文｜北京市建筑设计研究院 庄 钧

山东省博物馆工程中太阳能光伏技术的应用

文｜北京市建筑设计研究院 庄 钧

本文针对山东省博物馆太阳能光伏系统组成及功能进行了较详尽的介绍，讲述了我国太阳能资源的分布，简略说明太阳电池的几种主要类型，重点陈述了并联型太阳能光伏发电系统的特点及基本构成。

太阳能光伏发电系统 年太阳辐射量 太阳电池 光伏建筑一体化

1 我国的太阳能资源

1.1 概述

我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总面积达960万km2。南从北纬4o的曾母暗沙，北到北纬52.5o的漠河，西自东经73o的帕米耳高原，东至东经135o的黑龙江与乌苏里江汇流处，距离都在5000km以上。在国内广阔富饶的土地上，有着丰富的太阳能资源（如图1所示），理论储量达每年17000亿吨标准煤，全国各地的年太阳辐射总量为928～2333kWh/m2，中值为1626kWh/m2。

根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。

（1）一类地区。为太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量1855.7～2333.5kWh/m2，相当于日辐射量5.1～6.4kWh/m2。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达2333kWh/m2（日辐射量6.4kWh/m2）。

（2） 二类地区。为太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为1625～1855.7kWh/m2，相当于日辐射量4.5～5.1kWh/m2。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

（3）三类地区。为太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为1389～1625kWh/m2，相当于日辐射量3.8～4.5kWh/m2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。

（4）四类地区。是太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量1167～1389kWh/m2，相当于日辐射量3.2～3.8kWh/m2。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏北、皖南以及黑龙江、台湾东北部等地。

（5）五类地区。主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量931～1167kWh/m2，相当于日辐射量只有 2.5～3.2kWh/m2。

1.2 工程概况

山东省博物馆坐落于济南市，位于北纬36.65o、东经117o。济南年平均日照时数为2491～2737h，位于我国太阳能资源类型的三类地区，年太阳辐射量约为1405.8～1473.3kWh/m2。

2 太阳电池种类

2.1 太阳电池分类

制作太阳电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，基于以下因素，硅是最理想的太阳能电池材料。

（1）太阳电池分类：硅太阳电池；以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳电池等。

（2）太阳电池材料的要求：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。

2.2 硅太阳电池

（1）单晶硅：单晶硅太阳电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐电池工艺影响，致使单晶硅成本价格较高，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了多晶硅太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池。

（2）多晶硅：多晶硅电池由于所使用的硅较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅电池目前在太阳电池市场上占据相当大比重。

（3）非晶硅：非晶硅太阳电池由于具有较高的转换效率和较低的生产成本及具备弱光发电性能等特点，有着极大的潜力。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳电池无疑是太阳电池的主要发展产品之一。

3 太阳能光伏发电系统

3.1 独立型并网光伏系统

由于该博物馆工程实施的特殊性，设计方案中采用独立型和并网型系统相结合的并联型光伏发电系统，其方案设计的前提是太阳能功率调节器能够提供这些完善而实用的功能。即在市电供应时，系统进入并网运行方式；无市电时，系统便自动转入独立运行方式，该设备不仅提供并网运行、独立运行等一体化转换工作模式，而且还提供对蓄电池组的充放电及相应保护，管理的工作模式，从而使系统在配置蓄电池组后还可提供一体化控制的应急功能。该系统的具体运行方式如下：

（1）有市电供电时，在有日照的白天，太阳电池方阵产生的电能经过功率调节器按照最大功率跟踪控制方式（MPPT）输送到用户电网，供给距并网点最近的负荷优先使用，当太阳电池方阵的最大发电功率大于该用户用电负荷功率时，则将剩余电量输送到更远端的电网用户使用。当并网点的用电负荷功率大于太阳电池方阵最大发电功率时，则用电负荷所需电能由太阳电池方阵和市电共同提供，且优先使用太阳电池方阵所产生的电能。当夜间无日照时，功率调节器的并网控制进入逆向工作模式，利用电网的电能给蓄电池组进行充电或浮充电，以补充蓄电池的自漏电，当蓄电池组充满电后自动关闭功率调节器的充电功能，等待第二天白天继续并网发电。

（2）无市电供电时，白天太阳电池方阵产生的电能通过功率调节器，单独给重要负荷设备供电，同时给蓄电池组充电；在阴雨天、夜间时，则完全由蓄电池组放电输出给重要负载。

在系统设计中选用的太阳能功率调节器，可实现单套系统内并网运行及独立运行双功能逆变模块的并联工作，同时具有多套系统并网运行的扩容能力。

（3）并联型光伏发电系统的优点在于，当市电电网停电时，可以将光伏发电系统作为一个独立电源系统使用，以保证一些重要负荷的供电。并联型光伏发电系统的示意图，如图2所示。

3.2 光伏发电系统配置方案

（1）电气设计人员接受博物馆设计时，参考了太阳电池组件和蓄电池制造商的太阳能专家建议后，针对济南地区的实际情况（地理、气象及负荷等条件），在首先保证系统安全、可靠和满足负荷能够正常使用的前提下，使系统各部分的容量设计达到合理配置。

（2）并联型光伏发电系统由以下几个部分组成：太阳电池方阵及架台；汇流保护装置；独立型并网功率调节器（含逆变/整流单元、充放电单元、输入输出单元、计量显示单元等）；交流配电设备（含电磁隔离保护装置、电源切换装置、并网输出断路器、独立输出断路器等单元部件）；蓄电池组；计算机数据采集装置；太阳能显示展板；各设备之间连接电缆以及其他辅助部件。

3.3 光伏系统各部分技术要点

3.3.1 太阳电池方阵及架台

（1）并联型光伏发电系统的太阳电池方阵容量是由太阳电池组件按照设计的数量串联后形成组，根据容量要求再由一定数量并联，根据每块太阳电池组件的容量最后累积计算得到功率预设值的太阳电池方阵。方阵由经过防腐热镀锌处理的型钢架台支撑在博物馆楼顶的建筑物基础上，它是按照年发电量最大设计的倾斜角度朝向正南方放置在架台上。

（2）太阳电池方阵（如图3所示）放置到楼顶并无其他物体遮挡阳光的地方，以免影响系统的发电量。如果建筑物本身设置有避雷设施，并且也能够保护到太阳电池方阵，则方阵本身不用再重复设置，否则需增加避雷设施。

由于此项太阳能光伏发电系统工程预设计安装400kW的太阳电池方阵，因此在设置其方阵时采用标准功率为180Wp的光伏组件，规格为1580mm×808mm×35mm，峰值电压为35.5V，13块或12块串接，共计39组2500块。

3.3.2 汇流保护装置

太阳电池方阵的每一串电池组件首先进入汇流保护装置中的分路输入断路器，然后通过各自的逆止二极管与总断路器的输入端口相连，最后通过总断路器的输出端口将方阵的电能送入并网功率调节器，在装置内部输入及输出都设置有电涌保护吸收装置，能够将太阳电池方阵侧产生的高电压脉冲吸收掉并通过接地线导入大地，以保证发电系统设备的安全使用。

该系统所采用的汇流保护装置，将近设在太阳电池方阵架台上以减少线路损耗。由于保护装置安装在室外，因此需采用防水、防尘设计，并且里外全部喷涂高密度室外防锈底漆及表面防锈漆，在装置门设置门锁，以防止非专业人员随意打开进行操作，确保系统的安全运行，外壳的防护等级为IP54。

共选用39台SMC11000智能型逆变器，楼顶安装18台，机房集中安装21台，选用3台低压汇流柜，一台并网逆功率保护柜（如图4所示）。

3.3.3 并联型功率调节器

并联型光伏发电系统功率调节器为落地式安装，其内部主要由太阳能主从逆变/整流单元、计量显示单元、输入输出单元、充放电单元等组成，能够确保设备的无人职守自动工作。其特点如下：

（1）适应多种系统组合方式。一台功率调节器可以实现太阳能发电的并网功能、独立运行功能、蓄电池充放电功能、负荷均分功能、峰值斩波功能。通过附加传感器，可以使设备工作于并网自用（不向电网的上一级电网送电）以及上网送电卖电计量等功能。

（2）由模块单元构成。以模块化构筑安装单元，可以构成任一容量，扩容方便。

（3）内置并网系统所需的功能。主单元内集中设置了系统并网保护功能、直流分量检出、接地检出等所有功能。

（4）体积小、重量轻。采用框架安装方式，因此能够做到体积小、重量轻。

（5）独立运行输出也能够并列运行。n台Y kW单元可实现（Y×n）kW的自立输出供电。

（6）输入电压范围宽，组件可随意组合。直流输入电压范围：200V～500V。

（7）系统通信采用RS485方式。采用标准配置的RS485电路，能够进行运行状态、发电状态监视以及数据计量。

（8）计量显示单元监视运行状态。所有的日射强度、气温、电压、电流、功率、发电量等状态监视由计量显示单元进行显示。

3.3.4 交流配电设备

图5是设备内置有电磁隔离保护装置、电源切换装置、并网输出断路器、独立输出断路器等单元部件。当外电网或者太阳能发电设备侧有高电压脉冲或高频谐波干扰时，通过内置的电磁隔离保护装置能够将干扰降低到最低水平，从而保证整个系统的安全运行。当线路中有短路情况发生时，回路中的断路器能够迅速切断故障回路，缩小事故范围。

3.3.5 蓄电池组

蓄电池组是并联型光伏发电系统的重要组成部分。它的安装地点应设计在运行条件相对较好的地方，因蓄电池的使用受到环境的影响较大，几乎每天都要进行充放电，为保证系统的可靠运行，采用优质的阀控式密封铅酸蓄电池，它适合于深放电和每日的循环。并在市电电网停电的条件下也能向负荷提供所需的储备容量。

3.3.6 计算机数据采集装置

该装置是采用全中文计量软件来进行数据采集，通过RS485接口连接到功率调节器，并将所采集的数据进行相应的处理，形成图形显示界面和数据表格形式，计算统计每天、每月、每年的各种参数的分项数据和汇总数据，也可以形成实时数据发电曲线图表的形式进行存储，所有数据全部存储到计算机硬盘专用的文件夹内，通过计算机可以调出以前任何一天的运行数据。

计算机数据采集装置开放通信端口（如图6所示），可远传数据给信息控制监控中心，对独立型并网太阳能发电系统数据进行实时监控。

3.3.7 太阳能显示展板

显示展板安装在室内或室外，能够为人们展示太阳能发电系统的发电参数数据如系统发电功率、日发电量、总发电量等数据。并能够提供系统的发电原理简图和一些环保说明的文字（例如安装太阳能发电系统后CO2的减排量、燃油节省量、环境绿化贡献量）等，充分体现了环保、节能、减排的现代化意识和色彩。

4 结束语

绿色能源和可持续发展问题是21世纪人类所面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种具有替代作用的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着太阳能产业化进程推进和技术发展的进步，它的转换效率、性价比将得到提高，光伏建筑照明一体化在各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动中国“绿色照明工程”的快速发展。