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太阳能光伏建筑的一体化简介摘要：本文从太阳能光伏技术应用的现实意义出发，重点分析了光伏建筑一体化(BIPV)的应用特点、相关要求、建筑与结构的设计要点及发电量计算，阐述了光伏技术的应用现状及发展前景前言：能源问题越来越成为世界关注的热点问题，严峻的能源紧张状况已经危及我国未来国民经济安全运行，引起党和国家的高度重视。太阳能的光伏发电技术是利用光电转换的原理让太阳辐射光能通过半导体的媒介转化成电能，从而使能源的运用更加灵活。从长远看，太阳能的光伏发电技术为城市居住建筑提供了更加广阔的前景，但是在初期的投资高、转化的效率低；就目前来看，太阳能的光伏发电技术和建筑物相结合来研究得最多的是建筑的光伏一体系统简称BIPV系统[1]。BIPV将太阳能的发电机组完美地集结在建筑物的屋顶或者墙面上，其工作的原理和普通的光伏发电系统完全一致，唯一的区别在于太阳能的组件既可以被当作系统的发电机，又可以当作建筑物的外墙材料。BIPV系统的发电原理是利用光伏电池的半导体PN结特性，电池片可以吸收阳光将其转成直流电能并输出，将电池封装后成为光伏组件，再将电池组件应用到建筑上，使光伏组件成为光伏建筑的一部分，让光伏组件再结合其它相配套的配电柜、逆变器、变压器等电器设备，便可以输出人们需求的的交流电[2]。近年来，随着中国绿色建筑的小断发展，光伏建筑一体化系统建筑物小断的涌现，但更多只是在地标性工程或示范工程的应用比较广泛，如上海世博会主题馆、高铁上海虹桥站主站楼、深国际园林花卉博览会等等。一、光伏建筑一体化系统建筑设计要求1、一般规定光伏建筑一体化系统中光伏组件与建筑的集成结合方式，有光电屋顶、光电幕墙、光电采光顶和光电遮阳板等。系统设计需结合建筑、结构等相关专业要求，共同确定系统各组成部分在建筑中的安装位置。安装在建筑物上的光伏组件，满足建筑的使用功能及节能要求、结构安全及使用要求、以及电气安全等要求，并配置带电警告标识及电气安全防护设施，以免出现小必要的触电事故。图一、光伏系统组成框图此外，光伏建筑一体化系统规划设计需进行太阳能辐射建筑物、电网等方面的评估。在建筑物上安装该系统小能降低建筑物本身或者是周围相邻建筑物的日照标准;避免周围环境景观、绿化种植及建筑自身的构件投影遮挡投射到光伏组件上的阳光；避免光伏组件对建筑本身或者是周围建筑物群体的二次辐射造成光污染[3]。2、建筑专业设计要求安装光伏组件的建筑部位在冬至日全天日照应小低于3h；并在安装光伏组件的部位采取安全防护措施；满足其所在部位的建筑防水、排水、雨水、隔热及节能等功能要求。除了以上技术要素之外，光伏建筑一体化系统设计另一至关重要是满足建筑的美学要求，介绍如下两点：（1）建筑物的光影效果，普通光伏组件一般为阻挡视线的布纹超白钢化玻璃，现代建筑屋顶或外墙幕墙如安装光伏组件，对采光会有一定的需求，此时可以采用光面超白钢化玻璃，外加电池板背面的采用普通光面钢化玻璃制作双面玻璃组件(节约成本)，即可满足建筑物的功能。（2）光伏组件背面的接线盒及其连接线一般情况下采用明装，容易破坏建筑物的整体协调感，光伏建筑一体化系统中一般将接线盒省去或隐藏起来，此时需考虑旁路二极管保护，可将旁路二极管和所有连接线隐藏在幕墙结构中，同时需做好防雨水侵蚀和防晒措施[4]。3、结构专业设计要求根据光伏建筑一体化系统的类型，对光伏组件的安装结构、支撑光伏系统的主体结构或结构构件及相关连接件进行相应结构设计。结构设计应与工艺和建筑专业相配合，合理确定光伏组成部分在建筑中的位置。光伏建筑结构荷载取值应符合《建筑结构荷载规范》(GB50009-2010)的规定。二、光伏建筑一体化系统的设计原则及步骤光伏建筑一体化系统的设计在收集当地气候参数的基础上，根据建筑物的使用功能、电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定系统为安装型、建材型或构件型。光伏组件的倾角、数量、安装位置及阴影的设计要和建筑物设计同时进行，因其对光伏建筑一体化的外观影响校大，应尽量做到相互平衡、协调、一体化的设计。简单设计步骤如下：（1）设计之前收集当地的太阳能辐射以及温度变化等气象数据，当地气象部门太阳能辐射量一般只有水平面的数据，需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量。（2）建筑设计和电力负荷的确定，决定光伏组件的类型、规格、数量、安装位置、安装方式和可安装面积的场地，同时光伏组件规格及安装面积、安装位置也决定了光伏系统的最大安装容量。（3）系统的直流汇线箱、逆变器、测量和数据采集系统的设计[5]。三、太阳能光电技术在建筑上应用的设计以下我将通过介绍在南京地区应用太阳能光电技术，从系统原理、主要设备技术要求、设备安装位置等方面进一步阐述光伏建筑一体化系统在建筑电气设计中的思路及技术要求。1、系统组成并网光伏发电系统由太阳电池组件及其支架、方阵防雷接线箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、配电保护系统和系统的通讯监控装置组成。2、太阳电池阵列设计（1）太阳电池阵列安装倾角的确定根据现场勘测，安装现场位于北纬33.53°，铺设太阳电池阵列的最佳倾角不应超过该纬度。根据当地的阳光照射条件，每年5～9月是太阳光照射强度最大时间段，日照辐射总量约占全年辐射总量的75％，该时间段的太阳光垂直入射所对应的平均安装倾角约为30°。由于采取并网光伏发电系统，电网作为储能装置，不必像蓄电池那样受到容量的限制，故太阳电池阵列的安装倾角为全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度。综合考虑各因素，安装方式采取光伏组件表面与地面水平方向呈30°的最佳倾角朝阳安装，光伏组件表面的水平方位角为SO°w，即为正南方向。（2）太阳电池组件选型目前工程上应用的太阳电池组件主要为晶体硅电池组件，其中单晶硅太阳电池转换效率最高，多晶硅次之，但实际应用中两者差别较小。由于多晶硅成本较低，比单晶硅应用更多，因此项目采用型号JD一280M、功率为270～290W的多晶硅太阳电池组件，电池片单体光电转换效率约为16％～17％。主要参数见下表。（2）光伏组件串、并联方式设计光伏阵列通过组件串、并联得到，组件的串并联必须满足并网逆变器输入电压和输入功率的要求。系统采用500kW光伏并网逆变器，直流工作电压范围为400～880Vdc。光伏组件为230W的多晶硅组件，其比为36．8V。太阳电池组件串联的组件数量N=880／36．8≈24块，考虑温度变化系数，取20块太阳电池组件串联形成一条支路单元，每条支路单元的串联功率为4．6kWp。系统共计8700块太阳电池组件，实际功率达到2001kWp。太阳电池组件技术参数组件型号JD一280M电池片尺寸／mm1000×760组件尺寸（L×W×H)／mm1640×992×50重量/Kg22Pm/W230Vmp/V30Imp/A7.67Voc/V36.8Isc/A8.343、并网逆变器的选择并网逆变器是并网光伏系统的重要设备，其功能是将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电。系统选用许继柔性输电系统公司自主开发的GBL200—500／380-ST光伏并网逆变器，每台逆变器的额定功率为500kW，均含有隔离并网变压器，实现电气隔离。逆变器的核心控制采用基于SVPWM的无冲击同步并网技术，保证系统输出与电网同频、同相和同幅值。4、光伏方阵直流防雷汇流箱设计汇流箱是光伏发电系统中的重要组成部分，其主要作用是按照一定的串、并联方式将光伏阵列连接到一起，以便对光伏阵列实施监控。考虑到并网系统在安装和使用过程中的安全及可靠性，为减少光伏阵列到逆变器之间的连接线及方便日后维护，需在光伏组件与逆变器之间增加光伏阵列直流汇流箱。系统采用2种汇流箱KBT—PVG一9(9进1出)和KBT—PVG一12(12进1出)，整个并网系统需配置38台直流防震汇流箱。每台汇流籍均配备光伏专用高压防雷器，具备防雷功能。5、直流配电柜设计每台直流配电柜按照500kWp的直流配电单元进行设计，2MWp光伏并网单元需要4台直流配电柜。每个直流配电单元可接入10路光伏方阵防雷汇流箱。每台直流配电柜分别接入1台500kW逆变器。6发电计量系统配置及选用光伏发电设备的计量点通常设在光伏并网逆变器的并网侧，选用的电度表为多功能数字式电度表，具有优越的测量技术及很高的抗干扰能力和可靠性。同时，还提供更灵活的功能：显示电表数据、显示费率、显示损耗、状态信息、报警等。显示的内容、功能和参数可通过光电通讯口用维护软件来修改，通过光电通讯口还可处理报警信号，读取电度表数据。6、数据采集与监控系统设计系统配有完善的通讯监控系统，全面检测环境和系统的状态，将光照强度、环境温度、太阳能板温度、风速等环境变量和系统的电压、电流、相位、功率因数、频率、发电量等系统变量通过RS485传输至控制中心，实现远程监控。光伏发电监控系统由监控设备(in光伏并网逆变器、光照强度传感器、温度传感器、电池检测器等)、本地触摸屏、远程监控中心等组成。利用模拟量采集模块进行数据采集，接入逆变器，通过本地触摸屏来进行操作和数据监视，同时光伏并网逆变器数据由触摸屏的RJ45端口采用Modbus／Tcp协议传到远程监控系统。监控中心将与各设备通讯的数据存入自己的实时数据库，根据通讯速率，动态更新数据。7、系统能效分析按照光伏组件设计寿命为25年，系统平均每年衰减0．8％计，25年衰减不超过20％。考虑光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失，系统总效率按81．6％计，可预测25年运营周期总发电量。首年发电量约为249．2万kWh，25年累计发电量约为5600．6万kWh，年均发电量约为224万kWh。8、节能计算一般发出lKWh电要消耗约0.36kg标准煤，同时产生0．272kg碳粉尘、0．997kg二氧化碳、0．03kg二氧化硫和0．015kg氮氧化合物。系统年均发电量约为2240258kWh，预计每年可节省标准煤806.5t，可减少排放609.4t碳粉尘、233.5t二氧化碳、67.2t二氧化硫和33.6t氮氧化合物[6]。四、太阳能光伏建筑的一体化经济效益分析年产电能Ps=η×H×A×K[7]式中Ps一年产电能（MJ）H一所在地区每m2太阳能与年总辐射能（MJ/m2）A一光电幕墙或屋面面积η一光伏电池效率K一修正参数；K=K1×K2×K3×K4×K5×K6,其中K1一光伏电池长期运行参数，取0.8K2一灰尘引起的透明度参数，取0.9K3一光伏电池升温导致性能下降的参数，取0.9K4一导电损耗修正参数，取0.95图二、部分示范建筑节能与用能平衡示意图K5一逆变器效率参数，取0.85K6一光伏电池列阵朝向和倾角修正系数，本地区取0.93南京地区：H=5016MJ/m2=5016×106J/m2多晶硅η=0.16K=0.8×0.9×0.9×0.95×0.85×0.93=0.487A=424.96×1012/(0.16×5016×106×0.487)=1.09×106m2采用1000mm×760mm光伏电池板，块数=1.09×106/(1.0×0.76)=1.435×106实际面积：1.0×0.76×1.435×106=1.0906×106m2＞1.09×106m2可以满足用电需求。五、太阳能光电技术在其他建筑上的应用1、国家体育馆示范建筑工程实践作为奥运会主场馆之一的国家体育馆，其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙在让人赏心悦目的同时，还隐藏着一座年发电量97000kWh的光伏发电站。这座与国家体育馆集成设计、同步建设的并网光伏电站，就是刚在我国开始起步的建筑光伏集成发电技术真正应用于建筑集成设计施工的标志和范例。国家体育馆幕墙设计独具匠心，采用钢结构、铝型材、玻璃和拉索结合使用，层次分明变化有序，整个幕墙在简洁明快的格调中透露出热情奔放的气息。直面玻璃采用钢化中空Low-E玻璃，最大限度地提高了节能、环保性能。双玻太阳电池方阵由24块双玻太阳电池组成，安装在南坡面玻璃幕墙和屋面，与建筑结合、建筑一体化设计赋予了国家体育馆的屋顶和南坡面玻璃幕墙“环保、节能”的科技概念，使其成为“会发电的屋顶”或“会发电的玻璃幕墙”。国家体育馆金属屋盖体系集吸音、隔音、保温、降