【干货】MLPE组件级电力电子技术打造新型符合建筑材料标准的BIPV系统

根据中国光伏行业协会光电建筑专委会的统计数据显示,2020年全年,我国主要光电建筑产品生产企业BIPV总装机容量约709兆瓦。当前我国光电建筑应用面积占既有建筑的比例仅约1%,且多以工商业屋顶应用为主,应用拓展潜力较大。
MLPE组件级电力电子技术助力构建新型BIPV系统,其应用具有诸多优势:从根源上解决光伏系统存在的直流高压问题、大幅度提升系统发电量、降低系统运维成本、节省2次彩钢瓦维修更换费用、承载力卓越方便系统检修维护等

主要应用场景

(1)工业园区、工厂等彩钢瓦屋面、混凝土屋面;学校教学楼、宿舍、大型写字楼等屋顶;

(2)对于老屋顶,可以同时解决旧屋顶漏水,翻修影响厂房内的生产等问题,适用于承重较差的工业旧厂房;

(3)对于在建建筑,可直接替代传统屋顶,从而实现节约两次屋顶翻修费用。

节省2次彩钢瓦维修更换费用

在屋顶安装传统BAPV系统时,必须预留出检修通道,如下图表一传统BAPV案例,所以无法实现防水功能,也无法完全实现建筑室内降温的目标。传统BAPV系统不能真正代替屋面,需要先铺设彩钢瓦防水,彩钢瓦的寿命为10-15年左右,由于环境污染、雾霾、酸雨等加剧,10年左右即锈蚀,造成漏水,影响企业正常生产。QQ图片20210318111427图表 1 传统BAPV案例

而新型BIPV系统符合建筑材料标准,融合了建筑和光伏双重功能,采用国标工业二级防水屋顶结构性防水设计,达到工业级防水等级II级。具有高安全性、防火、防水、防潮、耐候、承重等优势,可替换彩钢瓦直接做为屋面材料使用,确保屋面25年不漏水。新型BIPV案例如图表二。 QQ图片20210318111435

图表2 新型BIPV案例

无直流高压 安全性高

传统BAPV系统中,组件和组件正负正负串联,直流回路中存在600-1000V的直流高压,直流高压容易拉弧,而直流拉弧,不同于交流拉弧,不会自熄灭,容易引发明火,同时伴随着4000度的高温,在此高温下,钢结构软化,墙体开裂,玻璃融化,造成建筑起火和坍塌。传统BAPV系统电气示意图如下:

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图表3 传统BAPV系统电气示意图

只要有阳光辐射,即使切断交流开关,直流回路中依然存在600-1000V的直流高压,无法关断直流高压,存在灭火风险或无法灭火,如下图表4所示。如果老百姓或消防人员采取灭火措施,比如用水,会对他们的生命造成伤害。所以我们会看到光伏电站起火现场的一个重要特点:非常惨烈!

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图表4 传统BAPV系统存在灭火风险的电气示意图

采用微型逆变器的新型BIPV系统,把安全做到极致,如下图表5。1台昱能QS1微逆,有4个直流端口,可以分别接一块或2块并联的组件,系统运行时,直流电压在120伏以下,从而消除了直流拉弧隐患和灭火的风险图片

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图表5 新型BIPV系统电气示意图

组件级别监控 运维成本低

光伏电站在运营中,不可避免存在由于隐裂、鸟粪、灰泥、遮挡、阴影等因素,引起个别组件输出功率严重下降。传统BAPV系统中,由于光伏板串并联成方阵,所以个别组件的输出功率下降会被二次放大,造成整个方阵的发电量下降,甚至下降到标称功率的50%以下,维护人员也无法通过监控或肉眼来判断是哪个位置的组件输出功率下降严重,因此维护人员必须立刻到达现场,并测试每块组件的输出功率(如果组串逆变器可以定位故障串的话,至少需要逐一测试该串的组件)。由此我们不难看出,传统BAPV系统在后期的运维中,对时效性要求很高,运维费时费力,成本很高,必须雇佣专职的电气工程师运维。

而新型BIPV系统,具有组件级优化和监控,可以远程监控每块光伏板的瞬时输出功率,可准确定位输出功率严重下降的光伏板,通过EMA监控平台,轻松知道是屋顶上第几排第几列的光伏板需要更换或清洁,如下图表6所示。这大大降低了运维交通费用和对运维人员专业知识的要求。

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图表6 昱能微逆光伏系统远程定位光伏板

由于微逆针对每块光伏板有独立的MPPT功能,所以当一块光伏板输出功率严重下降时,不会影响其他光伏板的发电,在几百块光伏板的光伏电站中,个别组件的输出功率下降,对光伏系统的收益影响微乎其微,这大大降低了运维的时效性要求,运维人员可以择机去现场定向更换或除尘。

由此,新型BIPV系统,不仅可以远程定位故障组件,运维的时效性要求低,对运维人员的专业技能要求低,大大降低了运维成本,至少减少50%运维成本

无短板效应 发电量高

安装于屋顶的光伏电站,不可避免存在遮挡、衰减、阴影、灰尘、泥泞、鸟粪等因素,造成个别组件功率严重下降。传统BAPV系统中,大约22块光伏板相互串联后接入组串逆变器的直流输入端,其中一块光伏板的失效或功率下降,会大大的拉低一串组件的功率输出。这是因为当光伏板被遮挡时,输出电压几乎变化不大,而输出电流大幅下降,由于光伏板之间是串联在一起,其他正常组件的输出电流被限制,这就是我们提到的短板效应。

而新型BIPV系统采用微型逆变器,光伏板之间不进行任何串并联,微型逆变器针对每块光伏板有独立MPPT,保证每块光伏板以最大功率输出,当其中某一块光伏板输出功率严重下降时,不影响其他光伏板的最大功率输出。

如下图河北的案例,采用36块405瓦双面组件和9台QS1微型逆变器,从以下图表7可知,此时系统总输出功率为10348W。假如采用2路MPPT组串逆变器,系统功率估算为8532W。可见采用微型逆变器,光伏电站的瞬时功率提升了21.28%

 

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图表7 河北双面组件和微型逆变器案例

根据光伏电站大数据显示,在25年生命周期内,新型BIPV系统可比传统BIPV系统平均多发电15%左右。
 

卓越的承载力 方便系统运维

有的业主选择安装传统BAPV系统时,为了避免彩钢瓦生锈更换和达到防水的目的,不再预留检修通道,用BAPV系统铺满整个厂房屋面,防水要通过打密封胶、装防水条、配套排水结构来实现。

这样安装的BAPV系统,为后期的运维埋下祸根,由于没有预留检修通道,光伏电站运维时,维修人员只能踩踏光伏板。大家都知道BAPV的光伏板为普通光伏板,光伏板内部封装的是极为脆弱的电池片,电池片超级薄,厚度一般在180μm左右,其0.2毫米厚有机材料背板,不耐破坏。人为的踩踏可能不会造成肉眼可见的破损,但是会造成电池片的隐裂。从而降低发电效率、影响寿命甚至导致光伏组件直接报废。在第三方试验中,用EL测试仪观察被踩踏的组件,见图表8,电池片碎片现象很严重。

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图表8 组件踩踏造成电池片破碎

而光伏电站对灰尘很敏感,需要定期清洗屋面即运维人员需要上屋面,否则会大大降低投资回报,同时屋面光伏板有破碎损坏时,必须及时安排运维人员上屋面拆除更换,否则易发生高压漏电或着火。因此用传统BAPV覆盖整个屋面是非常糟糕的一种选择

而新型BIPV系统,采用全金属钢板的背板设计,正面是玻璃层,中间是复合光伏发电层,经特殊工艺一次成型复合,配套多层金属构造设计,实现了更高的强度和更持久的耐候性能,其重量仅为常规组件的70%左右,但可承重70kg每平方米,安装后1平方米可承重一个成年男子的重量,可以直接上人踩,可抗16级台风。见图表9新型BIPV踩踏案例。

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图表9 新型BIPV系统可上人踩踏

所以新型BIPV系统可很好满足运维人员踩踏运维的需求,同时光伏材料采取大尺度瓦板设计,竖向无边框,无积水侧,抗污能力强,同时具有雨水自洁能力,也可附加屋脊自喷淋自洁功能。

被忽略的重要优势

新型BIPV系统中使用了微型逆变器设备。微型逆变器采用最新半导体技术、灌胶工艺IP67封装,设计使用寿命25年,和组件同寿命,在光伏电站25年生命周期内无须二次投资,减少了投资风险。

在光伏电站运营的第5 – 25年中,当光伏板发生故障、过度衰减等情况时,对于传统BAPV系统,则可能无法采用最新高效率低价光伏板来代替更换。而新型BIPV系统,则可以采用最新技术光伏板,当下最新光伏板可能成本下降50%,效率提升30%(和5年前光伏板比较),更换光伏板后,光伏电站的投资收益反而大大提高。