摘要：光伏发电作为新能源，是国家大力培育和发展的战略性新兴产业。随着国家经济的高速增长，我国的能源消耗也在濒临透支的边缘，电力消费市场正在面临着巨大的挑战，在可持续发展的道路中，再生能源的开发是解决资源紧张的不二法门。本文从光伏发电的基本概念、原理出发，详细介绍了屋顶光伏发电系统的设计原则和组成，通过计算等方式，验证了光伏发电对节省能源、环境保护等所显示的巨大优越性，最后介绍了屋顶光伏发电系统的防雷保护措施和应用情况。
关键词：建筑屋顶；光伏发电；系统
引言
随着化石燃料的不断减少，同时化石燃料的消耗，使得大气中的污染状况也不断的加剧，这就使得人们开始越来越多的研究更加清洁的新生可替代的能源，这些能源能够很好的满足社会发展需要，同时也不会对整个生存环境产生较大的影响。
1光伏发电的概念
1.1光伏发电的定义
光伏发电技术是当今资源匮乏时新起的一种资源利用产业，其技术的基本原理是将太阳能利用专业的技术转化成电能，早在19世纪后期，以太阳能为主的光伏发电就达到了21MW多，而我国也在20世纪的中期对光伏发电的应用做了研究。我国成功的研发出第一个太阳能电池，这是中国在光伏发电领域中自主研发的第一个具有价值意义的太阳能电池，直至20世纪90年代，我国光伏发电的应用进入了快速发展的模式，光伏发电组件的产量也急剧增加，光伏发电作为一个新型的产业，发展至今，其基本的发展路线大致分为两个应用模式。
1.2并网光伏发电
并网光伏发电是将太阳能电池阵列通过转换太阳能，所发出的直流电，然后再通过逆变器转换成交流电能，直接传送到公用电网中，而无需蓄电池进行储能，其原理如图1所示。并网发电成本较低，而且对环境不造成任何污染。此外，并网式光伏发电系统采用的是并网逆变器，其拥有自动相位和电压跟踪装置，能够很好地适应电网的微小电压和相位的波动，不会对电网造成任何影响。当今，国际上90%以上的太阳能系统都已采用并网式发电系统，这也是太阳能发电系统未来发展的主要趋势。并网光伏发电站，包括拥有集中式大型的并网光伏发电站和分散式的小型并网光伏发电站两种，一般都是国家级电站，其主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展；而分散式小型并网光伏发电站，特别是光伏建筑一体化光伏发电站，由于其投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。
1光伏并网发电系统原理图
2光伏发电自动跟踪系统的分类
2.1太阳能光伏自动跟踪系统的定义和特征
根据太阳能光伏自动跟踪系统基本功能，其定义如下：指在太阳有效光照时间内，能使太阳光线始终垂直照射到太阳能光伏组件的阵列面上，使光伏组件在有效光照时间内都能最大限度地获取太阳能的装置系统。该系统的最主要部分通常由控制部件和转动调级部件组成。控制部件的作用是将太阳即时位置坐标参数直接或间接输出给转动调级部件。转动调级部件的主要作用是将控制部件给出的信号经过调级处理或分解后用于驱动光伏组件的阵列面始终与太阳光线垂直。
2.2太阳能光伏自动跟踪系统的控制类型
当前的太阳能光伏自动跟踪系统的控制类型还是比较单一的，根据跟踪的原理的差异性，主要有2种跟踪方式，一种是被动跟踪，即按依据论太阳运动轨迹的跟踪，另外一种是主动跟踪，即采用的光电感应的跟踪方式。太阳运动轨迹跟踪方式对于太阳运动的跟踪，是依据天文算法计算出太阳能光伏系统所在位置任意时刻的太阳高度角和方位角，然后根据系统自身的几何特征，计算出该时刻的跟踪角度。常用的天文算法有美国国家可再生能源实验室（NREL）的SolarPositionAlgorithm（SPA），该算法的不确定达到±0.0003°。自动跟踪系统在计算出跟踪角度后，控制太阳能光伏方阵的驱动系统，将光伏方阵调整到垂直于太阳入射光。该种方式输入参数为光伏方阵的位置和时间，由于是开环系统，当光伏方阵的位置或时间任意一个输入参数错误的时候，自动跟踪系统也会按照计算的错误角度控制驱动系统跟踪。因此该种类型的自动跟踪控制系统，必须要定时校准自身的位置和时间信息。第二种的跟踪方式是采用一种偏差的跟踪，通过某种太阳位置传感器，通常采用光敏传感器，判断当前光伏方阵相对于太阳入射光的偏差方向，主动调节系统的跟踪角度。由于是有太阳位置传感器作为闭环反馈，这种跟踪更为精确。但是该种控制系统受天气的影响较大，由于太阳位置传感器在多云天等太阳直射光分量较少的情况下，难以判断光伏方阵和太阳入射光的偏差方向。另外，由于光敏传感器处在恶劣自然环境中，易受灰尘、积水等因素的影响，使电信号发生变化，导致跟踪信号不稳定。因此更多的跟踪系统会同时结合天文算法的被动模式。目前大多数光伏跟踪控制系统采用的是第一种方式。
3常见居民建筑屋顶结构类型分析与光伏系统经济的估算
3.1常见居民建筑屋顶结构类型分析
城市屋顶光伏利用的可行性由居民建筑屋顶的结构类型所决定，常见的集中普通屋顶类型主要有三类，分别是小区居民楼、坡屋顶以及平屋顶屋面这三种。在小区屋顶使用光伏发电系统，不仅需要征求物业同意，还要征求整个小区居民的同意，因此由于产权和物业管理等方方面面的约束，使得光伏发电系统在小区居民屋顶难以得以很快的推广和建设。从住宅建筑结构类型来看，包括平屋顶和坡屋顶，其中最常见的主要是坡屋顶。基于此，笔者主要从具有明确产权的别墅屋顶方面展开光伏发电系统的经济效益的研究。
3.2光伏系统经济的估算
为了提高本次研究的价值，本文主要针对用户总用电量超过55％的家庭从装机容量为3千瓦和5千瓦的两种普通光伏系统的经济效益着手，结合住宅用电价格和政府的光伏电力补贴政策，从而展开民用光伏发电经济效益分析。在实施光伏经济估计时，需要了解政府在不同地区对光伏发电的补贴额度，如对某一城市的民用光伏发电补贴政策为电力公司补贴上网电量的费用，经由国家和地方政府向使用光伏发电系统个人用户支付可再生能源基金补贴，具体补贴标准包括余电上网和发电量补贴电价两个方面，前者补贴电价0.459元/千瓦时，后者包括国家补贴0.42元/千瓦时，总共补贴20a，政府补贴0.40元/千瓦时，补贴5a。
4屋顶光伏发电系统设计
4.1设计依据及输入资料
在项目前期，需对项目所在地的环境、气象和建筑物特征等设计输入参数尽量准确掌握。在满足相关规范的前提下，结合项目特点和条件进行系统设计。主要设计依据有：《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012），《低压配电设计规范》（GB50054-2011），《光伏并网系统技术要求》（GB/T19939-2005），《光伏发电接入电力系统技术规定》（GB/Z19964-2005），《光伏系统电网接口特性》（GB/T20046-2006）。主要设计输入资料，如项目地的经纬度、海拔、年平均温度、太阳辐射、雷暴日、建筑物的可用屋顶面积及坡度和交通环境等设计条件。
4.2防雷设计
为了避免光伏系统受到雷击损害，系统的防雷设计非常重要。光伏系统的防雷设计主要分为防直击雷和防雷电感应。具体防雷措施有，按防雷等级和要求在屋面敷设接闪带、接闪网。屋顶光伏组件均可靠接地。直流配电箱、交流配电箱、汇线箱等均采取直接外壳接地。光伏瓦方阵电缆进入逆变器，加SPD保护。并网逆变器交流输出侧采用I级SPD保护。
结束语
目前，我国家用光伏太阳能发电系统的市场还不太成熟，无法大规模推广，但是未来十年中，笔者认为，家用光伏太阳能发电系统的市场还是很广阔的，随着2014年下半年，国家各种光伏政策落地，这个行业也将高速发展，而中国光伏太阳能发电市场也将由独立发电系统全面转向为并网式发电系统。
参考文献：
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[2]张臻宇.基于Pvsyst的建筑屋顶并网光伏发电系统设计及效益研究[D].宁夏大学，2016.
[3]徐福圆.基于遥感图像的屋顶面积识别及屋顶光伏容量估计[D].杭州电子科技大学，2016.
论文作者:毕京斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/25
标签：光伏论文; 系统论文; 屋顶论文; 太阳论文; 太阳能论文; 方阵论文; 发电站论文; 《电力设备》2018年第3期论文;