1发电系统
1.1能源选择
能源是人类社会存在和发展的基础，目前为人类所用的能源主要是煤、石油、天然气等化石能源，而这些化石能源储量是有限的，且使用会造成严重的污染。太阳能、风能、潮汐能、地热能等各种清洁可再生能源成为能源的发展方向。在本设计方案中，独立的建筑物能使用的新能源包括太阳能、风能、沼气等。太阳能和风能的稳定性较差，能量密度低，受地理位置、季节变化、昼夜交替等因素影响较大。通常太阳能和风能在时间和地域上都有一定的互补性：当阳光强时风力较小，阳光弱时由于地表温差变大而使风力加强，因此采用风光互补型发电系统是最有效的供能方式。
1.2风、光互补发电系统
1.2.1风力发电机组
风力发电机组是将风能转换成电能的机械装置。其基本原理是利用一个风力机械装置来吸收风的动能，再利用发电机将风的动能转化为电能。本设计方案中使用小型水平轴风力发电机组，将发电机产生的交流电通过AC/DC变换为恒定的直流电输送给控制器。风力发电机的工作条件比较恶劣，风速的大小和风向都不确定，极端时可能引起发电机的严重过载，所以需要对发电机进行控制，使其能够安全运行和停机。风力发电机的风速功率曲线，表示风力发电机的运行特性。当风速小于启动风速时，风轮未能获得足够的能量而不能启动；风速达到启动风速后，风轮开始转动，带动电机发电，输出电能；在额定风速以下，风机输出功率随风速的增大迅速增长；当风速达到额定风速时，风机达到额定功率；风速在额定风速和截止风速之间时，风力发电机通过机械限速机构使电机保持在额定转速下转动，输出额定功率；当风速达到截止风速时，风机采取紧急制动措施刹车，输出功率为零，以保证风力发电机不至于损坏。
1.2.2太阳能发电装置
太阳能发电系统采用光伏发电方式，利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能，使用的主要元件是太阳能电池。在有光照情况下，电池两端产生电压，即产生“光生电压”，将多个电池串联后组成太阳能电池方阵提供电能。MPPT控制：在一定温度和光照下，光伏电池的输出电压和功率曲线，具有唯一的最大功率点。温度、光照等是影响光伏电池输出功率的因素，实际应用中采用最大功率跟踪（MPPT）迅速准确地跟踪太阳能电池阵列的最大功率点，使电池始终工作在最大功率点，太阳能得到充分利用。在实际应用中采用多支路并联工作方式，若某个电池组件受到损坏，只会影响到该组光伏电池，其他组不受影响。并联各支路各自独立实现MPPT控制，最大限度地利用太阳能。
1.2.3储能设备
由于太阳能和风能不稳定，在发电系统中需要有蓄电设备以平衡能量的供给和使用。目前所用的储能设备有各种化学电池、新型燃料电池及超级电容等。燃料电池成本较高；一般铅酸电池储能量大，但功率密度较低；超级电容作为储能器件可实现能量密度和功率密度的有机结合，但就目前的发展状况，超级电容能量密度只有铅酸电池的20%。因此，本设计方案中采用超级电容与铅酸电池混合储能的方式，可综合利用铅酸电池能量密度高和超级电容功率密度高的优点。超级电容与铅酸蓄电池并联储能方式，由风光互补控制器控制其充放电方式。在蓄电池和超级电容之间配置一电感器，电感器的作用是对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减少内部发热和能量损耗。
1.2.4风光互补发电系统
综合以上发电及储电设备的分析。系统分为3个环节：能量产生环节、能量储存环节和能量使用环节。其中，能量的产生环节包括光伏发电装置和风力发电机两部分，它们分别将风能和太阳能转化为高品质的电能，然后通过风电互补专用控制器进行并网；能量的存储环节为超级电容和蓄电池混合储能装置，它们作为一个整体，替代了传统风光蓄互补发电系统中的蓄电池，储存能量大且能提供瞬时大功率，在整个发电系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量使用环节就是各种用电负载，将发电装置提供的直流电能通过逆变器转换为可供用户使用的220V50Hz交流电。在实际应用中，需根据各方面因素来确定风光互补系统的配置。对普通住宅用户而言，每个月的用电量一般在300kWh以下，发电系统平均每天应发出不低于10kWh的电能以满足用户的需求，通常风电与太阳能发电按3∶1计算；在一般晴朗天气下，太阳能与风能日有效时间可分别取7h与10h；用户的瞬时用电负载功率最大取2kW。若用电负荷过大（如夏季空调耗电较大）或出现特殊天气（阴雨无风），此发电系统无法满足用户的用电需求，则可从电网中获取电能，系统设计中，采用并网控制方式，当系统提供能量不足时，将负载切换至电网，由电网供能。根据以上需求和市场上现有的各种设备的规格，可选用以下配置：a.1kW风力发电机1台，输出电压48V，尽量选用低风速启动性好，性能稳定的产品，成本5000元左右。b.60Wp单晶硅太阳电池组件8块，输出电压48V，成本大约为400×8元。c.风光互补控制器1台，规格为3kW48V，成本约2000元。d.3kW风光互补系统专用逆变器一台，可满足用户的瞬时负载最大功率，其输入为DC48V，输出AC220V50Hz，成本4500元左右。e.48V400Ah超级电容、蓄电池组，考虑到蓄电池及逆变器效率，放电率按50%计算，总的放电量可达9kWh，能够满足系统的需要，蓄电池成本在4000元左右。在一般天气情况下，若风力发电机与太阳能电池板发电均按照净发电量计算，每天可发电13kWh，考虑到控制器及逆变器的效率及损耗，按80%可用能量计算每天可得10.4kWh电量，基本可以满足用户日常需求。若出现其他情况，则可将负载切换至电网供电。
2配电及保护系统
在建筑的配电方面需考虑多方面的因素，包括供电的可靠性，线路和设备的过电压、过电流保护，电子设备和系统的电磁兼容、接地保护和防雷保护等。
2.1线路结构
在本设计中，因发电系统与用电设备距离很近，可直接从发电系统获得家用电源，输电线路短，结构也简单，可大大减少变配电系统投资。电源接入负载的线路结构图。电路工作在选择性保护方式，即QA1的动作延时时间大于各支路断路器，可保证某一支路出问题时只断开该支路，不影响其他负载。
2.2系统保护
建筑物中以计算机为代表的各种电子设备目前被广泛应用，给人们生活带来了极大方便，但如果这些设备不采取必要的保护措施，极易受到雷电、电磁波、谐波的影响。为确保设备的安全可靠，需采取适当的电磁兼容措施和雷电防护措施。电磁干扰主要包括建筑物内电子设备间的干扰，电子设备与供电系统间的干扰，以及各种信号线、导体、雷击等的干扰。在系统的保护方面，可以采取两种措施：接地和屏蔽。接地：接地保护措施包括设备金属外壳接地、信号线及屏蔽电缆的接地，可采用混合接地方式，将所有的电源地与所有的信号地分别汇总，然后把总的电源地与信号地接入公共参考地。此外，在建筑物建造时可将建筑结构中的钢筋、管道等金属构建连为一体，组成具有多层屏蔽的防雷体系，在房顶用接闪器组合形成网格型的避雷带，与建筑内部的金属网连接之后接地，在建筑物内形成等电位体，可有效地防雷及减小各种外部干扰。屏蔽：建筑笼形金属网结构可以很好地隔断建筑的外部干扰，在建筑物内部也可采取多种措施来减小电磁干扰，如在墙面上粘贴金属箔，天花板内侧粘贴延伸金属，地板采取简易双重地板下的磁屏蔽贴板，窗可使用电磁屏蔽玻璃等，这样可以减小建筑内部设备间的相互干扰。
3成本预算
根据以上设计方案，发电系统各设备投资约2~3万元，加上系统走线、配电设备、断路器、开关等器件以及避雷针等，整个电气系统的投资大概在5万元以内。
4结语
本文为使用新能源达到自给自足的独立建筑电力系统的设计方案。文中简要介绍了该系统各部分的原理及组成结构，在实际应用中还需考虑到各方面的因素，根据实际情况灵活运用，以达到高效、节能、环保、价廉等目的。
作者：陈俊佑 罗武 许春生 单位：同济大学建筑设计集团上海同济开元建筑设计有限公司
