基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统初探

叶新颖

（福建林业职业技术学院 福建南平 353000）

基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统初探

叶新颖

（福建林业职业技术学院 福建南平 353000）

随着科学技术的不断发展进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。基于太阳能光伏发电成为近几十年来世界研究的重点科研项目之一。光伏发电技术越来越成熟，并且也在逐渐的运用于现实生活中，随着现在电力电子技术的发展和控制理论的进一步完善，基于太阳能光伏发电技术也有了巨大的变化，已经转向并网发电，使得基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统项目研究成为可能。

城市建筑；屋顶；光伏发电；并网；可调式

1 概述

能源是人类赖以生存与发展所需的重要资源，同时也是人们参与社会文化活动和经济发展的重要保障。随着全球经济一体化进程的加速，各国社会经济的不断发展以及工农业改革的加速，地球上的可用的不可再生能源也越来越少；人类社会经济快速发展的同时也带来环境污染逐渐加深，譬如酸雨的出现，雾霾的加剧、PH值升高、冰川融化、海平面上升、地下水严重污染等等，人类生存空间因此严重受到威胁，能源短缺与环境污染已经成为了阻碍全球当前人类社会发展进步的主要因素，开发可再生无污染的新型能源与补充日渐稀少的不可再生能源已经刻不容缓。太阳能资源是一种可再生无污染的绿色能源，具有存储容量的无限性、利用高效的清洁性、广阔存在的普遍性及逐渐显现的经济性等优势，它的开发利用将是人类解决水污染、环境污染及能源匮乏枯竭等问题的最有效途径。随着我国工业快速发展及城镇化建设进程加剧，对于原本就存在能源短缺匮乏的城市又是一个巨大的挑战，水与电表现得最为明显，从“南水北调”及“西电东送”等大型国家工程就可以看出水与电等能源严重短缺问题，随着科学技术的不断发展进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。基于太阳能光伏发电成为近几十年来世界研究的重点科研项目之一。光伏发电技术越来越成熟，并且也在逐渐的运用于现实生活中，随着现在电力电子技术的发展和控制理论的进一步完善，基于太阳能光伏发电技术也有了巨大的变化，已经转向并网可调式发电，由于城市土地资源有限，可以有效利用城市建筑屋顶资源，这使得基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统项目研究成为可能。

2 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统

经过几十年的建设特别是改革开放30余年高速工业化进程，我国成为名副其实的工业大国，也是能源消费大国。随着我国经济的快速发展，中国已成为世界第二大经济体，经济的高速增长带动了工业的快速扩张，工业快速扩张加快推进了我国城镇化建设进程，导致越来越多的人从农村涌向城市，大量的务工人员及工厂便在城市应运而生，进一步加剧城市的资源包括土地、水等方面有限资源的紧张。与此同时，用电量的增长速度明显加快，对于城市电网特别是特定时期供电的能力、供电的质量、供电的可靠性提出更高的要求，并且构成电力电网用电极度困难，这也是在考验城市的供电水平。

因此，针对城市工业、生活用电紧张、企业产热过量排放到大气中及城市土地资源有限等不利因素，可以有效利用城市建筑屋顶资源，探析基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统。

2.1 光伏发电的工作原理

当太阳光照射在半导体表面上使其产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。太阳能光伏发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳光辐射能直接转换为电能。当太阳光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收时，具有足够能量的光子能够在P型区和N型区中将电子从共价键中激发，以致产生电子—空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子—空穴对相向运动，空穴向带负电的P型区运动，电子向带正电的N型区运动。通过界面层的电荷分离后相向运动，将会在P型区和N型区之间产生一个向外的可测试的电动势，当外部接通电路时，在该电动势的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。太阳光照在界面层产生的电子—空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即光电池面积越大，在太阳能光电池中形成的电流也会越大。最后建立一个与光照强度、受光照面积有关的电动势。

2.2 太阳能光伏发电系统的类型

太阳能光伏发电系统按大类可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

图1是独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图，具体工作原理：在太阳光的照射下，太阳电池组件方阵产生的直流电流通过控制器一部分传送到逆变器转化为交流电供交流负载使用，一部分对蓄电池进行充电；当太阳光不足时，蓄电池通过控制器系统向逆变器送电，经逆变器转化为交流电供交流负载使用。或是直流负载，可通过控制器系统控制直接使用。

图2是并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。具体工作原理：在太阳光的照射下，太阳电池组件方阵产生的直流电流通过直流配电箱进入并网逆变器，经过并网逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能可通过电力变压器等设备逆流汇入公共电网，当并网系统由于气候原因无法提供充足的电量时，可从公共电网向交流负载输电。

图1 独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图

常用的光伏发电并网系统可以按照系统功能分为两类：一种为不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”，另一种为含有蓄电池组的“可调度式光伏并网发电系统”。在不可调度是系统中，并网逆变器将太阳电池板的直流电直接转换为与公共电网同频率、同电压的交流电，在太阳光照充足的情况下，当太阳能电池板产生的电能多于负载所需的电能时，多余的电能会被输送到公共电网；在夜间或太阳光照不充裕的情况下，公共电网就会自动向负载输电。但是，当公共电网断电时，负载就无法工作了。在可调度式系统中，由于在并网逆变器中有重要的开关可以使系统具备不间断电源的性质，比不可调度式系统在保护性能方面改善了许多。系统不仅仅将直流电变换成交流电输送给电网，而且还经过DC/DC变换给蓄电池充电。使其具备不断电的功能，确保负载正常工作。

图2 并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图

可调度式光伏并网发电系统与不可调度式光伏并网发电系统主要区别是它带有蓄电池储能装置，主动性较强，当电网出现停电、限电、故障或因气候条件影响导致发电量不足时，就可以独立运行并正常向负载供电。因此，它可以实现不间断供电、作为电网终端的有源功率调节器、抵消有害的高次谐波分量、提高电能质量、实现对公共电网峰谷调节，加强供电系统的稳定性和可靠性、有助于改善电网的运行质量。

2.3 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统

2.3.1 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的概念

基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统实际就是将太阳能光伏发电系统与城市建筑屋顶有机结合成一个整体结构，使安装在城市建筑屋顶的太阳能光伏组件方阵板块产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并可以根据负载实际情况适时适度控制和调整市电供电量的一种供电模式。

2.3.2 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的工作原理

图3是城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的工作原理示意图。具体工作原理：将太阳电池组件方阵板块安装在城市建筑屋顶上，在太阳光的照射下，基于建筑屋顶的太阳电池组件方阵产生的直流电流通过直流配电箱进入并网逆变器，并网逆变器由充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成，经过并网逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能可通过电力变压器等设备逆流汇入交流公共电网，当并网系统由于气候原因无法提供充足的电量时，可从交流公共电网向交流负载输电。系统还配备有监控、测试及显示系统，用于对整个系统工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计；也可以利用计算机网络系统远程传输控制和显示数据，用于随时调度光伏发电并网可调式系统，使其不间断供电，确保负载设备正常工作。

2.3.3 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的结构组成

太阳能光伏发电并网可调式系统基于光生伏特效应把太阳能转换为电能提供给负载或输送到公共电网的一种可以调度的新型发电系统。它通常由太阳能电池组件（或方阵）、控制器、并网逆变器、蓄电池、光伏发电系统附属设施等部分组成。

（1）太阳能电池组件

它是太阳能光伏发电的最基本元件，主要作用是将照射在太阳能电池方阵的太阳能转化为电能，并送往蓄电池中存储起来以备负载之用，也是太阳能光伏发电系统的核心部分。

（2）控制器

它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分，其功能主要有防止蓄电池过充电保护、过放电保护、系统短路电子保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。同时，它还具备在温差较大的地方起到温度补偿的作用。

（3）并网逆变器

它是一种电源转换装置，具有充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等功能。可以将蓄电池存储的直流电能转换为供负载使用的交流电。

（4）蓄电池

它是太阳能光伏发电系统的储能部件，主要作用是将太阳电池组件产生的电能储存起来，并可随时向负载供电，保证供电不间断。

（5）光伏发电系统附属设施

它包括直流配电系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统等。

2.3.4 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的应用

城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统是城市应用太阳能光伏发电的一种新形式。主要用于一般住宅、重要及应急负载；光伏建筑一体化、自然灾难避难所、高层建筑应急照明等领域。可以有效防止城市供电系统大面积停电，提高供电系统的安全性和可靠性，并增强公共电网的调节能力，对电力系统乃至国家能源安全都具有重大的现实意义。

图3 城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统的工作原理示意图

3 基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统应用的实际意义

城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统应用就是将太阳能光伏发电系统与城市建筑屋顶有机地结合成一个整体结构，是城市应用太阳能光伏发电的一种新形式，这不但可以同建筑物友好结合，具有隔热挡雨的功能，同时又能实现光伏发电，产生电能供本建筑及周围用电负载使用，还可以通过建筑物输电线路并网发电，向公共电网提供电能。

（1）城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统不仅无需额外占用土地，可以直接将太阳能电池板安装在城市已有建筑的屋顶上，这对于土地昂贵的城市尤其重要，可以提高土地利用率；对电网也可以起到调峰作用，特别是夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，光伏阵列不仅吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，而且可以起到建筑节能减排作用，反过来影响用电量，致使其节约用电。这对于存在着水、电、土地等能源短缺的城市来说，太阳能资源是安全可靠且可贵的能源，如果能够充分利用城市的太阳能进行光伏发电，这有利于吸收城市多余的热量，降低室外综合温度，减少墙体得热和室内空调冷负荷，有利于提高城市的能量利用效率，对城市建筑节能减排、改善人们的生活环境具有深远的意义。

（2）基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统可以向公共电网逆流供电，其“昼发夜用”的发电特性正好可以对公共电网实行谷峰调节，多余或者不足的电力可以通过公共电网调节，多余时可以向公共电网输电，不足时可以由公共电网供电。特定时期可以有效补充公共电网的供电量，提高其供电水平与能力，加强其供电的稳定性和可靠性，改善了电网的运行质量。

（3）基于城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统属于分散式小型并网光伏发电系统，由于不仅具有投资小、建设快、占地面积小等优点，而且它比大型的光伏发电站更灵活、更利于普及、更利于能源安全，是光伏并网发电的未来发展趋势。

由于太阳能光伏方阵与城市建筑物有机结合，不仅不占用额外的地面空间，还有效节约城市的能量资源，而且使城市建筑发展成具有独立电源、自我循环式的新型节能减排建筑，更提高公共电网的稳定性与可靠性。是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，也是人类进步和社会、科技发展的必然，因此备受关注。

4 结束语

为了适应城市的建设发展，城市电网应充分利用绿色可再生能源且储量丰富的太阳能资源。经过近三十年的研究、开发和试验，中国在太阳能等新能源和可再生能源的开发利用方面取得了显著进展，技术水平也有了较大提高，相关产业也有了初步规模。基于城市建筑屋顶光伏发电是一种非常有潜力、有价值、有方向的发电技术，光伏发电不仅能有效解决能源匮乏、土地紧张等问题，而且对改善人类的生存环境具有深远的意义，是一项造福于人类的事情。由于城市建筑屋顶太阳能光伏发电系统具有高效、经济、环保等诸多优点，相信随着新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，基于城市建筑屋顶太阳能光伏发电越来越成为太阳能应用发电的新潮流。

[1] 胡富静.基于光伏发电支撑的农村供电系统研究[D].郑州.华北水利水电大学.2013.

[2] 汪兆财.间歇式可再生能源发电系统控制策略及应用研究[D].郑州. 郑州大学.2012.

[3] 任新兵.太阳能光伏发电工程技术[M].北京.化学工业出版社.2012.

[4] 闰士职.基于太阳能光伏发电并网系统的研究[D].成都.西南交通大学.2009.

Preliminary study on adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of city architecture

YE Xinying
(Fujian Forestry Vocational and Technical College Nanping 353000)

With the continuous development and progress of science and technology, solar energy and the related industries have become one of the world's fastest growing industries. Because solar energy photovoltaic power generation has become one of the key research projects in the world in recent decades, photovoltaic power generation technology is more and more mature, and gradually is applied in real life. With the further improvement of the development of modern power electronics technology and control theory, the photovoltaic power generation technology based on solar also has changed to the power grid, so that it is possible to make research on the adjustable system of the grid-connected photovoltaic power generation based on the roof of City Architecture.

City architecture; Roof; Photovoltaic power generation; Grid-connected; Adjustable

2015年福建省中青年教师教育科研项目“城市建筑屋顶光伏发电并网可调式系统研究与应用”（编号JA15709，闽教科[2015]62号）