高校建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方案

高校建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方案1.1設計流程與要點1.1.1設計流程高校屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計不是光伏組件的簡簡單單排布，他需要結合電池組件的自身特性，所建地的地理氣候信息，周邊環(huán)境，建筑結構和電氣安全狀況等多方面因素。進行綜合的設計和分析，因此一套縝密的適合高校光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計流程不僅能夠給從業(yè)人員的工作提供指導，還能減少和避免他們設計失誤。1.1.2設計要點（1）地理位置和氣候因素地理位置包括：建筑所在的緯度、經(jīng)度、海拔高度等。氣候因素包括：空氣溫度（正常月份平均溫度、1月的最冷溫度，7月的最高氣溫)、相對濕度、大氣壓力、降雪量與降雨量等。它們決定了光伏組件的傾斜角度（若光伏組件只利用太陽的散射光發(fā)電，其只相當于垂直光照射發(fā)電量的80%?90%)、陣列間距（光伏陣列設計需要保證在冬至日當天光照輻射強度最好的時間段AM9:00-PM13:00前排光伏組件的陰影影響后排光伏組件正常工作)、結構安全性等多個方面，同時間接決定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率與經(jīng)濟性，如低緯度地區(qū)的太陽能光伏組件在同樣的年太陽輻射強度下系統(tǒng)發(fā)電量小于較高緯度地區(qū)多出許多倍，系統(tǒng)回收期也更短，而在高緯度地區(qū)安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時，需將陣列間距拉的更大,以確保發(fā)電率達到最高水準，但間距的增大需要更大面積的屋面，浪費了寶貴的屋面空間資源，為此需要將每個方陣高度都調(diào)整到最合適值，以便縮小間距，可見對當期的氣候和地理信息的把握和分析是光伏系統(tǒng)設計的前提和基礎。（2）建筑朝向與周圍場地情況建筑朝向及周圍場地情況是光伏陣列布置設計過程中最為重要的參考因素之一。建筑的朝向較好時，能較易實現(xiàn)光伏與建筑的外觀設計的一致性，且屋面的布板數(shù)量最多，經(jīng)濟性較高；周圍場地情況在設計過程中主要是考慮是否有產(chǎn)生的陰影對光伏電站進行了遮擋。通常我們把陰影分為隨機陰影和系統(tǒng)陰影。隨機陰影產(chǎn)生的原因、時間和部位都不能確定，通常對光伏板的遮擋時間較短，不會產(chǎn)生明顯的影響，但在某些特定狀態(tài)下還是會使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，降低轉(zhuǎn)換效率，對此我們需要提高系統(tǒng)的容錯能力，減少誤判的發(fā)生。系統(tǒng)陰影則是固定物體產(chǎn)生的遮擋，它因持續(xù)遮擋的時間長會對光伏系統(tǒng)輸出功率產(chǎn)生明顯影響，對于這種情況，我們通常只能通過場地勘探，盡量避免。（3）容量設計屋面光伏電站的系統(tǒng)容量設計，通常會采用以下兩種方式：一是按照建筑物可安裝光伏組件的面積確定安裝的系統(tǒng)容量：二是根椐建筑物內(nèi)部負載確定。依據(jù)屋面面積確定光伏系統(tǒng)的負荷相對較為簡單，但受到可利用面積的限制。此時，光伏板的轉(zhuǎn)換效率則是主要的考量因數(shù)，故在屋面面積有限時，盡量使用轉(zhuǎn)化效率高的單晶硅電池。而在項目預算有限，當?shù)販夭畲蟮哪狭⒚鎵ι?，則適宜對溫度變化沒有太強烈反應的非晶硅光伏組件的選用，對于依靠內(nèi)部荷載確定容量的光伏電站，要對系統(tǒng)負載的類型，運行的規(guī)律與狀況有一個精準的計算，以確保穩(wěn)定運行。（4）環(huán)境兼容建筑是一個復雜而完整的統(tǒng)一體，與光伏相結合的建筑設計不單單要考慮能源供給的問題，還需要充分考慮陽光照耀下所呈現(xiàn)的美學效果。當前綜合了生態(tài)功能為一體太陽能建筑設計的美學手法成為主流，它既能呈現(xiàn)設計的整體表現(xiàn)形式，又能展現(xiàn)背后所蘊含的高科技特色。如下圖3.1所示，由上海交通大學學生創(chuàng)意、設計、建設的能源生態(tài)樣板房“日上江村”被新華社譽為“正能量建筑”，它位于三樓的藍色光伏頂，能滿足日常用電需求，室內(nèi)所有設備均可智能控制。3.1日上江村庭院頂上的光伏板（5）系統(tǒng)安裝當前屋面光伏系統(tǒng)設計中，為了避免對屋頂原有防水層造成損傷和破壞，屋面光伏系統(tǒng)的安裝大多采用支架構造置于防水層之上的做法。此時需要注意設計良好的冷卻通風系統(tǒng)，這是因為晶硅光伏組件的發(fā)電效率隨著表面工作溫度的上升而下降。理論和實驗證明，在光伏組件屋面設計空氣通風通道，可使組件的電力輸出提髙8.3%，組件的表面溫度降低15°C左右。特別是當屋面為斜屋面時，易采用支架架空的構造方式，架空高度不小于100MM，既加強通風，又給安裝維護提供一定的操作空間；對于部分建筑屋頂防水層已被破壞的情況，光伏支架的腳柱與屋面的結合處要加做附加防水層構造措施，以避免雨水從開口處滲入防水層下部。通常附加層宜空鋪，空鋪寬度不應小于200MM；附加防水層形成的泛水構造應包裹到支架與金屬埋架之上；同時對地腳螺栓周圍可能出現(xiàn)的滲水縫隙，用瀝青進行密封處理或者將卷材防水層用壓條釘壓固定。同時對于經(jīng)常需要檢修的光伏屋面需在一定范圍內(nèi)鋪設水泥磚作為剛性的防水保護。一般會采用水泥磚鋪貼在光伏陣列的檢修通道周圍、屋面的進出口及經(jīng)常有人員走動的道路上。同時系統(tǒng)還需要考慮組件所在部位的防火、防雷、防靜電等電力安全，支架結構、抗風、雨、雪荷載的結構安全設計及后期的運行維護、管理等。1.2系統(tǒng)組成太陽能光伏發(fā)電是將太陽光能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式，它包括光伏發(fā)電、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電等。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏板直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，主要由太陽能電池組件、電能儲存元件、控制器、電力電子變換器以及負載（直/交流負載）等部件構成。太陽能電池由硅半導體材料制成的方片薄膜，在陽光照射下產(chǎn)生電壓和電流。單體電池的輸出電壓只有0.45-0.50V,電流約為20峰值功率為1W左右，一般不能單獨使用。（1）太陽電池組件太陽電池組件也稱為“光伏組件”。它是將幾片、幾十片或幾百片圓形或者方形單體太陽能電池根據(jù)負載需要(見下3.2)，經(jīng)過串、并聯(lián)連接起來構成組合體，再將組合體通過一定工藝流程封裝在超薄、透明、高強度玻璃和密封的封裝底層之間，然后引出正負極引線，方可獨立發(fā)電使用。其功率一般為幾瓦到幾十瓦，甚至幾百瓦。電池組件有各種各樣的尺寸和形狀，典型組件是矩形平板。圖3.2太陽能電池的單體（方形）、組件陣列一般來講太陽的輻照度能夠百分之百轉(zhuǎn)化為電能是電池組件最完美的狀態(tài)，但是由于材料本身性能及環(huán)境的多樣會化對太陽能電池組產(chǎn)生影響，如：組件自身的設計、空氣的塵埃度、發(fā)電轉(zhuǎn)換設備的質(zhì)量和性能、組件自身的延時衰減等，實際上系統(tǒng)效率將會在使用的過程中出現(xiàn)部分程度的下降。（2）系統(tǒng)控制元件系統(tǒng)控制元件也就是系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制裝置，通過對系統(tǒng)輸入輸出功率的調(diào)節(jié)與分配，如當負載端發(fā)生短路時，要能報警或?qū)㈦娐纷孕星袛?，督促維護管理人員檢修。（3）并網(wǎng)逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件和技術關鍵是并網(wǎng)逆變器。它的主要功能是將太陽能光伏組件發(fā)出的直流電逆變成單項或三相交流電，送入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器應具有自動運行和停止功能、最大功率跟追蹤功能，且具有完善的保護功能，包括過壓保護、短路保護、孤島保護、過熱保護、過載保護、防雷保護及直流接地保護。根據(jù)逆變器在光伏系統(tǒng)中的布置方式，可以將逆變方式分為集中逆變和分散逆變。對于大中型光伏電站而言，由于光伏的排布、位置、朝向等大致相同，因此一般會采用集中逆變器以減低投資成本，此時如果可能的話，應盡量將逆變器安裝在電表的附近，如果安裝環(huán)境不允許的話，安裝在光伏系統(tǒng)接線柜附近也是可行的，這將降低通過直流總線的電量損失和安裝費用，通常大型中央逆變器通常和其他設備（如電表、斷路器等）安裝在一個逆變器箱體內(nèi)；分散式逆變器則適合應用于光伏系統(tǒng)中的各分系統(tǒng)有不同朝向或傾角，光伏電站分散布置或者光伏系統(tǒng)有部分被遮擋的情況，它一般會安置在屋頂，這就應做好對逆變器的保護，避免太陽直射和雨水淋濕，同時還要考慮到逆變器的噪聲對周圍環(huán)境的影響。（4）交\直流負載交\直流負載是以交\直流電為能源供給的裝置