高校建筑光伏发电系统的设计方案

高校建筑光伏发电系统的设计方案
1.1 设计流程与要点
1.1.1 设计流程
高校屋面光伏发电系统的设计不是光伏组件的简简单单排布，他需要结合电池组件的自身特性，所建地的地理气候信息，周边环境，建筑结构和电气安全状况等多方面因素。

进行综合的设计和分析，因此一套缜密的适合高校光伏发电系统的设计流程不仅能够给从业人员的工作提供指导，还能减少和避免他们设计失误。

1.1.2 设计要点
（1）地理位置和气候因素
地理位置包括：建筑所在的纬度、经度、海拔高度等。

气候因素包括：空气温度（正常月份平均温度、1月的最冷
温度，7月的最高气温)、相对湿度、大气压力、降雪量与降雨量等。

它们决定了光伏组件的倾斜角度（若光伏组件只利用太阳的散射光发电，其只相当于垂直光照射发电量的80%?90%)、阵列间距（光伏阵列设计需要保证在冬至日当天光照辐射强度最好的时间段AM9:00-PM13:00前排光伏组件的阴影影响后排光伏组件正常工作)、结构安全性等多个方面，同时间接决定了系统的转化效率与经济性，如低纬度地区的太阳能光伏组件在同样的年太阳辐射强度下系统发电量小于较高纬度地区多出许多倍，系统回收期也更短，而在高纬度地区安装太阳能光伏发电系统时，需将阵列间距拉的更大,以确保发电率达到最高水准，但间距的增大需要更大面积的屋面，浪费了宝贵的屋面空间资源，为此需要将每个方阵高度都调整到最合适值，以便缩小间距，可见对当期的气候和地理信息的把握和分析是光伏系统设计的前提和基础。

（2）建筑朝向与周围场地情况
建筑朝向及周围场地情况是光伏阵列布置设计过程中最为重要的参考因素之一。

建筑的朝向较好时，能较易实现光伏与建筑的外观设计的一致性，且屋面的布板数量最多，经济性较高；周围场地情况在设计过程中主要是考虑是否有产生的阴影对光伏电站进行了遮挡。

通常我们把阴影分为随机阴影和系统阴影。

随机阴影产生的原因、时间和部位都不能确定，通常对光伏板的遮挡时间较短，不会产生明显的影响，但在某些特定状态下还是会使系统产生误判，降低转换效率，对此我们需要提高系统的容错能力，减少误判的发生。

系统阴影则是固定物体产生的遮挡，它因持续遮挡的时间长会对光伏系统输出功率产生明显影响，对于这种情况，我们通常只能通过场地勘探，尽量避免。

（3）容量设计
屋面光伏电站的系统容量设计，通常会采用以下两种方
式：一是按照建筑物可安装光伏组件的面积确定安装的系统容量：二是根椐建筑物内部负载确定。

依据屋面面积确定光伏系统的负荷相对较为简单，但受到可利用面积的限制。

此时，光伏板的转换效率则是主要的考量因数，故在屋面面积有限时，尽量使用转化效率高的单晶硅电池。

而在项目预算有限，当地温差大的南立面墙上，则适宜对温度变化没有太强烈反应的非晶硅光伏组件的选用，对于依靠内部荷载确定容量的光伏电站，要对系统负载的类型，运行的规律与状况有一个精准的计算，以确保稳定运行。

（4）环境兼容
建筑是一个复杂而完整的统一体，与光伏相结合的建筑设计不单单要考虑能源供给的问题，还需要充分考虑阳光照耀下所呈现的美学效果。

当前综合了生态功能为一体太阳能建筑设计的美学手法成为主流，它既能呈现设计的整体表现
形式，又能展现背后所蕴含的高科技特色。

如下图3.1所示，由上海交通大学学生创意、设计、建设的能源生态样板房“日上江村”被新华社誉为“正能量建筑”，它位于三楼的蓝色光伏顶，能满足日常用电需求，室内所有设备均可智能控制。

3.1 日上江村庭院顶上的光伏板
（5）系统安装
当前屋面光伏系统设计中，为了避免对屋顶原有防水层造成损伤和破坏，屋面光伏系统的安装大多采用支架构造置于防水层之上的做法。

此时需要注意设计良好的冷却通风系统，这是因为晶硅光伏组件的发电效率随着表面工作温度的上升而下降。

理论和实验证明，在光伏组件屋面设计空气通风通道，可使组件的电力输出提髙8. 3%，组件的表面温度降低15°C左右。

特别是当屋面为斜屋面时，易采用支架架空的构造方式，架空高度不小于100MM，既加强通风，又给
安装维护提供一定的操作空间；对于部分建筑屋顶防水层已被破坏的情况，光伏支架的脚柱与屋面的结合处要加做附加防水层构造措施，以避免雨水从开口处渗入防水层下部。

通常附加层宜空铺，空铺宽度不应小于200MM；附加防水层形成的泛水构造应包裹到支架与金属埋架之上；同时对地脚螺栓周围可能出现的渗水缝隙，用沥青进行密封处理或者将卷材防水层用压条钉压固定。

同时对于经常需要检修的光伏屋面需在一定范围内铺设水泥砖作为刚性的防水保护。

一般会采用水泥砖铺贴在光伏阵列的检修通道周围、屋面的进出口及经常有人员走动的道路上。

同时系统还需要考虑组件所在部位的防火、防雷、防静电等电力安全，支架结构、抗风、雨、雪荷载的结构安全设计及后期的运行维护、管理等。

1.2 系统组成
太阳能光伏发电是将太阳光能直接转化成电能的发电方
式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。

太阳能光伏发电系统是利用光伏板直接将太阳辐射能转化为电能的系统，主要由太阳能电池组件、电能储存元件、控制器、电力电子变换器以及负载（直/交流负载）等部件构成。

太阳能电池由硅半导体材料制成的方片薄膜，在阳光照射下产生电压和电流。

单体电池的输出电压只有0. 45- 0. 50V,电流约为20峰值功率为1W左右，一般不能单独使用。

（1）太阳电池组件
太阳电池组件也称为“光伏组件”。

它是将几片、几十片或几百片圆形或者方形单体太阳能电池根据负载需要(见下图3.2)，经过串、并联连接起来构成组合体，再将组合体通过一定工艺流程封装在超薄、透明、高强度玻璃和密封的封装底层之间，然后引出正负极引线，方可独立发电使用。

其功率一般为几瓦到几十瓦，甚至几百瓦。

电池组件有各种各
样的尺寸和形状，典型组件是矩形平板。

图3.2太阳能电池的单体（方形）、组件阵列一般来讲太阳的辐照度能够百分之百转化为电能是电池组件最完美的状态，但是由于材料本身性能及环境的多样会化对太阳能电池组产生影响，如：组件自身的设计、空气的尘埃度、发电转换设备的质量和性能、组件自身的延时衰减等，实际上系统效率将会在使用的过程中出现部分程度的下降。

（2）系统控制元件
系统控制元件也就是系统调节控制装置，通过对系统输入输出功率的调节与分配，如当负载端发生短路时，要能报警或将电路自行切断，督促维护管理人员检修。

（3）并网逆变器
光伏并网系统的核心部件和技术关键是并网逆变器。

它的主要功能是将太阳能光伏组件发出的直流电逆变成单项或三相交流电，送入电网。

并网逆变器应具有自动运行和停止功能、最大功率跟追踪功能，且具有完善的保护功能，包括过压保护、短路保护、孤岛保护、过热保护、过载保护、防雷保护及直流接地保护。

根据逆变器在光伏系统中的布置方式，可以将逆变方式分为集中逆变和分散逆变。

对于大中型光伏电站而言，由于光伏的排布、位置、朝向等大致相同，因此一般会采用集中逆变器以减低投资成本，此时如果可能的话，应尽量将逆变器安装在电表的附近，如果安装环境不允许的话，安装在光伏系统接线柜附近也是可行的，这将降低通过直流总线的电量损失和安装费用，通常大型中央逆变器通常和其他设备（如电表、断路器等）安装在一个逆变器箱体内；分散式逆变器则适合应用于光伏系统中的各分系统有不同朝向或倾角，光伏电站分散布置或者光伏系统有部分
被遮挡的情况，它一般会安置在屋顶，这就应做好对逆变器的保护，避免太阳直射和雨水淋湿，同时还要考虑到逆变器的噪声对周围环境的影响。

（4）交\直流负载
交\直流负载是以交\直流电为能源供给的装置或设备，其系统运行过程如下图2.6所示：
图3.3 交\直流负载作用下光伏发电系统运行图（5）太阳能光伏电站计量、显示部分
根据国家电网光伏电站接入要求，光伏并网电站需配置远程传输电表，自动控制、电能计量及数据通信存储装置。

系统配置环境因素传感装置，能够采集环境因素信息并通过无线传输方式传输到系统控制中心或公众显示终端。