论文部分内容阅读
摘要：本文对民用建筑光伏系统的分类和组成进行了研究，详细分析了光伏电池的分类和优缺点，光伏电池的特性参数和电气特性，储能装置、逆变器的分类和特性参数，分析了民用建筑光伏系统电气设计的原则和内容，研究了光伏系统的设计方法，以充分发挥光伏系统的功能效用，为后续建筑电气的高效使用提供保障。
关键词：民用建筑;光伏系统;电气设计
引言
光伏发电技术是当前时代背景下应用较为广泛的发电技术。在光伏电池的作用下，太阳能能够被直接转化为电能，有助于减少能量在传输过程中发生的损耗。同时，太阳能技术的应用也可以就降低我国的发电成本，实现对无电地区的供电。但由于我国在民用建筑光伏系统的设计研究中存在不足，使得光伏发电技术的发展受到了一定的阻碍，需要相关技术人员加以重视。
1 民用建筑光伏系统的分类与组成
在民用建筑建设中，光伏系统的设立目的在于将太阳能直接转化为可用电能，主要分为独立光伏系统与并网光伏系统两种[1]。而随着科技水平的不断提高，当前的民用建筑在光伏系统的选择中以智能微网光伏系统为主要选择。与其他系统相比，由于该系统连接的电网往往处于独立运行的状态，使得其具备完整的发输配电功能，能够满足电网负载稳定运行的要求。
1.1 独立光伏系统
独立光伏系统主要指未与公共电网相连的系统，主要用于偏远山村、高原沙漠等地区，或部分无电区域，其装机容量往往在几十瓦到几百瓦之间，且供电效果受周边环境影响较大，供电稳定性也难以得到保障[2]。独立光伏系统主要以光伏方阵、储能装置、充放电控制器等设置组成，切当供电形式为交流电时，还需安装逆变器，保证输电工作的有序进行。
如图1所示，光伏电池方阵接受到光照时，其会将太阳能转化为可供负载运行的电能，并将剩余电能储存至蓄电池组等储能装置中，以在无光照的情况下，为负载运行提供电能。
1.2 并网光伏系统
并网光伏系统指与公共电网相连的光伏系统，主要应用于有公用电网的地区。从实际效果来看，并网光伏系统的装机容量较大，供电质量与稳定性都相对较高，且受外界环境因素的影响较小。经过多年研究实践，并网光伏系统的技术发展相对成熟，且在当前行业中的应用也愈发广泛。
如图2所示，并网光伏系统主要由光伏方阵、逆变器等设备组成。当光伏方阵接收到光照时，其产生的电能会通过逆变器转化为与公共电网同频的交流电能。但与独立光伏系统不同，在满足负载运行的电能需求后，系统会将剩余电能输送至公共电网中，以满足其他负载的运行需求[3]。同时，并网光伏系统根据其储能装置类型的不同分为可调度式与不可调度式两种。可调度式系统能够在接受光照时将多余电能储存在储能装置中，以满足公共电网出现异常时系统的运行需要。而不可调度式修通则无法在公共电网出现异常时正常工作。因此，可调度式系统对太阳能的利用更加充分，还能对公用电网进行调峰。但其在使用过程中不仅会受到储能装置本身特性的限制，还存在投资及运行成本高，易在废弃后对环境造成污染等问题，不能大规模使用。不可调度式系统由于以公共电网代替储能装置，使得公共电网的整体性价比更高，适合进行大规模的推广应用。
此外，并网光伏系统根据其并网方式又可以分为逆流系统与非逆流系统两种。其中，逆流系统在接受光照时，系统产生的电能主要用于支持负载运行，待负载运行结束后再将剩余电能传输至公共电网中，并在无光照的情况下由公共电网提供电能;非逆流系统则为在有光照时，系统产生的电能全部传输至负载中，并在无光照的情况下有公共电网负责负载运行的电力支持。
2 民用建筑光伏系统电气设计原则和内容
作为建筑电气设计中的重要内容，技术人员在进行民用建筑光伏系统的电气设计时，应当坚持协调统一的设计原则，保证光伏系统在各环节的设计效果均能与建筑电气设计的整体效果相匹配。当两种设计出现偏差时，应以建筑电气系统的标准为主，对光伏系统的电气设计进行调整，以保障民用建筑电气设计的整体效果。
民用建筑光伏系统电气设计的内容如下：首先，对光伏系统建设地点的地理信息、气候特征等信息进行全面研究，并结合建筑物的使用功能、负载性质等，对光伏系统的类型进行合理选择，并编制相应的系统设计方案[4]。隨后，设计人员需要根据上述信息选择适宜的光伏系统组件，并对光伏方阵的朝向、间距等进行合理设计，以最大化提高光伏方阵的发电效率。其次，技术人员需要对光伏系统装机容量进行计算，并根据装机容量选择适宜的逆变器，再根据逆变器及相关组件的参数计算光伏组件的串并联数[5]。再次，技术人员还需对光伏系统的发电量进行准确计算。而当光伏系统存在储能环节时，还需根据需要完成储能环节的设计。最后，对光伏接电箱、配电柜、线缆等设施进行供配电设计，以便充分发挥光伏系统的作用。
3 民用建筑光伏系统电气设计方式
3.1 光伏方阵设计
在方阵设计开始前，技术人员需要确定建设地点的各项信息，如经纬度、海拔、气候特性等。只有对环境信息有足够的了解，后续太阳能光伏方阵的设计效果才能得到保障。同时，技术人员还需关注太阳能资源条件，如全年太阳辐射总量、年平均日照时间等。这些信息是决定光伏方阵整体朝向、间距等信息的基础，也是设计人员开展方阵设计的重要前提。
首先，技术人员需要明确，光伏方阵的朝向通常以其方位角与组件倾角来确定。其中，方位角指方阵向阳面的法线在水平面上的投影与正南方向的夹角。太阳辐射对方位角的变化十分敏感，一般而言，位于北半球的光伏组件在其方位角为正南时，所接受的太阳辐射量最大[6]。但由于在实际的建设过程中，光伏方阵的朝向常会在不同因素的影响下，无法保持标准的正南设置，这使得在实际的建设过程中，技术人员需将方阵的方位角保持在正南方向±20°左右。在这一区间内，太阳辐射量并不会发生明显的变化，这在高纬度及太阳能资源充沛的区域更加明显。 其次，在光伏方阵运行过程中，不同电池间的相互遮挡现象较为严重，这使得前排组件常会处于后排方阵的阴影中，导致其无法充分接受光照，进而对其发电效率造成了严重的影响。这在屋顶光伏方阵中十分常见。因此，在设计方阵形式的过程中，技术人员的首要任务就是对方阵的最小间距进行准确计算。另外，对具体的设计过程而言，方阵的间距应当比最小间距稍大一些，以便后续光伏组件与电气装置安装工作的展开。
此外，光伏组件在安装过程中可采用固定式、可调节式与自动跟踪式三种方式进行安装。受技术及成本等因素的限制，民用建筑设计中往往采用固定式支架进行安装，其最小间距的计算方式如下：
3.2 供配电设计
3.2.1 光伏接线箱设计
光伏接线箱指将光伏方阵中的所有组件进行有效连接的箱体保护器流断路器、电涌保护其等设施也被安装在箱体中。通过该设备的应用，技术人员能够在对光伏系统进行检查、维护的过程中对电路进行分离、保护，并在光伏系统发生故障的过程中减小停电范围。其中，接线箱内部需设置汇流铜母排和端子，以通过线缆将光伏组件引至汇流母排中，并在母排前后分别设置隔离电器与短路保护电器等，使接线箱得以安全运行。此外，设计人员还需对接线箱的位置进行合理调整，并做好接线箱的防水、防等级措施，保证其防护登记在IP54以上，以便后续操作及检修工作的展开。而带有数据采集或通信功能的接线箱的防护等级应在IP65以上。
3.2.2 光伏配电箱设计
光伏配电箱主要包括直流配电箱与交流配电箱两种。配电箱内部一般设置汇流铜母排，并安装直流断路器、电涌保护器等元件。在室内，配电箱的存放场需保持干燥，且其位置也需便于维护和检修。室外配电箱应具备相应的防水、防腐等措施，防护等级应在IP54以上。
3.2.3 并网配电箱（柜）设计
并网配电箱的主要作用在于将光伏系统与公共电网进行连接，其具备防雷接地、电能计量、隔离、保护等功能。另外，当光伏系统并网完成后，一旦公共电网或系统本身出现故障问题，且两系统间未能及时脱离，就可能对电力系统的整体稳定及人身安全造成重要的影响。因此，技术人员必须在光伏系统与公共电网间安装专门的连接装置与隔离设备。
3.2.4 光伏系统保护设计
光伏系统保护设计的主要内容为防雷与接地保护，其设计人员还需对建筑电气系统设计加以考虑。一般而言，雷击主要分为直击雷与感应雷两种形式。其中，直击雷指雷击与光伏方阵直接接触，使雷电贯穿于光伏发电系统的各個环节，需通过安装避雷针或避雷带等方式完成保护。而感应雷则指在电磁感应或静电感应的影响下产生的雷击现象，主要通过安装电涌保护器等设置进行处理。从实际表现来看，雷电的破坏力相对巨大，不仅会导致设备损害，影响电力系统的正常运行，还会给现场人员的安全带来严重的威胁，引发火灾等重大安全事故。因此，科学合理的防雷设计十分重要。
在接地保护中，设计人员需要明确，接地的首要开展目标在于保障现场人员的安全，避免设备受到损害。在证光伏方阵得接需要保证光伏方阵的接地线与建筑接地系统相联系，连接点应保持在两处以上，且全部的金属设备均需要单独接到接地干线上，而不能在串联后再接到干线上。
结束语
在当前的民用建筑中，光伏发电系统的设计能够有效降低建筑能耗，提高建筑施工单位的经济效益。这不仅有助于节能环保目标的落实，还能为我国可持续发展战略的实施奠定基础。由此，本文对民用建筑光伏系统电气设计进行研究，通过对光伏方阵设计及供配电设计进行分析，提出了相应的设计方案，以便提高电气设计水平，使光伏系统的效用得以充分发挥。
参考文献：
[1]李娟.电气节能技术在绿色建筑中的运用[J].建筑科学，2020，36（11）：161.
[2]李叶茂，郝斌，李雨桐.直流建筑发展驱动力[J].现代建筑电气，2020，11（09）：1-6.
[3]杨亮，庄爽，赵婧. 建筑光伏系统防火性能试验方法研究[A]. 中国消防协会.2019中国消防协会科学技术年会论文集[C].中国消防协会：中国消防协会，2019：6.
[4]胡艳强.会展建筑电气设计探讨[J].建筑电气，2019，38（10）：27-33.
[5]徐伟，张慧慧.公共建筑光伏系统太阳能利用潜力评价[J].重庆大学学报，2021，44（03）：53-62.
[6]张巧杰.建筑光伏系统中升压DC/DC变换器研究[J].现代电子技术，2019，42（17）：100-105+108.
关键词：民用建筑;光伏系统;电气设计
引言
光伏发电技术是当前时代背景下应用较为广泛的发电技术。在光伏电池的作用下，太阳能能够被直接转化为电能，有助于减少能量在传输过程中发生的损耗。同时，太阳能技术的应用也可以就降低我国的发电成本，实现对无电地区的供电。但由于我国在民用建筑光伏系统的设计研究中存在不足，使得光伏发电技术的发展受到了一定的阻碍，需要相关技术人员加以重视。
1 民用建筑光伏系统的分类与组成
在民用建筑建设中，光伏系统的设立目的在于将太阳能直接转化为可用电能，主要分为独立光伏系统与并网光伏系统两种[1]。而随着科技水平的不断提高，当前的民用建筑在光伏系统的选择中以智能微网光伏系统为主要选择。与其他系统相比，由于该系统连接的电网往往处于独立运行的状态，使得其具备完整的发输配电功能，能够满足电网负载稳定运行的要求。
1.1 独立光伏系统
独立光伏系统主要指未与公共电网相连的系统，主要用于偏远山村、高原沙漠等地区，或部分无电区域，其装机容量往往在几十瓦到几百瓦之间，且供电效果受周边环境影响较大，供电稳定性也难以得到保障[2]。独立光伏系统主要以光伏方阵、储能装置、充放电控制器等设置组成，切当供电形式为交流电时，还需安装逆变器，保证输电工作的有序进行。
如图1所示，光伏电池方阵接受到光照时，其会将太阳能转化为可供负载运行的电能，并将剩余电能储存至蓄电池组等储能装置中，以在无光照的情况下，为负载运行提供电能。
1.2 并网光伏系统
并网光伏系统指与公共电网相连的光伏系统，主要应用于有公用电网的地区。从实际效果来看，并网光伏系统的装机容量较大，供电质量与稳定性都相对较高，且受外界环境因素的影响较小。经过多年研究实践，并网光伏系统的技术发展相对成熟，且在当前行业中的应用也愈发广泛。
如图2所示，并网光伏系统主要由光伏方阵、逆变器等设备组成。当光伏方阵接收到光照时，其产生的电能会通过逆变器转化为与公共电网同频的交流电能。但与独立光伏系统不同，在满足负载运行的电能需求后，系统会将剩余电能输送至公共电网中，以满足其他负载的运行需求[3]。同时，并网光伏系统根据其储能装置类型的不同分为可调度式与不可调度式两种。可调度式系统能够在接受光照时将多余电能储存在储能装置中，以满足公共电网出现异常时系统的运行需要。而不可调度式修通则无法在公共电网出现异常时正常工作。因此，可调度式系统对太阳能的利用更加充分，还能对公用电网进行调峰。但其在使用过程中不仅会受到储能装置本身特性的限制，还存在投资及运行成本高，易在废弃后对环境造成污染等问题，不能大规模使用。不可调度式系统由于以公共电网代替储能装置，使得公共电网的整体性价比更高，适合进行大规模的推广应用。
此外，并网光伏系统根据其并网方式又可以分为逆流系统与非逆流系统两种。其中，逆流系统在接受光照时，系统产生的电能主要用于支持负载运行，待负载运行结束后再将剩余电能传输至公共电网中，并在无光照的情况下由公共电网提供电能;非逆流系统则为在有光照时，系统产生的电能全部传输至负载中，并在无光照的情况下有公共电网负责负载运行的电力支持。
2 民用建筑光伏系统电气设计原则和内容
作为建筑电气设计中的重要内容，技术人员在进行民用建筑光伏系统的电气设计时，应当坚持协调统一的设计原则，保证光伏系统在各环节的设计效果均能与建筑电气设计的整体效果相匹配。当两种设计出现偏差时，应以建筑电气系统的标准为主，对光伏系统的电气设计进行调整，以保障民用建筑电气设计的整体效果。
民用建筑光伏系统电气设计的内容如下：首先，对光伏系统建设地点的地理信息、气候特征等信息进行全面研究，并结合建筑物的使用功能、负载性质等，对光伏系统的类型进行合理选择，并编制相应的系统设计方案[4]。隨后，设计人员需要根据上述信息选择适宜的光伏系统组件，并对光伏方阵的朝向、间距等进行合理设计，以最大化提高光伏方阵的发电效率。其次，技术人员需要对光伏系统装机容量进行计算，并根据装机容量选择适宜的逆变器，再根据逆变器及相关组件的参数计算光伏组件的串并联数[5]。再次，技术人员还需对光伏系统的发电量进行准确计算。而当光伏系统存在储能环节时，还需根据需要完成储能环节的设计。最后，对光伏接电箱、配电柜、线缆等设施进行供配电设计，以便充分发挥光伏系统的作用。
3 民用建筑光伏系统电气设计方式
3.1 光伏方阵设计
在方阵设计开始前，技术人员需要确定建设地点的各项信息，如经纬度、海拔、气候特性等。只有对环境信息有足够的了解，后续太阳能光伏方阵的设计效果才能得到保障。同时，技术人员还需关注太阳能资源条件，如全年太阳辐射总量、年平均日照时间等。这些信息是决定光伏方阵整体朝向、间距等信息的基础，也是设计人员开展方阵设计的重要前提。
首先，技术人员需要明确，光伏方阵的朝向通常以其方位角与组件倾角来确定。其中，方位角指方阵向阳面的法线在水平面上的投影与正南方向的夹角。太阳辐射对方位角的变化十分敏感，一般而言，位于北半球的光伏组件在其方位角为正南时，所接受的太阳辐射量最大[6]。但由于在实际的建设过程中，光伏方阵的朝向常会在不同因素的影响下，无法保持标准的正南设置，这使得在实际的建设过程中，技术人员需将方阵的方位角保持在正南方向±20°左右。在这一区间内，太阳辐射量并不会发生明显的变化，这在高纬度及太阳能资源充沛的区域更加明显。 其次，在光伏方阵运行过程中，不同电池间的相互遮挡现象较为严重，这使得前排组件常会处于后排方阵的阴影中，导致其无法充分接受光照，进而对其发电效率造成了严重的影响。这在屋顶光伏方阵中十分常见。因此，在设计方阵形式的过程中，技术人员的首要任务就是对方阵的最小间距进行准确计算。另外，对具体的设计过程而言，方阵的间距应当比最小间距稍大一些，以便后续光伏组件与电气装置安装工作的展开。
此外，光伏组件在安装过程中可采用固定式、可调节式与自动跟踪式三种方式进行安装。受技术及成本等因素的限制，民用建筑设计中往往采用固定式支架进行安装，其最小间距的计算方式如下：
3.2 供配电设计
3.2.1 光伏接线箱设计
光伏接线箱指将光伏方阵中的所有组件进行有效连接的箱体保护器流断路器、电涌保护其等设施也被安装在箱体中。通过该设备的应用，技术人员能够在对光伏系统进行检查、维护的过程中对电路进行分离、保护，并在光伏系统发生故障的过程中减小停电范围。其中，接线箱内部需设置汇流铜母排和端子，以通过线缆将光伏组件引至汇流母排中，并在母排前后分别设置隔离电器与短路保护电器等，使接线箱得以安全运行。此外，设计人员还需对接线箱的位置进行合理调整，并做好接线箱的防水、防等级措施，保证其防护登记在IP54以上，以便后续操作及检修工作的展开。而带有数据采集或通信功能的接线箱的防护等级应在IP65以上。
3.2.2 光伏配电箱设计
光伏配电箱主要包括直流配电箱与交流配电箱两种。配电箱内部一般设置汇流铜母排，并安装直流断路器、电涌保护器等元件。在室内，配电箱的存放场需保持干燥，且其位置也需便于维护和检修。室外配电箱应具备相应的防水、防腐等措施，防护等级应在IP54以上。
3.2.3 并网配电箱（柜）设计
并网配电箱的主要作用在于将光伏系统与公共电网进行连接，其具备防雷接地、电能计量、隔离、保护等功能。另外，当光伏系统并网完成后，一旦公共电网或系统本身出现故障问题，且两系统间未能及时脱离，就可能对电力系统的整体稳定及人身安全造成重要的影响。因此，技术人员必须在光伏系统与公共电网间安装专门的连接装置与隔离设备。
3.2.4 光伏系统保护设计
光伏系统保护设计的主要内容为防雷与接地保护，其设计人员还需对建筑电气系统设计加以考虑。一般而言，雷击主要分为直击雷与感应雷两种形式。其中，直击雷指雷击与光伏方阵直接接触，使雷电贯穿于光伏发电系统的各個环节，需通过安装避雷针或避雷带等方式完成保护。而感应雷则指在电磁感应或静电感应的影响下产生的雷击现象，主要通过安装电涌保护器等设置进行处理。从实际表现来看，雷电的破坏力相对巨大，不仅会导致设备损害，影响电力系统的正常运行，还会给现场人员的安全带来严重的威胁，引发火灾等重大安全事故。因此，科学合理的防雷设计十分重要。
在接地保护中，设计人员需要明确，接地的首要开展目标在于保障现场人员的安全，避免设备受到损害。在证光伏方阵得接需要保证光伏方阵的接地线与建筑接地系统相联系，连接点应保持在两处以上，且全部的金属设备均需要单独接到接地干线上，而不能在串联后再接到干线上。
结束语
在当前的民用建筑中，光伏发电系统的设计能够有效降低建筑能耗，提高建筑施工单位的经济效益。这不仅有助于节能环保目标的落实，还能为我国可持续发展战略的实施奠定基础。由此，本文对民用建筑光伏系统电气设计进行研究，通过对光伏方阵设计及供配电设计进行分析，提出了相应的设计方案，以便提高电气设计水平，使光伏系统的效用得以充分发挥。
参考文献：
[1]李娟.电气节能技术在绿色建筑中的运用[J].建筑科学，2020，36（11）：161.
[2]李叶茂，郝斌，李雨桐.直流建筑发展驱动力[J].现代建筑电气，2020，11（09）：1-6.
[3]杨亮，庄爽，赵婧. 建筑光伏系统防火性能试验方法研究[A]. 中国消防协会.2019中国消防协会科学技术年会论文集[C].中国消防协会：中国消防协会，2019：6.
[4]胡艳强.会展建筑电气设计探讨[J].建筑电气，2019，38（10）：27-33.
[5]徐伟，张慧慧.公共建筑光伏系统太阳能利用潜力评价[J].重庆大学学报，2021，44（03）：53-62.
[6]张巧杰.建筑光伏系统中升压DC/DC变换器研究[J].现代电子技术，2019，42（17）：100-105+108.