李加方
(中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司,濟南 250000)
新能源光伏發(fā)電技術(shù)依托太陽能光伏組件、逆變器、變壓器、匯流箱等元器件與設(shè)備設(shè)施將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,其基本工作原理為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。 新能源光伏發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用過程中, 利用光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)與功率監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測太陽能轉(zhuǎn)化為電能的穩(wěn)定性與可靠性, 利用并離網(wǎng)運行模式高效關(guān)聯(lián)局部光伏發(fā)電的微電網(wǎng)與主網(wǎng), 有效補充主網(wǎng)電能與用電系統(tǒng)的用電量[1]。 具體做法為,利用光伏組串將太陽能轉(zhuǎn)換為高壓直流電, 經(jīng)逆變器逆變后輸出為與主網(wǎng)同頻同相正弦交流電, 或可直接作為電氣設(shè)備用電, 或可直接向主網(wǎng)輸送。 在并離網(wǎng)運行模式下,當(dāng)新能源光伏發(fā)電量無法滿足局部區(qū)域用電需求時, 主網(wǎng)可將同頻同相正弦交流電流輸送至用電設(shè)備端進(jìn)行供電; 當(dāng)新能源光伏發(fā)電量超出局部區(qū)域用電需求時,可將多余電能輸送至主網(wǎng),有效補充主網(wǎng)電能。
新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、逆變器、支架、并網(wǎng)箱、交直流線纜等元器件或輔材構(gòu)成,其中,光伏發(fā)電組件是新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,固定在太陽輻射可直射區(qū)域,利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能, 再利用直流電纜將方陣產(chǎn)生的電流輸送至逆變器中進(jìn)行逆變, 并將逆變后的正弦交流電輸送至主網(wǎng)中。
1.2.1 光伏發(fā)電組件
光伏發(fā)電組件由光伏電池、背板、玻璃、鋁框架、線纜、連接器、膠封材料等元器件或材料構(gòu)成,其中,光伏電池用于將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能, 電池組件性能直接影響太陽能轉(zhuǎn)換率。 當(dāng)前,常見的光伏電池類型有薄膜、單晶硅、多晶硅等。 不同類型的光伏電池優(yōu)缺點不同, 如晶硅光伏電池的太陽能轉(zhuǎn)換率較高,電能轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定;薄膜類光伏電池的太陽能轉(zhuǎn)換率相對較低,弱電響應(yīng)能力強,光伏系統(tǒng)搭建成本較低。 背板布設(shè)于光伏電池背面,可有效隔絕空氣中的水分與電氣,以免光伏電池的轉(zhuǎn)換功能與性能受到不利環(huán)境因素波及。 玻璃布設(shè)于光伏發(fā)電組件面向太陽輻射的一面, 以良好的機械強度與透明性保證光伏發(fā)電組件的安全性。 連接器主要用于關(guān)聯(lián)光伏發(fā)電組件與電池箱,確保電氣正常連接。 線纜作為并離網(wǎng)工作模式的重要輔材, 用于連接光伏發(fā)電組件與用電設(shè)備或主網(wǎng), 實現(xiàn)光伏發(fā)電組件轉(zhuǎn)換電能至用電設(shè)備或主網(wǎng)的有效傳輸。
1.2.2 光伏并網(wǎng)逆變器
光伏并網(wǎng)逆變器用于將光伏發(fā)電組件轉(zhuǎn)換得到的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡_保交流電與主網(wǎng)同頻、同相,有效補充主網(wǎng)電能。 當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)斷電情形時,光伏并網(wǎng)逆變器因過載而自動保護(hù),將新能源光伏發(fā)電微電網(wǎng)與主網(wǎng)快速斷開,逆變器單獨運行為用電負(fù)載供電; 當(dāng)新能源光伏發(fā)電微電網(wǎng)所提供的功率無法滿足用電設(shè)備的高負(fù)載要求時, 則光伏發(fā)電組件陣列端電壓降低,逆變器輸出的交流電壓降低,主網(wǎng)電能將通過連接器及時補充,滿足負(fù)載的用電要求。
綜上,光伏并網(wǎng)逆變器具有并網(wǎng)輸送交流電、離網(wǎng)向用電設(shè)備供電、自動調(diào)整電壓、低壓保護(hù)、故障保護(hù)、功率自動控制等功能。 當(dāng)前,常用的光伏并網(wǎng)逆變器包括組串式逆變器、集中式逆變器,其中,集中式逆變器是將直流電匯總逆變?yōu)榻涣麟姾笊龎翰⒕W(wǎng),電網(wǎng)調(diào)節(jié)性較好,組建配置靈活度不高;組串式逆變器是將直流電直接逆變?yōu)榻涣麟姾笊龎翰⒕W(wǎng), 安裝靈活、發(fā)電率較高,但發(fā)電監(jiān)控難、故障率高、穩(wěn)定性差。 因此,在選擇光伏并網(wǎng)逆變器時,應(yīng)綜合考慮不同類別的建造成本、維護(hù)便利性、發(fā)電率、配置靈活度等,因地制宜地保證光伏組件轉(zhuǎn)換直流電的逆變性能。
1.2.3 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)
光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)用于對光伏發(fā)電的各類組件設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測與控制,監(jiān)測對象包括光伏發(fā)電組件、光伏并網(wǎng)逆變器、匯流箱等,利用傳感器動態(tài)采集組件設(shè)備的工作參數(shù),反演其工作狀態(tài), 以便新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)運維人員實時掌握系統(tǒng)運行情況,提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行故障,提高故障預(yù)警率與修復(fù)率。 此外,利用新能源光伏發(fā)電控制系統(tǒng)對電量進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),合理調(diào)度與控制電量,配合光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)用電設(shè)備供電、蓄電池存儲與主網(wǎng)對接輸出。
將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于建筑電氣節(jié)能減排中,可以充分引入太陽能這類清潔能源,將其轉(zhuǎn)化為電能,提高新能源在建筑電氣工程投運中的能源占比, 減少不可再生資源的利用。 同時,新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)通常就地安裝、原地使用,在建筑屋面或周邊空曠區(qū)域布設(shè)多晶硅光伏組件、 逆變器、支架、并網(wǎng)箱、交直流線等元件設(shè)備,有效避免了電能資源在長距離運輸中產(chǎn)生的線路損耗。 此外,建筑電氣節(jié)能減排時,多將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝部署在建筑屋面, 不僅可直接吸收太陽輻射,將其轉(zhuǎn)化為電能,還可幫助建筑有效遮擋太陽直射,減緩屋頂升溫過程,從而間接降低建筑內(nèi)的溫度,減少空調(diào)用電負(fù)荷,提高空調(diào)使用效果[2]。
新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,電能的產(chǎn)生無須消耗不可再生的化石能源,也不會產(chǎn)生有害氣體、固體廢棄物等,造成污染大氣環(huán)境、土壤環(huán)境與水環(huán)境。 同時,相較于變電站、配電站等主網(wǎng)設(shè)備站點而言,新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)難度較低、組建配置靈活度較高、施工安全性較高。 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)相對成熟,運行安全系數(shù)較高,將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到建筑電氣節(jié)能中,可以減少建筑電氣安全隱患。
新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在建筑電氣節(jié)能中, 依托建筑的主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等布設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng),利用建材產(chǎn)品打造建筑、光伏發(fā)電一體化建設(shè)項目,可提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。 如利用光伏建材作為建筑屋面的施工材料,將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)嵌入建筑工程中, 提高了建筑工程與光伏發(fā)電系統(tǒng)的一體化建設(shè)水平。 同時,利用光伏并網(wǎng)逆變器將直流電逆變轉(zhuǎn)換為交流電, 交流電功率充足時可穩(wěn)定供應(yīng)負(fù)載用電,并將剩余電能輸送至主網(wǎng);交流電功率不足時,逆變器端的電壓較低,主網(wǎng)將電能資源輸送至負(fù)載端,滿足負(fù)載用電需求。 因此,新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)可以充分發(fā)揮分布式電能資源的效用,為建筑內(nèi)電氣設(shè)備的穩(wěn)定供電提供保障。
新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)多分布在建筑的主體結(jié)構(gòu)、 圍護(hù)結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等部位,對建筑的計容面積影響不大,也不會擴大實際占地面積,可以有效節(jié)約土地資源,在不增加城市土地利用壓力的前提下,為建筑電氣工程提供安全、可靠、穩(wěn)定的電力資源。
相較于電網(wǎng)各類配電工程, 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的施工內(nèi)容簡單、工期較短,投入成本較低,多晶硅光伏發(fā)電組件等技術(shù)與元器件相對成熟,故障率較低,運營維護(hù)較為便利。 因此,新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回報周期短,各類元器件的使用壽命較長,可較好地滿足建筑電氣工程長期、穩(wěn)定、低成本的供電需求。
建筑電氣設(shè)計時,需結(jié)合建筑實際使用需要,估算電氣負(fù)荷,設(shè)計照明系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電氣維護(hù)系統(tǒng),科學(xué)選擇高效節(jié)能的電氣設(shè)備,并根據(jù)建筑功能空間布局與電氣設(shè)備布置,合理布置電氣系統(tǒng)配線。 為強化新能源光伏發(fā)電在建筑電氣節(jié)能減排中的應(yīng)用效果,應(yīng)在建筑電氣設(shè)計階段,乃至建筑工程設(shè)計階段,融合新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計,如在建筑工程設(shè)計時,考慮將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝布設(shè)在屋面或立面,選用光伏建材作為建筑屋頂材料或立面材料等; 在建筑電氣設(shè)計時,根據(jù)建筑的電氣負(fù)荷選用適宜的光伏發(fā)電組件,光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接器布設(shè)應(yīng)根據(jù)建筑電氣設(shè)計方案中的配線布設(shè)方案合理設(shè)計等。 通過在建筑電氣設(shè)計中融入新能源光伏發(fā)電,可以提高建筑與光伏發(fā)電一體化設(shè)計與建設(shè)水平, 有效降低新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)成本,提升建筑電氣節(jié)能減排成效。
在不同強度的太陽輻射條件下, 新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不同,將新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)引入建筑電氣工程中,利用并離網(wǎng)工作模式靈活調(diào)度新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出情況,可切實提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率,保證建筑節(jié)能減排成效。 具體做法為,當(dāng)太陽輻射強度較大時,利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)向建筑電氣設(shè)備供電, 并將多余的電能輸送至超級電容器、 鈉離子電池等蓄電系統(tǒng)中進(jìn)行存儲或輸送至主網(wǎng);當(dāng)太陽輻射強度較低時,利用蓄電系統(tǒng)為建筑電氣設(shè)備供電,實現(xiàn)新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的最大化利用[3]。
引入新能源光伏發(fā)電系統(tǒng), 可以提高建筑電氣設(shè)備設(shè)施對能源的利用率,以及建筑節(jié)能減排的成效。 例如,在建筑電氣工程的照明系統(tǒng)中采用智能感應(yīng)燈, 利用光感或聲感控制照明設(shè)備的工作參數(shù), 確保照明設(shè)備在建筑室內(nèi)光線較暗或室內(nèi)有聲音的情況下開啟, 合理利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能資源,以光伏發(fā)電與建筑電氣節(jié)能系統(tǒng)的協(xié)同運作,提高建筑電氣節(jié)能減排效果。
新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)助力建筑電氣節(jié)能減排時, 對建筑電氣設(shè)計方案中的電氣負(fù)荷、配線布設(shè)、電氣設(shè)備布置、繼電保護(hù)措施等做好充分對接, 確保建筑電氣的電能供應(yīng)正常且穩(wěn)定。 建筑工程設(shè)計與施工時,應(yīng)做好新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的預(yù)留、預(yù)埋工作,以前瞻性視角推進(jìn)光伏模塊與建筑電氣一體化建設(shè),提高新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計方案的吻合度與適配性。
在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,利用新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能, 并將其應(yīng)用于建筑電氣設(shè)備用電供應(yīng)等環(huán)節(jié)中,可有效補充電氣負(fù)載的用電負(fù)荷,提高新能源在建筑電氣運行消耗能源中的占比,提高建筑電氣的能源利用率,達(dá)到節(jié)能減排的目的。