屋顶太阳能光伏的高效应用
关键词：高效非逆变；屋顶光伏；直流；低压；直通；建筑个性化
屋顶光伏的高效应用一直是光伏应用领域的重要研究课题。最早的光伏应用多采用电站的方式。屋顶电站是将规模化的电站搬到了空闲屋顶上。由于大部分建筑屋顶面积有限，不具有规模化、转换效率低等问题，使早期很多屋顶电站大多成为了“形象工程”。最早建设位于深圳园博园的1MW屋顶光伏电站(图1),就是在三个不同的楼面上搭建而成。早期的光伏电站，采用高压并网，对网电有一定影响。
屋顶光伏发电经过多年的发展取得了一定的进步，由分布式屋顶光伏逆变上网，逐渐演变到采用屋顶光伏自发自用方式，提高了光伏应用的市场化率。随着光伏产业的规模化发展，光伏组件的标准化生产，屋顶建筑的个性化和屋顶光伏的标准化之间必然形成差异，其结果是以牺牲光伏应用效率为代价。
1 高效非逆变技术的优势
1.1 低压直流减少损耗
高效非逆变技术是指屋顶光伏采用直流模式、低压制式；光伏发电和负载、储能相匹配的个性化设计等系统性技术。与逆变的屋顶电站不同，高效非逆变技术采用的是低压直流，光伏电直接给直流负载提供电能。逆变电站采用高压传输；变压器内的分布式自发自用，也需串联至360V的电压；采用20～22块24V的光伏板串联，串联后光伏组开路电压最高可达1000V电压。因此，对于光伏孤岛效应的避让是目前光伏安装中首要的安全要素。安全设计的断电保护也是以降低效率为代价的。
实践中我们不难发现，光伏板由于生产过程的工艺繁多，其电压、电流、功率一致性很难达到理想要求。如美国SUNPOWER（被行业称之最为高效组件之一）的背接式组件，其参数表也是按照每块电池板逐一编号注明参数的，还不包括用肉眼即可看出电池板表面的色差。所以，如果按照规范的电池组件搭构逆变的屋顶电站，即使是自发自用的分布式光伏应用，仅是光伏板的串联，不一致性导致的组件损耗至少在10%以上。
高效非逆变技术主要应用于建筑内部的直流照明负载。直流照明如不作整流，本身并不需按照市电电压制式，无需进行22块72串组件串联成高压。一般用于在12V负载可以即发即用。所以12V 的光伏板直接给负载供电很容易实现。但是如果设计功率大一些，可以设计为24V、36V、48V（安全电压以内）等。普通的照明负载功率并不要求很大。减少了串联损耗，才真正实现光伏高效的自发自用和即发即用。
1.2 负载电压制式设计
电池片因为制造工艺存在一定的差异，所以串联越多，损耗有可能越大。现在的封装工艺多已采用机器人进行封装。但电池片的色差情况，却在所难免。色差导致光伏板对光子吸收的频率差异，从而使效率有所损失。对于单晶硅板的规模封装，大都采用72片串。高效非逆变技术则不同，可根据建筑特点“量体裁衣”式，不用设计成800～1000V的开路电压。按照负载电压制式设计，直流的负载电压，一般为12V或24V，光伏板的开路电压设计为21V或42V；大大减少了光伏电池串联损耗。
1.3 依据建筑个性定制自有规范
高效非逆变虽然是依据建筑个性化设计，但是考虑到生产的成本，也制定了自有的规范化。可采用36串、32串或28串单晶硅电池板。如住建部大院内的建筑节能项目（图2），采用的是32片串的光伏电池板。项目是1万平米的地下车库照明面积，屋顶光伏组件设计了80m2的屋顶面积，安装了12kWp背接式光伏高效单晶硅。该项目已经正常使用了9年，目前依然非常节能和可靠。
图21.4 缩小风荷载提高安全性
高效非逆变的屋顶光伏，采用36片或32片的组件，比起分布式逆变光伏电站在风荷载设计上要少很多，也安全很多。72片（156×156）的组件，每块面积约为1.8m 2。而高效单晶硅组件，36片或32片只有不到0.9m2的面积，风压量不到逆变技术的1/2，对于屋顶光伏而言，建筑屋顶光伏风荷载安全计算以及防范非常重要，成本影响也很大。
2高效非逆变才是真正的屋顶光伏自发自用
2.1 实现建筑内的自发自用
将光伏定位于能源应用的拾遗补缺或者补充，是高效非逆变技术的出发点。比如光伏是直流发电，将光伏的直流电直接应用直流负载是高效非逆变的主要技术依据。将光伏的发电全部和优先完全使用，才是高效非逆变技术的核心目的。
2.2 适用于高层为主的城市建筑
中国地少人多，屋顶资源非常有限。在有限的建筑屋顶上构建光伏电站，存在很大的弊端。首先是屋顶面积有限，无法形成规模的光伏逆变上网；其次是光伏的转换效率很低；加上风荷载要求、光伏的高压传输以及孤岛效应等方面，都制约着光伏屋顶电站的实际应用。从实践来看，尽管国家不断推出各项奖励措施来发展屋顶电站，但是10年来，政府的光伏鼓励政策在不停变化，说明了这种模式还需待于不断创新。高效非逆变应用，虽不像逆变电站那样享受政府的诸如光伏电站规模、“金太阳”、发电量等各种补贴，但它在建筑节能的实际应用中，被广泛认为是实用安全稳定经济的技术而拥有市场。
2.3 高效非逆光伏的应用领域及效益
高效非逆变光伏发电目前主要应于建筑的地下车库、楼道，以及建筑智能化和监控用电，这些负载用电大都是直流低压。高效非逆变光伏系统配合高效的光伏专用蓄电池，在设计上，光伏发电直接为负载提供电力，多余的光伏电力向专用的蓄电池蓄能。优先使用光伏电，市电作为阴雨天和光伏蓄电池不足时的应急补充。效率提高主要是将光伏电全部用光，光伏发电也不因逆变、转换或者其它间接因素而损失。
以深圳市民中心项目（图4）为例，该项目设计的光伏规模为120kWp，采用高效非逆变技术，光伏发电直接给10万m2（可停车2598辆）的地下车库LED照明提供电力。以节电替换传统电力消耗，每年节电超过120万kWh。如果项目采用的是逆变电站发电上网，相同规模的光伏，年发电量约为15万kWh。前者是后者效率的8倍。该高效非逆变项目已经稳定运行了6年，采用的是合同能源管理的投资模式，由第三方机构进行节能评价和检测，技术上具有很强的竞争力。
3高效非逆变光伏应用亟待解决的问题
图3 超高层深圳康佳研发大厦的高效非逆变光伏加储能的屋顶光伏项目3.1 需要国家政策支持
采用逆变的屋顶电站技术方法简单，容易形成规模化、成套化，是光伏电池生产厂家极力要求推广的。因此，国家对光伏的补贴政策基于对电池厂家扶持而有所倾斜。高效非逆变针对屋顶特点“量体裁衣”设计光伏，技术相对复杂。尤其对于高层建筑，还需考虑压降问题，设计要求较高。对于大面积的屋顶，如果可以形成规模化的光伏发电，采用逆变电站技术，简单易行。还可以获得政府用电补贴，尤其是城市商业用电电费较高的，具有一定经济效益。但是，现实中城市的屋顶资源紧缺，可供光伏电站项目屋顶少之又少，不少强制性的光伏电站成为“形象工程”。高效非逆变技术，可以针对各种不同的屋顶，采用个性化设计，但单个项目所消化的光伏电池要减少很多。
高效非逆变技术是集发电、用电、蓄能一体化设计的。这种模式目前很难享受到政府光伏发电补贴。如2011年深圳均益安联公司承建的深圳华侨城欢乐海岸PV-LED项目总投资为1000万元，政府部门仅对华侨城建筑节能补贴了150万元。
3.2 现有建筑节能设计标准不匹配
根据近期出台的国家关于建筑节能的设计要求，规定了按照光伏发电量和建筑用电量的比例进行计量评分，这个规定用于建筑节能评分也不尽合理。光伏发电属于新能源应用，进入建筑节能，不应单方面考核光伏的发电量。如采用高效非逆变技术，通过新能源应用，减少了建筑上传统耗电量才属于真正的建筑节能。高效非逆变技术应用在建筑领域，已经成功地运行了10年，且在没有光伏政策补贴的情形下，越来越多的客户选择了高效非逆变技术，并领略到高效非逆变光伏应用的优势。
随着城市智能化、智慧城市应用的兴起，采用高效非逆变光伏应用，已经不再局限于PV-LED的地下车库、楼道照明。光伏发电智能系统加入建筑智能化系统，监控系统等直流应用，使得光伏直流应用更加贴合现代建筑的需求。
3.3 尚未列入国家消防产品标准
直流的光伏发电，光伏电不再向网电馈电，形成了独立于市电之外的低压直流供电，系统还备有蓄能装置。可作为真正意义上建筑的应急电源。技术可行、功能具备，但一直没有被列入国家的消防产品标准，影响了屋顶光伏发电市场的应用。
图4参考文献
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