論綠色建筑中優(yōu)化太陽能光伏發(fā)電站的方法

陳嘉銘

目前，建筑工程綠色能源的光伏發(fā)電技術(shù)，已在我國已經(jīng)取得長足的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、光伏與建筑一體化、混合型發(fā)電系統(tǒng)、LED照明光伏供電等諸多領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高光伏發(fā)電技術(shù)的普及應(yīng)用程度，本文基于光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，從光伏發(fā)電站的改造和優(yōu)化角度切入，提出了具體的改造優(yōu)化方案和建議，以求為光伏發(fā)電技術(shù)的持續(xù)、健康發(fā)展提供技術(shù)保障。

從能量轉(zhuǎn)換角度分析，光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率主要取決于對光能的利用。為了最大程度提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，在光伏電站的設(shè)計布局過程中，應(yīng)采取必要的優(yōu)化措施，而本文針對光伏電站優(yōu)化布局問題進(jìn)行的一系列研究，將具有非常重要的現(xiàn)實價值。

一、太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀

（1）并網(wǎng)發(fā)電方面的應(yīng)用現(xiàn)狀：用于并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常作為電網(wǎng)配電系統(tǒng)的一部分，常見的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分為有儲能和無儲能兩大類；

（2）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)無需并網(wǎng)可直接對外供電，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于電網(wǎng)布設(shè)密度不足的偏遠(yuǎn)地區(qū)，多見于山區(qū)、孤島等特殊區(qū)域；

（3）光伏與建筑一體化的應(yīng)用現(xiàn)狀：為了滿足多元化的建筑供配電需求，在建筑物采光條件良好的區(qū)域布置光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的并聯(lián)供電，提高了建筑供配電的綠色低碳水平。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容：系統(tǒng)設(shè)計、劃分方案、繼電保護(hù)及電能計量。

1.并網(wǎng)設(shè)計方案

在民建中，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)方案主要可以歸為三種，如表1所示：

表1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計方案

2.電氣接線設(shè)計

表1中所述方案一、二、三的電氣接線設(shè)計，可采用如圖1、圖2、圖3所示：

圖1 方案一電氣接線圖

圖2 方案二電氣接線圖

圖3 方案三電氣接線圖

3.電能計量

無光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時，用戶只是消耗電能，此時電能計量是采用單向累計。而并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)，如果采用單向計量，很明顯不合理。為了解決上網(wǎng)電量、電網(wǎng)電能分別計量的問題，可采用雙向電能計量表分別計量。選取兩個電表分別計量，電能表1、表2分別對用電量進(jìn)行收費(fèi)，見圖4：

圖4 電能表1, 2接入方式

三、光伏發(fā)電站性能優(yōu)化策略

一座高效可靠的光伏發(fā)電站應(yīng)同時具備供應(yīng)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性兩方面的要求，與之對應(yīng)的則表現(xiàn)為光伏電站的發(fā)電量和供電質(zhì)量兩方面。

1.系統(tǒng)發(fā)電能力優(yōu)化策略

系統(tǒng)發(fā)電能力的要求包括輸出電壓、輸出頻率、噪聲及穩(wěn)定性等。為提升系統(tǒng)發(fā)電能力，可以從光伏陣列設(shè)計及與光伏陣列與其他設(shè)備配合方面進(jìn)行改造。

（1）陰影遮擋損失優(yōu)化

①采用二極管旁路并聯(lián)的方式，能夠解決電路的熱斑效應(yīng)問題：光伏組件由單獨(dú)的光伏電池片聯(lián)結(jié)組成，在聯(lián)結(jié)過程中，同時在電池片兩極并聯(lián)二極管，即便部分電池片被遮擋，電流可經(jīng)由旁路二極管在電池片兩極形成正向偏壓，及時切斷電池片中的電流，進(jìn)而保護(hù)其它電池片。

②建議調(diào)整光伏組件的安裝方向，由豎向安裝調(diào)整為橫向安裝：同樣借助旁路二極管，能夠滿足光伏組件安裝方向的調(diào)整要求。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，光伏組件間的最小排間距，應(yīng)以當(dāng)?shù)卦缟?點(diǎn)時對應(yīng)的太陽照射傾角確定，如果部分光伏組件因光照傾角變化而被遮擋，并聯(lián)的旁路二極管將停止工作，致使光伏組件的輸出電壓、電流均明顯下降，為了解決這一問題，可將光伏組件縱向布置，布置示意如下圖5；通過改變布置方式，能夠減少底部的組件數(shù)量，進(jìn)而控制光伏組件的總體遮擋率，確保光伏組件在局部被遮擋條件下的輸出功率滿足要求。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，改變布置方式后，當(dāng)遮擋率為40%時，光伏組件的輸出功率底限比采用橫向安裝的方式，提高了6%。

圖5 ：組件安裝形式優(yōu)化圖

③光伏組件總體布置設(shè)計時，除了改變布置方向外，還應(yīng)加強(qiáng)組件間的連接優(yōu)化，從而最大程度控制遮擋率：常用的組件連接方式為SP形式，連接示意如圖6（A)。受光照不均勻影響，不同組件的遮擋率存在差異，這將造成組件間的功率適配失敗，最終影響總體功率輸出水平。為了解決該問題，應(yīng)采取穩(wěn)壓措施，即在光伏組件被遮擋時，可通過調(diào)整電流來穩(wěn)定輸出電壓，穩(wěn)壓采取TCT或BL的連接形式。其中，TCT模式中，每個組件同其它組件間均為串并聯(lián)關(guān)系，連接示意如圖6（B)所示。BL連接法本質(zhì)上是TCT連接法的改進(jìn)形式，能夠明顯減少接線數(shù)量，降低電能耗損，連接示意如圖6（C)所示。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在光線遮擋條件相同的情況下，組件連接方式對輸出功率的影響較為明顯，通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，采用TCT連接方式對應(yīng)的輸出功率最高，而SP連接方式對應(yīng)的輸出功率則受限明顯。

圖6 組件SP.TCT.BL連接方式

（2）線路損耗優(yōu)化策略

電工學(xué)基本理論表明，通電線纜鋪設(shè)形式對線纜上的能量耗損影響明顯，為了提高輸電效率，在保證上述最大限度避免遮擋后，應(yīng)盡可能縮短鋪設(shè)線纜長度。本文提出采用U型串聯(lián)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單排串聯(lián)，改進(jìn)后的連接示意如下圖7。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，采用U型串聯(lián)方式，線纜長度減少了50%，線路總能耗大幅下降。

圖7 組件U型連接優(yōu)化

2.系統(tǒng)電能質(zhì)量優(yōu)化策略

光伏系統(tǒng)電能質(zhì)量評價指標(biāo)主要包括：壓差、波動、不平衡度等，考慮到用戶端負(fù)載多為非線性負(fù)載，這種負(fù)載模式會影響光伏系統(tǒng)的供電質(zhì)量，為了解決該問題，本文擬從以下幾方面提出優(yōu)化措施：

（1）關(guān)于三相電的不平衡問題解決措施：可將平衡補(bǔ)償裝置安裝在光伏供電系統(tǒng)的并網(wǎng)位置，通過平衡補(bǔ)償以提升電能利用效率，降低下網(wǎng)電量，攤薄用電成本。

（2）提升功率因數(shù)：考慮到用電端的非線性特性，容易造成變壓器空載或輕載等問題，如果使用普通的電容負(fù)載將造成供電功率因數(shù)不足的問題。建議將動態(tài)無功補(bǔ)償裝置安裝于變壓器的低壓端，通過動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q空載或輕載問題，確保將供電功率因數(shù)維持在合理水平。

（3）負(fù)載多階次諧波優(yōu)化：受用電端非線性負(fù)載特性影響，建議使用有源濾波器解決該問題，有源濾波器能夠滿足不同階次諧波的處理需求，同時不受阻抗及頻率波動影響，非常適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（4）光伏供電系統(tǒng)整體優(yōu)化：為了保障光伏供電系統(tǒng)內(nèi)各元器件的正常工作條件，系統(tǒng)應(yīng)配套專用的智能監(jiān)控設(shè)施，用以實時監(jiān)測供電系統(tǒng)運(yùn)行情況，且能夠?qū)ο到y(tǒng)故障做到超前預(yù)警。

四、改造和優(yōu)化光伏發(fā)電站性能的其它建議

（1）優(yōu)化設(shè)備，降低弱光對光伏發(fā)電站效率的影響：在弱光照條件下，電流中的紋波電流占比上升，紋波電流的存在容易影響線路中逆變器的穩(wěn)定性，故應(yīng)優(yōu)化逆變器，增強(qiáng)逆變器在紋波電流條件下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體效率。

（2）使用高功率逆變升壓設(shè)備，減少設(shè)備和材料的使用量：工程實踐經(jīng)驗表明，使用大功率逆變器，能夠大幅降低系統(tǒng)供電成本，最大下降幅度超過5%，故在前期成本允許的前提下，建議優(yōu)先使用大功率逆變器。

（3）使用先進(jìn)的仿真軟件對板陣支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：應(yīng)做好項目總體設(shè)計，加強(qiáng)成本控制，優(yōu)先選用性價比高的光伏板支撐設(shè)計方案，采用容許應(yīng)力法設(shè)計，做好后期的支架模型優(yōu)化，最大程度控制支架成本。

五、結(jié)語

綜上采取多方面的優(yōu)化改進(jìn)措施，是提高光伏發(fā)電站工作效率和總體收益的必由之路，本文針對性地提出了二極管旁路并聯(lián)、調(diào)整光伏發(fā)電板安裝方向、優(yōu)化光伏陣列間的連接方式、改進(jìn)光伏組件間的串聯(lián)形式等措施建議；此外重點(diǎn)聚焦逆變器，提出升級大功率逆變器以對抗光照條件變化對光伏發(fā)電站總體效率的影響；加強(qiáng)了對光伏發(fā)電板支架的優(yōu)化設(shè)計水平，提出采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計，切實控制了光伏發(fā)電系統(tǒng)的總成本，為光伏發(fā)電站的長期、可持續(xù)建設(shè)運(yùn)營提供了堅實保障。