太阳能光伏发电实用技术

太阳能光伏发电实用技术
摘要：本文通过介绍光伏建筑一体化，以引起业界人士对太阳能利用的广泛关注。文中分别对光伏屋顶和光伏幕墙铺设太阳电池板发电形式和特点进行分析，以期不断扩大太阳能的应用范畴。
关键词：光伏幕墙  光伏屋顶  太阳电池
巨大能源的太阳东升西落，成为匆匆过客未被人们充分利用。若在世界陆地的0.5％面积（恰为中国城镇占地之和）上安装太阳电池，将能供应全球所需能源，所以找宇宙要效益索取太阳能是当务之急。
我国太阳能资源的数量、分布的普遍性、供应的清洁性、技术的可靠性都优越于风能、水能和生物质能等可再生能源。目前大量能源消耗难以面对，专家估计，再过50年，全世界可再生能源比例将＞50％的总一次能源，其中太阳能可占到13％～15％十分可观。所以加大光伏发电力度刻不容缓。
1 光伏发电利用范畴
1.1 充分利用太阳光
目前国内外许多建筑光学工作者指出，首先应掌握太阳能日照量三要素：季节，夏季日照量最高，冬季最低。天气，正午日照量最高，晴、阴雨天则相应降低。方位，以正南向效率为100％，则东西向为82％，北向为50％的输出量。但在实际应用中，太阳电池方阵输出降低的原因很多，如日照量的多少，太阳电池镜面污垢产生的程度，温度上升及转换器损失等。加上太阳能控制器损失的5％，总发电容量为设置容量的85％～95％；其次是发电量估算：太阳电池容量=太阳电池最大输出×设置数量。如以最大输出功率50W太阳电池为例，设置20片时，则其输出容量=50W×20=1kWp，表1示某市7月底的光伏发电量。
表1  夏季南向日发电量
时间
/h
0～6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19～20
0～24

发电量
/kWh
0
0.3
0.9
1
1.6
2
2.1
1.9
1.8
1.5
1
0.7
0.2
0
15.1

1.2 太阳能应用多样化
从收集到的有关资料来看，历年的成果涵盖许多方面。近年来涉及的领域又有了发展。分别为太阳能光伏建筑一体化、光伏电站、光伏照明和光伏设施等方面的设计及应用。
2  太阳能光伏建筑一体化
2.1  基本概念
2.1.1  定义
光伏幕墙（屋顶）是将传统幕墙（屋顶）与光电转换技术相结合的一种新型建筑。换句话说，主要是利用太阳能发电的一种新型、绿色的能源技术。光伏与建筑相结合的进一步目标，是将光伏器件与建筑材料集成化。通常建筑物墙面多采用马赛克、涂料等材质，为了美观，还以价格较高的玻璃幕墙达到保护和装饰的双重目的。若能将屋顶、向阳的外墙、窗户都由光伏器件取代，则既能作为建材使用又能发电，可谓一举两得。当然，对太阳电池组件来讲，还需具有绝热保温、电气绝缘、防水防潮、强度、刚度和不易破裂等性能。
2.1.1.1  光伏幕墙（屋顶）
设计除了需要考虑太阳电池、光组件、导线、逆变器和整流器等因素以外，还必须保证对建筑幕墙（屋顶）安全等功能的落实。其性能指标参数在满足有关的国家规范和行业标准的前提下，并使其具备上佳使用效果，还要注重其安装朝向。一般来说，太阳电池板应装在楼群中接受光照时间长的那些部位，如女儿墙、墙楣（屋顶）等；通常选择幕墙面朝南、东南和西南之间，在一定条件下亦可东向和西向。太阳电池板还可作为固定的遮阳板（顶棚）之类的材料。既可得光能，又易散热，可谓最佳组合。特别值得注意的是，要把光伏和传统建筑有机地结合在一起，合理选择其结构形式和布局，使其最终达到既利用了太阳能，又能满足性能要求及人们的感观满意程度。
2.1.1.2  光伏建筑特点（表2）是一种集发电、隔音、隔热、安全和装饰功能为一身的新型功能性建筑，它不但突破了传统建筑以消极的办法减少能量损失，而是积极利用光伏技术，把以往被当作有害因素被屏蔽掉的太阳光，转化为被人们利用的电能，而且还是一种洁净能源。还充分考虑了太阳电池板的电能转化工艺、结构和安装的电气绝缘性，将幕墙和光伏技术有机地结合。如将接线端子排装在幕墙横、竖缝的不可见内腔，便于拆卸维护，电路布线的稳固、快捷。即使遇到雨雪等恶劣天气，也不致于出现漏电、短路等问题，让指标达到国家规范标准。
表2  光伏建筑一体化特点
序号
优势
备注

1
太阳电池组件是一种固态装置，能将太阳光直接转换成电能
勿需转动零件、燃料，不会产生污染

2
已经证实太阳电池组件的预期寿命长
可达30年

3
太阳能光伏系统已被成功地应用于成千上万栋建筑上
含小型、中型、大型等案例

4
太阳电池组件呈模块化，是一种分散式的电力生产装置
不是大型集中式的发电厂

5
偏远地区的太阳电池是一种符合改善成本的现实选择
传统的供电系统输配电线路价格昂贵

6
建筑屋顶（幕墙）可以为光伏系统提供大量面积，尤其在人口密集地
指不要占用额外昂贵的土地

7
安装在建筑物上的太阳电池方阵，省去各类支撑构件
无需多余的基础设施

8
直接向电网输送电力，省去一系列输配电费用
减少各级别传输线路的电压损失

9
能够在供电尖峰时刻提供足够的电力
以适时降低该紧急时段的电量需求

10
完全可能取代传统的建筑材料
使光伏系统担负起双重角色

11
有效地减轻对环境的光污染
造福于人类

12
以多种创新的方式，渲染独具魅力的建筑外观
使建筑物更加完美、洁净

13
配备蓄电池后，太阳能光伏发电系统确保自身用电
还能够满足用电设施的不间断供电要求

注：利用太阳能，不仅可以满足建筑能源供应的需求，实现建筑物的0排放，而且可以使每栋建筑都成为小型分散的网络电力生产者。
2.1.2  光伏与建筑相结合
从20世纪50年代太阳电池的空间应用，到今天的太阳能光伏集成，世界光伏产业已经
走过了半个世纪的历程。随着太阳电池组件成本的不断下降，光伏市场发展迅速。特别值得一提的是，光伏建筑的并网发电，2002年并网发电占总光伏应用的51％，已成为最大的光伏市场。
2.1.2.1  结合形式
光伏建筑幕墙（屋顶）的有机结合称为光伏建筑一体化（图1），它有明显的优势。在国外，又细分成建筑与屋顶集成（BIPV）和光伏在屋顶附着（BAPV）的两种设计。当光伏方阵安装在建筑物上时，对光伏系统生命周期等有非常大的影响，如其造价可占到总成本的10％～40％。以往，大多数光伏屋顶系统的安装都是千篇一律的传统模式。而现在，越来越多的工程技术人员都能根据屋顶形式、安装材料和选用组件的不同等进行特殊优化构想，有效地减少了材质、劳动力等成本。把特制的光伏组件作为传统建材的一部分，致使建筑具有很大的吸引力。
（1）系统在设计、安装阶段和确定最佳方案策略时，需要考虑很多相关问题。分清BIPV与BAPV的区别：前者是将光伏方阵作为建筑材料结构的功能部分，包括用太阳电池组件取代传统的屋顶材料等；后者则是在完整的建筑物上增加光伏方阵，这种施工（制造）成本高（低）于前者。
图1  光伏建筑一体化形式
（2）结合工程规模方面，对于小型工程计划，20kWp建筑一体化并网光伏系统。所需面积200m2，总造价约100万元；中型计划，40kWp建筑一体化并网光伏系统，所需面积400m2，总造价约200万元；大型计划，100kWp的建筑一体化并网光伏系统，所需要面积1000 m2。总造价约500万元。
2.1.2.2  光伏屋顶
太阳电池方阵与建筑采取适宜地结合，会收到很好的效果。图2形象地示出光伏屋顶发电的电池组件、控制器、逆变器和蓄电池等部分的所在位置。下面以扬中设计建造的独立式光伏屋顶发电系统为例，展现光伏建筑一体化的成果及优势，见图3。并讲述其屋顶发电系统的实现过程。
（1）组装要根据屋顶的面积、倾角，选择适当组件型号和系统功率，同时确定其安装方式。经过实测，屋顶朝向正南，其倾角为35°正好符合光伏系统的安装方向和倾角。根据屋顶实际尺寸，选择160Wp组件（1 580mm×808mm×50mm）16块，系统功率160Wp×16=2 560kWp，组件排列成4行×4列，并与屋面保持40mm距离，以便于空气流通、降低夏季组件的温度，避免温度过高而影响组件功率。
太阳电池组件

图2  光伏屋顶一体化
图3  光伏屋顶一体化框图
在屋面上预埋固定件，共计16只M16不锈钢螺栓。通过L型连接件将固定组件的角钢固定在螺栓上。并可以上下、前后调节，以确保其组件处在同一高度和同一水平线上。安装时，预先将4块组件配装成一个整体，且牢固连线，将其固定于4只M16预埋螺栓上。用同样的方法安装其他连接件。与此同时调整好组件的高度和上下边距离，保证形成一个整体。整个屋面整齐、美观，实现了光伏与建筑完全一体化预期目标。
（2）光伏屋顶一般采用并网发电系统，当时这种方法在国内尚未有大范围使用。尤其在解决并网、电费计算等一系列政策问题前，多采用独立光伏屋顶发电系统。其原则是，优先用太阳能所发的电，当供电不足时，再采用电网辅助供电。这样既解决太阳能发电系统少投资，又能确保一年里全天候用电，是一种比较经济、实惠的方式。
扬中这套住宅太阳能供电系统的负载为家庭日常用电，除空调系统外的所有用电都用太阳能。按照当地辐照条件，该系统平均日发电5kWh，完全满足家用电。光伏屋顶系统配置如下：蓄电池电压下降至43.2V时，系统进入过放保护，自动切换成电网供电；电池组件，经对蓄电池充电后，它的电压恢复到48V时，又自动从电网切换到太阳能供电。这样，不论阴雨天用电量的多寡，都可确保年度全天候供电。
2.1.2.3  光伏幕墙
太阳电池方阵安装在建筑幕墙上，则组成光伏幕墙。一般情况下，其立柱和横梁都是采用断热铝型材，除了满足JGJ102规范和JG3035标准之外，刚度高一些为好，同时，电池方阵要能够便于更换。

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