微逆變器在建筑集成光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，促使各國紛紛開發(fā)新型可再生能源。太陽能具有取之不盡用之不竭、清潔無污染、不受地域限制等優(yōu)點，大力發(fā)展和推進太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是解決當前能源和環(huán)境危機的有效手段。
建筑集成光伏（BIPV）系統(tǒng)通過將光伏組件安裝在建筑表面，實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電與建筑的完美結(jié)合，被認為是最先進、最具發(fā)展?jié)摿Φ母呖萍季G色節(jié)能建筑。BIPV系統(tǒng)中光伏組件與建筑相結(jié)合，光伏組件不額外占用地面空間，特別適合于土地資源緊張的城市建筑；全球建筑物自身耗能約占世界總能耗的三分之一以上，采用BIPV技術(shù)，可以將建筑物從耗能型轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄?，將有效緩解城市反?zhàn)與能源供應(yīng)的巨大矛盾，創(chuàng)造低能耗、高舒適度的健康居住環(huán)境，實現(xiàn)城市建筑的可持續(xù)發(fā)展；另一方面，目前光伏組件的生產(chǎn)成本較高，太陽能光伏發(fā)電的成本遠遠高于常規(guī)能源，大大限制了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，采用BIPV系統(tǒng)，將光伏組件與建筑表面材料有機結(jié)合，可以大大降低光伏發(fā)電的成本，縮短投資回報周期。
BIPV系統(tǒng)中，光伏組件的安裝首先涉及到光伏組件的安裝角度和安裝方向問題，安裝角度就是光伏組件的傾角問題，傾角的選擇直接關(guān)系到光伏組件的發(fā)電效率。同一塊電池板，選擇不同的安裝角度接收到的輻射量是不一樣的，由于各個墻面朝向的問題，不同安裝位置的光伏組件其安裝角度和方向不可能完全一致，這就決定了其發(fā)電效率、發(fā)電的瞬時功率無法保證完全一致。
BIPV系統(tǒng)中需要解決的另一個關(guān)鍵問題是陰影遮擋問題。產(chǎn)生陰影的原因是多種多樣的，陰影的產(chǎn)生有隨機的，也有系統(tǒng)的。陰影主要來自于周圍建筑物、樹木的遮擋、各個光伏組件之間的相互遮擋、云層等。光伏組件的輸出特性決定了受到局部遮擋或陰影后，其發(fā)電效率將會大大減小，從而對整個系統(tǒng)的發(fā)電量產(chǎn)生顯著影響。
為了使BIPV系統(tǒng)的發(fā)電效率最大化，除了在安裝時盡量做好規(guī)劃設(shè)計外，還需要采用合適的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖1為目前BIPV系統(tǒng)中常用的電氣結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，集中式系統(tǒng)首先根據(jù)設(shè)計的電壓和功率等級，把大量光伏組件通過串聯(lián)或并聯(lián)等方式連接起來，然后經(jīng)過一個集中式逆變器將光伏陣列輸出的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能；串式和多串式系統(tǒng)將多個光伏組件串聯(lián)形成光伏組件串，每個串經(jīng)過一個DC-DC變換器升壓后，再經(jīng)逆變器輸出交流電能。上述三種系統(tǒng)中，均存在光伏組件的串聯(lián)或并聯(lián)，系統(tǒng)的最大功率點跟蹤時針對整個串進行的，因此無法保證每個組件均運行在最大功率點，也無法獲得每個光伏組件的狀態(tài)信息；另一方面，由于建筑表面各個組件的安裝方向和角度不同，各個組件的發(fā)電效率彼此各不相同，采用集中式的最大功率點跟蹤，將大大降低系統(tǒng)的發(fā)電效率；當部分組件受到遮擋時，整個系統(tǒng)的發(fā)電效率更會嚴重降低，大大降低了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，甚至可能形成熱斑，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

圖1 建筑集成光伏系統(tǒng)常用電氣結(jié)構(gòu)連接圖
微逆變器技術(shù)提出將逆變器直接與單個光伏組件集成，為每個光伏組件單獨配備一個具備交直流轉(zhuǎn)換功能和最大功率點跟蹤功能的逆變器模塊，將光伏組件發(fā)出的電能直接轉(zhuǎn)換成交流電能供交流負載使用或傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。采用微逆變器取代傳統(tǒng)的集中式逆變器具有以下優(yōu)點： (1)保證每個組件均運行在最大功率點，具有很強的抗局部陰影能力；(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計、實現(xiàn)即插即用和熱插拔，系統(tǒng)擴展簡單方便；(3)并網(wǎng)逆變器基本不獨立占用安裝空間，分布式安裝便于配置，能夠充分利用空間和適應(yīng)不同安裝方向和角度的應(yīng)用；(4)系統(tǒng)冗余度高、可靠性高，單個模塊失效不會對整個系統(tǒng)造成影響。因此，將微逆變器應(yīng)用于BIPV系統(tǒng)可以完全適應(yīng)建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用需求，適應(yīng)不同光伏組件安裝角度和方位，避免局部陰影對系統(tǒng)發(fā)電效率產(chǎn)生的影響，實現(xiàn)BIPV系統(tǒng)發(fā)電效率的最大化。采用微逆變器的建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)用微逆變器的建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖2所示，微逆變器直接與光伏組件相連，將光伏組件發(fā)出的電能直接傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或供本地負載使用，多個微逆變器直接并聯(lián)接入電網(wǎng)，各個微逆變器和光伏組件之間相互沒有任何影響，單個模塊失效也不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
將微逆變器技術(shù)與電力線載波通信技術(shù)相結(jié)合，通過電網(wǎng)交流母線就可以采集各個微逆變器和光伏組件的輸出功率和狀態(tài)信息，很方便的實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控，同時不需要額外的通信線路，對系統(tǒng)連線沒有任何負擔，極大的簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電應(yīng)用極具發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用方向，而傳統(tǒng)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用需求，采用微逆變器技術(shù)可以完全適應(yīng)建筑集成光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用需求，實現(xiàn)發(fā)電效率的最大化。