太阳能光伏建筑一体化的分析与设计

技术与应用2011年第7期53太阳能光伏建筑一体化的分析与设计郭海（福建九牧集团有限公司，福建厦门361004）摘要太阳能光伏建筑一体化（BIPV）是新能源的一种利用方式。本文对BIPV发电系统的原理、各组成结构的技术要点和设计方式进行了分析，尤其是对其中的光伏组件的设计过程进行了更深的研究和设计实现。最后分析了设计效益，并展望了发展前景。本设计的原理和方法也是基于厦门市实际数据，从而为BIPV在厦门市乃至海峡两岸的推广，提供了应用方案。关键词：光伏建筑一体化；光伏方阵；逆变器控制器；孤岛效应BIPVAnalyseandDesigningGuoHai(FujianJomooCo.,Ltd,Xiamen,Fujian361004)AbstractItisausefulwayofthenewenergyforthesolarbuilding-intergratedphotovoltaic(BIPV).Thisissuestudiestheprinciple,technologypointanddesignwayforBIPVgenerationsystem,especialinsolarmodule.ThenitanalyzeBIPV’sperformanceanddevelopmenttrendwasforecasted.ItbasedontheactualdatainXiamenfordesignprincipleandmethod,andbeanapplicationcaseforBIPVinXiamenandaross-straits.Keywords：building-intergratedphotovoltaic;photovoltaicarray;inventer;islandeffect;在全球能源日益短缺的今天，开发可再生能源已成为全世界面临的重大课题。而光伏发电，尤其是光伏建筑一体化（BIPV）发电系统，就是利用安装在建筑物或与建筑物结合在一起的太阳能电池（光伏电池）的光电效应，直接把太阳能这种可再生能源的辐射能转变成电能的一种发电方式，它所生成的电能经过与其相配套的逆变控制器的转换，直接满足该建筑的用电需求。如果所生成的电能有富余，则会输送给市政电网，如果电能不够该建筑的使用，则直接从市政电网馈入（如图1所示）。据统计，建筑物能耗至少占世界总能耗的30%，BIPV将是未来光伏发电的昀大市场，太阳能电源系统与建筑物的结合，将使太阳能电源向替代能源过渡，成为世界能源结构中的重要组成部分，从而根本改变太阳能电源在世界能源中的从属地位。图1光伏建筑一体化（BIPV）并网太阳能发电系统原理太阳投向地球的能量资源是无穷大，永不枯竭的，从而使光伏建筑一体化的太阳能发电系统具有诸如清洁并减少温室气体排放、平衡电网负荷、降低电力输送成本等优点。太阳能光伏建筑一体化发电系统通常采用与公共电网并网的形式，包括设计条件、光伏组件设计以及逆变器、配套设备、硬件设施等在内的系统设计。1光伏建筑一体化的设计条件1.1设计步骤光伏建筑一体化太阳能发电系统的设计步骤包括当地资源和情况的可行性研判、太阳能光伏组件及电池容量的计算、包括逆变器等在内的系统设计（如图2所示）。判断太阳能电池安装的可行性确定太阳能电池的安装面积确定所需太阳能电池的容量用户用电量的计算系统设计及完成图2光伏建筑一体化太阳能光伏发电系统的设计步骤技术与应用2011年第7期541.2设计要点1）太阳能光伏电池板要与建筑物外形及周边环境协调。2）在不影响建筑物结构和造价允许的情况下，尽可能多的布置太阳能电池板。3）如果太阳能光伏电池的发电容量不是非常大，就尽可能将控制器与逆变器结合为一体，具体情况见表1。1.3设置地点和建筑物的条件厦门地处我国东南沿海地区，地点在东经118°04′04″、北纬24°26′46″，平均海拔201m，年平均气温在21℃左右，平均湿度76%，年平均降雨量在1200mm左右，每年5月至8月雨量昀多，风力一般为3~4级，每年会受3～5个台风影响，年日照辐射量在5000～6000MJ/m2范围内，要满足抗风压（130km/h，2400pa）及抗直径25mm冰雹（以23m/s）的冲击。要根据现场条件、现有状况可以铺设多少太阳能电池板，并确定太阳能电池方阵的安装位置，可根据场地的大小和每块太阳能电池组件的尺寸进行布置，尽量在朝南方向单排安装，如果一排安装不下，可分几排安装，但在计算过程中要考虑建筑物、树木的遮挡，以及电池板的倾斜角。本例中，通过现场实际勘察，厦门某小区共有6栋各6层的坐北朝南居民建筑物，小区虽有绿化，但没有高的树木，周围也没有其它高的建筑物或铁塔，因此周边环境不会对太阳能电池形成阴影。同时经测量每栋建筑物屋面尺寸分别为36m×12m，考虑到安装以及将来的维护通道，每栋建筑物屋面的有效尺寸为33m×10m。光伏发电系统所输送的电能将与小区配电系统并网连接。2光伏建筑一体化发电系统中太阳能光伏方阵的设计2.1BIPV中光伏组件的技术要求1）基本原则：满足平均天气和建筑物条件下，尽可能增大光伏板方阵的面积，从而发出更多电能。2）合格的电池组件应该达到一定的技术要求：（1）光伏组件在规定工作环境下，使用寿命应大于20年（标准的环境是AM1.5，太阳辐射量1kW/m2，环境温度为25℃）。（2）光伏组件在20年寿命期内，其功率衰降不得低于原功率的80%。（3）光伏组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点及互连条表面无氧化斑。（4）组件的每片电池与互连条应排列整齐，组件的框架应整洁无腐蚀斑点。（5）组件的封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定。（6）组件的功率面积比大于65W/m2，功率质量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。（7）组件EVA的交联度应大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于30N//cm，EVA与组件背板材料的剥离强度大于15N/cm（EVA胶膜是乙烯和醋酸乙烯脂的共聚物，是一种热固性的膜状热熔胶，是电池封装的黏结材料）。（8）组件在正常条件下的绝缘电阻必须大于200MΩ。表1主要环节内容备注组件要求与平板太阳电池组件不同的是，应兼有发电和建材的双重功效；满足绝缘、抗风、防雷、透光和美观的要求，还具有强度、刚度，便于施工安装及运输等。根据工程需要，开发研制多种颜色太阳能电池组件，使之与建筑物及周围环境趋于协调满足建筑性能要求的屋面瓦、外窗、窗户等和具有矩形、三角形、棱形和梯形等不规则形状，还可将之制成无边框、能透光的结构形式容量确定并网光伏系统不受蓄电池容量的限制，在确定太阳能电池组件容量时，只要按光伏方阵面积、负载的要求和投资适时计算不必像独立太阳能光伏系统那样经过严格的优化设计，一般家用太阳能电池组件容量为1-5kW组件倾角独立光伏系统组件尽量朝向迟到系统倾斜，与水平面间的倾角要经过严格计算，使光伏发电达到昀大和均衡；在并网光伏系统中，只考虑其组件输出的昀大性在实际中，组件的朝向应服从于建筑外观的需要，一般在0~90°之间计量电表在家庭并网系统中，太阳能电池组件发电供用户负载，多余的部分输入电网，用户所消耗的电能，由方阵和电网同期提供。一块电表正转为电网供电，反转为组件向电网馈电鉴于政府对开发新能源实行优惠政策，光伏发电上网电价要远远大于用户电价，经常以“买入电表”和“卖出电表”区分光伏器件并网光伏系统的关键设备是将太阳能电池组件所发出的低压直流电，经逆变器、控制器变换成交流电后才能并网连接，对于电能质量（电压、波动、频率、谐波和功率因数等参数）均有严格规定，以保证电网、设备和人员安全要配备并网检测保护，对过（欠）压、过（欠）频率、电网失电（防孤岛效应）、恢复并网、直流隔离、防雷及接地、短路、断路器和功率方向等进行处理技术与应用2011年第7期55（9）组件的一些重要性能参数：转换效率N≥85%；填充因子FF在0.5～0.8之间；36片电池片串联的组件峰值电压为17～17.5V；36片电池片串联的组件开路电压为21V左右。（10）有着可靠的防雪、防结露、防过热、防沙尘、防雷、抗雹、抗台风和抗震等技术措施。2.2太阳能光伏方阵的最佳倾角的确定在光伏建筑一体化发电系统设计中，光伏方阵的放置角度对光伏系统的接收到的太阳辐射有很大影响，影响到整个光伏系统的发电量。虽然光伏方阵的放置形式有固定式和自动跟踪式，但自动跟踪式的初期安装和维护成本比较高，本文不做考虑。我国地处北半球，太阳能光伏方阵通常朝南安装，但光伏方阵安装的倾角不能估计，也不能笼统的定义为当地的纬度，需要通过计算确定，如果采用固定式的安装方式，一旦完成安装，光伏方阵就不能再进行调整。对于负载负荷均匀或近似均衡的光伏建筑一体化光伏系统，太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，对其进行量化处理而引入一个量化参数，即辐射累计偏差δ，其数学表达式为121()ttiHHMiββδ==−−∑式中，Htβ为倾角β的斜面上各月平均太阳辐射量；Htβ为该斜面上的年平均太阳辐射量，M(i)为第i月的天数。可见，δ的大小直接反映了全年辐射的均匀性，δ越小辐射均匀性越好。按照负载的负荷均匀或近似均衡的太阳能光伏系统的要求，理想情况当然是选择某个倾角使得Htβ为昀大值，δ为昀小值。但实际情况是，二者所对应的倾角有一定的间隔，因此选择太阳能电池组件的倾角时，只考虑昀大值Htβ或取δ昀小值必然会有片面性，应当在二者所应的倾角之间进行优选。为此，需要定义一个新的量来描述倾斜面上太阳辐射的综合性，称其为倾斜辐射系数，以K表示，其数学表达式为365365tHiKHβ−=式中，H为水平面上的年平均太阳辐射量。由于Htβ与β都与光伏电池组件的倾角有关，所以当K取极大值时应当有(dK/dβ)=0。求解上述三式，即可求得昀佳倾角。通过上述方法的计算，可以求出厦门地区的太阳能电池方阵的安装倾角为29.6°，为方便计算，我们取为30°。2.3太阳能光伏电池板的有效面积的确定厦门处于北纬24°26′46″，光伏方阵也将安装在屋面上，方向朝南，并与屋面成30°安装倾角。通过现场测量和计算，得到以下结果：①屋面的有效尺寸33m×10m，且电池方阵倾角30°；②即10/(cos30°)=11.55，③所以太阳能电池方阵的有效尺寸是33m×11.55m。表22009年月总辐射量/MJ·M-21月382.972月349.383月368.324月468.265月589.136月518.837月640.848月597.899月504.0610月487.3611月316.1012月281.97通过表2得到2009年厦门市太阳能年辐射量为5505.11MJ/M2，即1529.20kW·h/m2r。2.4BIPV中光伏发电系统容量的设计太阳能光伏系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳能电池组件的数量，同时也要协调系统工作的昀大可靠性和系统成本之间的关系，在满足系统工作的昀大可靠性基础上尽量地减少系统成本的投入。建筑光伏一体化（BIPV）太阳能发电系统的光伏发电量，通常使用以下公式进行计算:年发电量(kW·h)=当地年总辐射能(kW·h/m2)×光伏方阵面积(m2)×电池组件转换效率×修正系数，即P=HANK(N=单晶硅13%，多晶硅11%，本案例使用多晶硅)=1529.2×(33×11)×13%×0.8×0.92×0.92×0.95×0.85=39456.85(kW·h)(年发电量)其中，当地年辐射量的数据取自表1，而K分别由k1，k2，k3，k4，k5，k6组成，k1为太阳能电池长期运行性能衰降修正系数，常为0.8；k2为灰尘遮挡引起太阳能电池板透明度修正系数，常为0.92；k3为太阳能电池温升导致功率下降修正系数，常为0.92；k4为导电损耗修正系数，常为0.95；k5为逆变器效率，常为0.85；k6为太阳能电池板朝向及倾斜角修正系数，常为0.93。2.5光伏组件的电路（1）光伏组件的等效电路见图3。如图