基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)初探

葉新穎

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建南平 353000）

基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)初探

葉新穎

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建南平 353000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。基于太陽能光伏發(fā)電成為近幾十年來世界研究的重點(diǎn)科研項(xiàng)目之一。光伏發(fā)電技術(shù)越來越成熟，并且也在逐漸的運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中，隨著現(xiàn)在電力電子技術(shù)的發(fā)展和控制理論的進(jìn)一步完善，基于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也有了巨大的變化，已經(jīng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電，使得基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)項(xiàng)目研究成為可能。

城市建筑；屋頂；光伏發(fā)電；并網(wǎng)；可調(diào)式

1 概述

能源是人類賴以生存與發(fā)展所需的重要資源，同時(shí)也是人們參與社會(huì)文化活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加速，各國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及工農(nóng)業(yè)改革的加速，地球上的可用的不可再生能源也越來越少；人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也帶來環(huán)境污染逐漸加深，譬如酸雨的出現(xiàn)，霧霾的加劇、PH值升高、冰川融化、海平面上升、地下水嚴(yán)重污染等等，人類生存空間因此嚴(yán)重受到威脅，能源短缺與環(huán)境污染已經(jīng)成為了阻礙全球當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的主要因素，開發(fā)可再生無污染的新型能源與補(bǔ)充日漸稀少的不可再生能源已經(jīng)刻不容緩。太陽能資源是一種可再生無污染的綠色能源，具有存儲(chǔ)容量的無限性、利用高效的清潔性、廣闊存在的普遍性及逐漸顯現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，它的開發(fā)利用將是人類解決水污染、環(huán)境污染及能源匱乏枯竭等問題的最有效途徑。隨著我國工業(yè)快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程加劇，對(duì)于原本就存在能源短缺匱乏的城市又是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，水與電表現(xiàn)得最為明顯，從“南水北調(diào)”及“西電東送”等大型國家工程就可以看出水與電等能源嚴(yán)重短缺問題，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一?；谔柲芄夥l(fā)電成為近幾十年來世界研究的重點(diǎn)科研項(xiàng)目之一。光伏發(fā)電技術(shù)越來越成熟，并且也在逐漸的運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中，隨著現(xiàn)在電力電子技術(shù)的發(fā)展和控制理論的進(jìn)一步完善，基于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也有了巨大的變化，已經(jīng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)可調(diào)式發(fā)電，由于城市土地資源有限，可以有效利用城市建筑屋頂資源，這使得基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)項(xiàng)目研究成為可能。

2 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)

經(jīng)過幾十年的建設(shè)特別是改革開放30余年高速工業(yè)化進(jìn)程，我國成為名副其實(shí)的工業(yè)大國，也是能源消費(fèi)大國。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，經(jīng)濟(jì)的高速增長帶動(dòng)了工業(yè)的快速擴(kuò)張，工業(yè)快速擴(kuò)張加快推進(jìn)了我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程，導(dǎo)致越來越多的人從農(nóng)村涌向城市，大量的務(wù)工人員及工廠便在城市應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)一步加劇城市的資源包括土地、水等方面有限資源的緊張。與此同時(shí)，用電量的增長速度明顯加快，對(duì)于城市電網(wǎng)特別是特定時(shí)期供電的能力、供電的質(zhì)量、供電的可靠性提出更高的要求，并且構(gòu)成電力電網(wǎng)用電極度困難，這也是在考驗(yàn)城市的供電水平。

因此，針對(duì)城市工業(yè)、生活用電緊張、企業(yè)產(chǎn)熱過量排放到大氣中及城市土地資源有限等不利因素，可以有效利用城市建筑屋頂資源，探析基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)。

2.1 光伏發(fā)電的工作原理

當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體表面上使其產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。太陽能光伏發(fā)電的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)太陽光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收時(shí)，具有足夠能量的光子能夠在P型區(qū)和N型區(qū)中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，在PN結(jié)的內(nèi)建電場作用下，電子—空穴對(duì)相向運(yùn)動(dòng)，空穴向帶負(fù)電的P型區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向帶正電的N型區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過界面層的電荷分離后相向運(yùn)動(dòng)，將會(huì)在P型區(qū)和N型區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的可測試的電動(dòng)勢，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電動(dòng)勢的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。太陽光照在界面層產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即光電池面積越大，在太陽能光電池中形成的電流也會(huì)越大。最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度、受光照面積有關(guān)的電動(dòng)勢。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按大類可分為獨(dú)立（離網(wǎng)）光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類。

圖1是獨(dú)立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖，具體工作原理：在太陽光的照射下，太陽電池組件方陣產(chǎn)生的直流電流通過控制器一部分傳送到逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用，一部分對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)太陽光不足時(shí)，蓄電池通過控制器系統(tǒng)向逆變器送電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用?；蚴侵绷髫?fù)載，可通過控制器系統(tǒng)控制直接使用。

圖2是并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖。具體工作原理：在太陽光的照射下，太陽電池組件方陣產(chǎn)生的直流電流通過直流配電箱進(jìn)入并網(wǎng)逆變器，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器輸出的交流電供負(fù)載使用，多余的電能可通過電力變壓器等設(shè)備逆流匯入公共電網(wǎng)，當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)由于氣候原因無法提供充足的電量時(shí)，可從公共電網(wǎng)向交流負(fù)載輸電。

圖1 獨(dú)立型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖

常用的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，另一種為含有蓄電池組的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。在不可調(diào)度是系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽電池板的直流電直接轉(zhuǎn)換為與公共電網(wǎng)同頻率、同電壓的交流電，在太陽光照充足的情況下，當(dāng)太陽能電池板產(chǎn)生的電能多于負(fù)載所需的電能時(shí)，多余的電能會(huì)被輸送到公共電網(wǎng)；在夜間或太陽光照不充裕的情況下，公共電網(wǎng)就會(huì)自動(dòng)向負(fù)載輸電。但是，當(dāng)公共電網(wǎng)斷電時(shí)，負(fù)載就無法工作了。在可調(diào)度式系統(tǒng)中，由于在并網(wǎng)逆變器中有重要的開關(guān)可以使系統(tǒng)具備不間斷電源的性質(zhì)，比不可調(diào)度式系統(tǒng)在保護(hù)性能方面改善了許多。系統(tǒng)不僅僅將直流電變換成交流電輸送給電網(wǎng)，而且還經(jīng)過DC/DC變換給蓄電池充電。使其具備不斷電的功能，確保負(fù)載正常工作。

圖2 并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理示意圖

可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要區(qū)別是它帶有蓄電池儲(chǔ)能裝置，主動(dòng)性較強(qiáng)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)停電、限電、故障或因氣候條件影響導(dǎo)致發(fā)電量不足時(shí)，就可以獨(dú)立運(yùn)行并正常向負(fù)載供電。因此，它可以實(shí)現(xiàn)不間斷供電、作為電網(wǎng)終端的有源功率調(diào)節(jié)器、抵消有害的高次諧波分量、提高電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)對(duì)公共電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)，加強(qiáng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性、有助于改善電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

2.3 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)

2.3.1 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的概念

基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)實(shí)際就是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市建筑屋頂有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使安裝在城市建筑屋頂?shù)奶柲芄夥M件方陣板塊產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)，并可以根據(jù)負(fù)載實(shí)際情況適時(shí)適度控制和調(diào)整市電供電量的一種供電模式。

2.3.2 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的工作原理

圖3是城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的工作原理示意圖。具體工作原理：將太陽電池組件方陣板塊安裝在城市建筑屋頂上，在太陽光的照射下，基于建筑屋頂?shù)奶栯姵亟M件方陣產(chǎn)生的直流電流通過直流配電箱進(jìn)入并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器由充放電控制、功率調(diào)節(jié)、交流逆變、并網(wǎng)保護(hù)切換等部分構(gòu)成，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器輸出的交流電供負(fù)載使用，多余的電能可通過電力變壓器等設(shè)備逆流匯入交流公共電網(wǎng)，當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)由于氣候原因無法提供充足的電量時(shí)，可從交流公共電網(wǎng)向交流負(fù)載輸電。系統(tǒng)還配備有監(jiān)控、測試及顯示系統(tǒng)，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控、檢測及發(fā)電量等各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)；也可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸控制和顯示數(shù)據(jù)，用于隨時(shí)調(diào)度光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)，使其不間斷供電，確保負(fù)載設(shè)備正常工作。

2.3.3 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)基于光生伏特效應(yīng)把太陽能轉(zhuǎn)換為電能提供給負(fù)載或輸送到公共電網(wǎng)的一種可以調(diào)度的新型發(fā)電系統(tǒng)。它通常由太陽能電池組件（或方陣）、控制器、并網(wǎng)逆變器、蓄電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施等部分組成。

（1）太陽能電池組件

它是太陽能光伏發(fā)電的最基本元件，主要作用是將照射在太陽能電池方陣的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并送往蓄電池中存儲(chǔ)起來以備負(fù)載之用，也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。

（2）控制器

它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，其功能主要有防止蓄電池過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、系統(tǒng)短路電子保護(hù)、系統(tǒng)極性反接保護(hù)、夜間防反充保護(hù)等。同時(shí)，它還具備在溫差較大的地方起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

（3）并網(wǎng)逆變器

它是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，具有充放電控制、功率調(diào)節(jié)、交流逆變、并網(wǎng)保護(hù)切換等功能?？梢詫⑿铍姵卮鎯?chǔ)的直流電能轉(zhuǎn)換為供負(fù)載使用的交流電。

（4）蓄電池

它是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件，主要作用是將太陽電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來，并可隨時(shí)向負(fù)載供電，保證供電不間斷。

（5）光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施

它包括直流配電系統(tǒng)、交流配電系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控和檢測系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)等。

2.3.4 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的應(yīng)用

城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)是城市應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電的一種新形式。主要用于一般住宅、重要及應(yīng)急負(fù)載；光伏建筑一體化、自然災(zāi)難避難所、高層建筑應(yīng)急照明等領(lǐng)域。可以有效防止城市供電系統(tǒng)大面積停電，提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，并增強(qiáng)公共電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，對(duì)電力系統(tǒng)乃至國家能源安全都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)的工作原理示意圖

3 基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際意義

城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)應(yīng)用就是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市建筑屋頂有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，是城市應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電的一種新形式，這不但可以同建筑物友好結(jié)合，具有隔熱擋雨的功能，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，產(chǎn)生電能供本建筑及周圍用電負(fù)載使用，還可以通過建筑物輸電線路并網(wǎng)發(fā)電，向公共電網(wǎng)提供電能。

（1）城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)不僅無需額外占用土地，可以直接將太陽能電池板安裝在城市已有建筑的屋頂上，這對(duì)于土地昂貴的城市尤其重要，可以提高土地利用率；對(duì)電網(wǎng)也可以起到調(diào)峰作用，特別是夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大、光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多的時(shí)期，光伏陣列不僅吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，而且可以起到建筑節(jié)能減排作用，反過來影響用電量，致使其節(jié)約用電。這對(duì)于存在著水、電、土地等能源短缺的城市來說，太陽能資源是安全可靠且可貴的能源，如果能夠充分利用城市的太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電，這有利于吸收城市多余的熱量，降低室外綜合溫度，減少墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，有利于提高城市的能量利用效率，對(duì)城市建筑節(jié)能減排、改善人們的生活環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義。

（2）基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)可以向公共電網(wǎng)逆流供電，其“晝發(fā)夜用”的發(fā)電特性正好可以對(duì)公共電網(wǎng)實(shí)行谷峰調(diào)節(jié)，多余或者不足的電力可以通過公共電網(wǎng)調(diào)節(jié)，多余時(shí)可以向公共電網(wǎng)輸電，不足時(shí)可以由公共電網(wǎng)供電。特定時(shí)期可以有效補(bǔ)充公共電網(wǎng)的供電量，提高其供電水平與能力，加強(qiáng)其供電的穩(wěn)定性和可靠性，改善了電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

（3）基于城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)屬于分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于不僅具有投資小、建設(shè)快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，而且它比大型的光伏發(fā)電站更靈活、更利于普及、更利于能源安全，是光伏并網(wǎng)發(fā)電的未來發(fā)展趨勢。

由于太陽能光伏方陣與城市建筑物有機(jī)結(jié)合，不僅不占用額外的地面空間，還有效節(jié)約城市的能量資源，而且使城市建筑發(fā)展成具有獨(dú)立電源、自我循環(huán)式的新型節(jié)能減排建筑，更提高公共電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，也是人類進(jìn)步和社會(huì)、科技發(fā)展的必然，因此備受關(guān)注。

4 結(jié)束語

為了適應(yīng)城市的建設(shè)發(fā)展，城市電網(wǎng)應(yīng)充分利用綠色可再生能源且儲(chǔ)量豐富的太陽能資源。經(jīng)過近三十年的研究、開發(fā)和試驗(yàn)，中國在太陽能等新能源和可再生能源的開發(fā)利用方面取得了顯著進(jìn)展，技術(shù)水平也有了較大提高，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也有了初步規(guī)模?；诔鞘薪ㄖ蓓敼夥l(fā)電是一種非常有潛力、有價(jià)值、有方向的發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電不僅能有效解決能源匱乏、土地緊張等問題，而且對(duì)改善人類的生存環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義，是一項(xiàng)造福于人類的事情。由于城市建筑屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，相信隨著新能源的不斷發(fā)展和城市節(jié)能減排、綠色環(huán)保需求的日益增加，基于城市建筑屋頂太陽能光伏發(fā)電越來越成為太陽能應(yīng)用發(fā)電的新潮流。

[1] 胡富靜.基于光伏發(fā)電支撐的農(nóng)村供電系統(tǒng)研究[D].鄭州.華北水利水電大學(xué).2013.

[2] 汪兆財(cái).間歇式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)控制策略及應(yīng)用研究[D].鄭州. 鄭州大學(xué).2012.

[3] 任新兵.太陽能光伏發(fā)電工程技術(shù)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2012.

[4] 閏士職.基于太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].成都.西南交通大學(xué).2009.

Preliminary study on adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of city architecture

YE Xinying
(Fujian Forestry Vocational and Technical College Nanping 353000)

With the continuous development and progress of science and technology, solar energy and the related industries have become one of the world's fastest growing industries. Because solar energy photovoltaic power generation has become one of the key research projects in the world in recent decades, photovoltaic power generation technology is more and more mature, and gradually is applied in real life. With the further improvement of the development of modern power electronics technology and control theory, the photovoltaic power generation technology based on solar also has changed to the power grid, so that it is possible to make research on the adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of City Architecture.

City architecture; Roof; Photovoltaic power generation; Grid-connected; Adjustable

2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目“城市建筑屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)可調(diào)式系統(tǒng)研究與應(yīng)用”（編號(hào)JA15709，閩教科[2015]62號(hào)）