及賣出電量可完成電費統(tǒng)計。分布式并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 分布式并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲

但需要注意的是，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量密度低，部分地區(qū)民用建筑屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的可用面積小，難以全面解決區(qū)域電力資源緊缺這一問題。為提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用水平，如何提高能量密度已成為技術(shù)人員研究的重點內(nèi)容。

2 民用建筑屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計要點

2.1 相關計算

2.1.1 發(fā)電量計算

以山東某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例。若各光伏組件1 h 可接收1 MJ/m2的太陽輻射，則1 000 W/m2太陽輻照度條件下的等效發(fā)電小時數(shù)為3.6 h。光伏組件的峰值功率是在太陽輻照度為1 000 W/m2條件下標定的，光伏發(fā)電系統(tǒng)理論發(fā)電量的計算方法為峰值日照小時數(shù)乘以裝機容量。結(jié)合水平面太陽總輻射量與裝機容量，即可計算出平均傾斜面太陽總輻射量及發(fā)電量。

2.1.2 系統(tǒng)效率計算

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電效率、轉(zhuǎn)換效率與并網(wǎng)效率均會對光伏發(fā)電系統(tǒng)總效率造成影響。

（1）發(fā)電效率為η1，是指在太陽輻照度為1 000 W/m2下，光伏陣列直流輸出功率與其標稱功率的比。在光伏陣列能力轉(zhuǎn)換過程中，陰影遮擋損失記作1%，組件匹配損失記作2%，線路損失記作2%，溫度影響損失記作2%，光伏陣列灰塵遮擋記作1%，光照損失記作1%，無法利用太陽輻射記作1%，質(zhì)量損失記作2%，山東某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率為88%。

（2）轉(zhuǎn)換效率為η2，是指交流輸出功率與直流輸入功率的比。在逆變器運行過程中，變壓器損失記作1%，逆變器轉(zhuǎn)化損失記作2%，山東某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的轉(zhuǎn)換效率為97%。

（3）并網(wǎng)效率為η3，是指電能由逆變器輸入至高壓電網(wǎng)的傳輸效率。在傳輸階段，損耗主要集中于線路損耗及升壓變壓器損耗，一般情況下為94%～96%，山東某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)效率記作95%。

山東某分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)總效率η為η1、η2、η3的乘積，約為80%。

2.2 光伏方陣設計

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，常見基礎結(jié)構(gòu)為水泥屋頂及彩鋼屋頂。與彩鋼屋頂相比，水泥屋頂結(jié)構(gòu)的承載能力更強。應科學調(diào)整陣型傾斜角度與間距，確保水泥屋頂上方光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要作用得以發(fā)揮，為業(yè)主提供更加優(yōu)質(zhì)的電能保障。但需要注意的是，水泥屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設置需使用多種附件，可用面積較彩鋼屋頂更小，所以彩鋼屋頂上方鋪設分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的這一形式更為多見。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部組件溫度不斷上升的情況下，開路電壓也會隨之降低。當組件溫度下降時，開路電壓也會隨之上升。為使逆變器能夠適應多種工作條件，在光伏方陣設計階段，應充分考慮到區(qū)域最高溫度及最低溫度，以此為基礎科學調(diào)整串聯(lián)元件數(shù)量及元件電壓值[2]。

2.3 逆變器選型設計

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行階段，逆變器具有交流/直流轉(zhuǎn)換功能。此外，還可實現(xiàn)振動頻率與簡諧波等多個指標的轉(zhuǎn)換管理。逆變器能夠?qū)⒐夥疥嚺c分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相連接，重要作用不言而喻。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設計環(huán)節(jié)中，應科學選擇逆變器設備種類。設計人員需結(jié)合分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量，科學選擇逆變器設備功率。除此之外，設計人員還應做好大直流電壓分析、最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）數(shù)量分析、輸出電壓分析及輸出功率分析，充分考慮到多項要素對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不利影響。在直流輸入接線端口數(shù)量分析過程中，需綜合考量組串并聯(lián)路數(shù)。在組件組串數(shù)量選擇過程中，應充分考慮到最大直流電壓及MPPT 電壓區(qū)間等多項要素[3]。現(xiàn)階段，集散式逆變器、集中式逆變器、組串式逆變器是極為常見的逆變器種類。其中，集散式逆變器的功率為2 500 kW，集中式逆變器的功率為1 250 ～3 125 kW，更加適用立式安裝法。與上述2 種逆變器相比，組串式逆變器的功率低，大多為320 kW 以下，體積更小，可利用壁掛法進行安裝。應用模塊化設計方案能夠避免不同模塊相互影響，還能夠解決逆變器與最佳工作點不相符合的問題，所以應優(yōu)先選擇組串式逆變器使用，不僅不會在運輸及搬運環(huán)節(jié)消耗過多的成本費用，安裝過程也十分便捷。

2.4 并網(wǎng)方式設計

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方式設計過程中，設計人員應充分掌握行業(yè)規(guī)范及標準，加強電壓等級及電能質(zhì)量分析?，F(xiàn)階段，可結(jié)合接入電網(wǎng)，將分布式光伏發(fā)電站劃分為大型分布式光伏發(fā)電站、中型分布式光伏發(fā)電站及小型分布式光伏發(fā)電站。其中，大型分布式光伏發(fā)電站可接入110 kV 電網(wǎng)，中型分布式光伏發(fā)電站可接入10 kV ～35 kV 電網(wǎng)，小型分布式光伏發(fā)電站可接入0.4 kV 電網(wǎng)。在并網(wǎng)電壓等級分析過程中，應充分掌握電網(wǎng)具體情況，科學分析成本要求等多項要求。若低電壓接入方式及高電壓接入方式均適用分布式光伏發(fā)電站，則應優(yōu)先選擇低電壓接入方式，通過這種方式提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，降低成本支出，減少資金投入[4]。

3 民用建筑屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計優(yōu)化措施

3.1 加強系統(tǒng)設計方案優(yōu)化

結(jié)合分布式光伏發(fā)電站的建設要求，太陽能機房應優(yōu)先設置在民用建筑屋頂或頂層，使各類設備實現(xiàn)集中管理。加強線路敷設方案調(diào)整，降低電能傳輸損耗，避免故障問題的發(fā)生。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要構(gòu)成設備，內(nèi)部含有顯示屏及電容等多個元件，耐高溫性極差，應集中安裝在屋面機房或頂層機房中，做好遮陽、遮雨處理，加強防潮防塵，確保運行環(huán)境干燥通風。安裝位置需結(jié)合組件位置及網(wǎng)點位置做出科學調(diào)整，靠近網(wǎng)點能夠降低建設成本，靠近組件可減少電能損耗，提高施工便利性[5]。電池方陣基礎大多為鋼筋混凝土，在澆筑環(huán)節(jié)中，應將防水添加劑加入混凝土內(nèi)，與屋面防水結(jié)構(gòu)共同展開設計及建設，避免民用建筑工程室內(nèi)出現(xiàn)漏雨等問題。在充分發(fā)揮出分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)實質(zhì)價值的基礎上，為民用建筑使用者創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。

3.2 科學選擇光伏產(chǎn)品及技術(shù)服務

在數(shù)十年的發(fā)展背景下，我國光伏制造業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)本土化程度已得到了顯著提升，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)水平已達到世界前列，逆變器、電池板及各類設備與材料的生產(chǎn)成本也有所降低，但發(fā)展前景廣闊的市場也潛藏著許多問題，如何從眾多光伏產(chǎn)品中選擇最優(yōu)產(chǎn)品，延長分布式光伏發(fā)電站的運行年限，已成為一項主要問題。分布式光伏發(fā)電站的使用壽命可達到數(shù)十年，關鍵設備品牌及技術(shù)服務水平是影響電站收益的主要因素。買方單位應科學選擇品牌方，結(jié)合實際需求做好光伏市場調(diào)研，綜合考量品牌方影響力、未來發(fā)展?jié)摿翱茖W技術(shù)水平等多項要素，選擇最優(yōu)方合作。秉持性能提高及成本控制理念，優(yōu)先選擇研發(fā)投入量大、技術(shù)水平高、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升的品牌方進行合作，簽訂長期戰(zhàn)略合作協(xié)議。針對太陽能電池板等重要設備而言，應給予光電轉(zhuǎn)化效率足夠重視程度。針對質(zhì)量及技術(shù)成熟的逆變器、電纜及變壓器等設備而言，在確保參數(shù)與工程建設要求相一致的基礎上，優(yōu)先選擇性價比更高的產(chǎn)品。

3.3 擬定完善的管理方案

應擬定科學完善的管理方案，明確產(chǎn)權(quán)單位的責任及義務，強化工作人員的工作積極性及責任意識?，F(xiàn)階段，我國已針對分布式光伏發(fā)電站的管理及維護提出了一系列的規(guī)范與標準，應定期展開維護檢查，做好設備運行狀態(tài)分析，明確故障點位及故障原因，判斷配電柜及各類箱體內(nèi)部是否存在灰塵或觸點松動等問題。加強線路老化檢查，充分掌握電池板及逆變器等元件的工作狀況。在維護管理環(huán)節(jié)中，還應做好信息記錄，其中涵蓋發(fā)電時間、運行負荷等多項內(nèi)容，以此分析系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定，及時擬定針對性的處理預案。

4 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計水平與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的后續(xù)運行效率及運行年限聯(lián)系密切。針對這一現(xiàn)象，設計人員應充分掌握分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，科學選擇分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的組件及設備，明確分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計要求與設計標準，及時解決分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)中存在的不足之處，推動我國分布式光伏發(fā)電事業(yè)的健康發(fā)展。