光伏建筑一体化设计探讨

摘要：本文介绍了光伏建筑一体化发展的现状, 主要讨论了光伏建筑一体化的形式与设计要素，根据相关规范，阐述了系统设计中 的注意事项, 最后对光伏建筑一体化的发展提出展望。

关键词：光伏建筑一体化  光伏系统  太阳能系统

前言：

光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能发电产品集成到建筑上的技术，光伏建筑一体化是太阳能发电应用的一种新概念，是“在建筑上安装光伏系统，并通过专门设计，实现光伏系统与建筑的良好结合”。

从1839 年法国科学家E.Becquerel 发现光生伏特效应算起，太阳能电池的发展已经经历了170多年的历史。从基础研究到技术进步都对太阳能电池的发展起到了极大的推动作用，其中1954年美国贝尔实验室的三位科学家单晶硅太阳能电池的研发成功，在太阳能发展史上起到了里程碑的作用。

1990年德国首先开始实施“一千屋顶计划 ”，在私人住户屋顶上推广容量为1〜5kWp的户用联网光伏系统；1997年美国前总统克林顿宣布美国实施“百万太阳能屋顶”计划。世界光伏产业一直保持高速发展，最近10年, 全球太阳能电池产量平均年增长率为48.5%;而最近5年,这一数据更是高达55.2%。

2002年福州“湖前兰庭”9幢别墅做了第一个太阳能与建筑一体化示范工程；2003年北京大兴区建成我国第一幢综合利用太阳能解决能源问题的建筑示范工程，工程中采用50kW大型屋顶光伏并网电站；2010年7月18日，发电全球单体最大的光伏建筑一体化项目――京沪高铁上海虹桥站光伏发电项目正式并网发电，太阳能屋面面积6.1万m2，共铺设21910块电池板，总装机容量6.68MW，使用的逆变设备可靠性、转换效率、电能质量等技术指标均达国际先进水平，年均发电达630万度；2010年世博会中国馆、主题馆太阳能总装机容量达3.127MW，年均发电量约284万度；2010年9月 山 东 力 诺 科技园1.6MW屋顶太阳能光伏电站投入使用。

我国可再生能源发展速度非常快，太阳能装机容量和制造水平名列世界第一。2009 年，财政部、住房和城乡建设部联合颁布《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，2010年住房和城乡建设部颁布《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》，都将对我国光伏建筑一体化的发展起到很大的助推作用。

光伏建筑一体化的表现形式与设计

光伏建筑一体化提出了“建筑物产生能源”的新概念，将光伏发电系统与建筑物集成，在建筑物的外维护结构上布设光伏阵列产生电力。一个完整的光伏建筑一体化系统由下列部分构成：光伏组件或由光伏组件构成的光伏阵列（电池板）、光伏接线箱、储能装置及其充电控制装置、并网逆变装置、电能表及相关仪表、滤波保护装置等。一个并网的光伏建筑一体化系统不需要储能装置，但需要有并网设备，并网系统是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段的标志, 也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。就并网的光伏建筑一体化系统而言，光伏与建筑的结合除了具有独立太阳能光伏系统共有的如：无枯竭危险、绿色能源、不受资源分布地域限制、可接近负荷发电、能源质量高等特点，还有其自身独特的特点：

1）并网系统中光伏组件所发电力若有多余可反馈给电网，阴雨天或者夜晚，负载可随时由电网供电。因此光伏系统一般不必配备蓄电池，免除了独立光伏系统中定期维护更换电池的麻烦，更节省了造价，与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35%〜45%，发电成本大大降低。

2）独立光伏系统的光伏组件所发出的有效电能受到蓄电池容量的限制，蓄电池充满后，光伏组件所发的电力就只能浪费，而并网系统可以随时与电网进行互补，也增加了电网的可靠性。

3）并网系统与公共电网形成互补，改善了电力系统的负荷平衡；又因光伏建筑自身发电接近负荷，从而可避免了部分线路损耗。

4）并网系统光伏组件一般安装于闲置的屋顶或阳台上，不占用土地，适合人口密集的城镇使用。

5）对公共电网起到调峰作用。但并网的光伏建筑一体化作为一种分散式发电系统，对传统的公共电网会产生一些不良影响，如谐波污染、孤岛效应等。

太阳能光伏组件与建筑的关系

太阳能光伏组件的类型应根据光伏组件的安装位置、倾斜角度及所在地区的环境等因素确定。新建光伏系统工程的设计要与建筑设计同步进行，统一规划，同时设计、同步施工。在既有建筑上安装光伏系统，还应满足建筑维护、结构安全、电气安全等要求。光伏组件的选型设计应与建筑相结合，在综合考虑发电效率、发电量、电气和结构安全、适用、美观的前 提下，应优先选用建材型光伏构件，并应与建筑模数相协调，满足安装、清洁、维护和局部检修更换的要求。

光伏建筑一体化系统中的一个重要组成要素是光伏组件，光伏组件按太阳能电池的材质可以分为硅 系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池。其中，硅 系太阳能电池又分为 ：单晶硅太阳能电池、多晶硅太 阳能电池及非晶硅薄膜太阳能电池；多元化合物薄膜 太阳能电池又可分为 ：硫化镉太阳能电池、碲化镉太 阳能电池、砷化镓Ⅲ- Ⅴ化合物太阳能电池及铜铟硒薄膜太阳能电池。晶体硅光伏组件对采光度要求高，受遮挡后发电效率大幅下降，制作为夹层玻璃光伏组件可以透光，背板材料为聚氟乙烯复合膜（TPT），白色被膜，银色边框 ；非晶硅薄膜光伏组件对采光要求 低，受遮挡后发光效率下降少，透光率10%〜50%不等，背板材料为钢化玻璃，颜色棕色偏黑。

按结构和用途的不同光伏组件可分为：常规光 伏组件、夹层玻璃光伏组件、中空玻璃光伏组件、瓦式光伏组件。其中常规光伏组件可用于墙体、阳台、屋面、雨棚、护栏、幕墙等；夹层玻璃光伏组件可用于采光顶、遮阳、雨棚、护栏、幕墙、门窗等；中空玻璃光伏组件可用于阳台、采光顶、雨棚、护栏、幕墙、门窗等；瓦式光伏组件可用于屋面。

光伏与建筑相结合的形式

根据光伏组件与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：

1）光伏系统与建筑相结合，光伏系统附着在建筑上，Building Attached PV（BAPV）。可以作为独立电源供电或者以并网的方式供电。这种方式将现成的光伏 组件安装在建筑物的屋顶或外墙，是一种承载关系。

2）建筑与光伏器件的集成，即光伏建筑一体化也就是将光伏方阵制作成某种建筑材料，应用到建筑物中而成为建筑不可或缺的一部分，如光电幕墙、光电瓦屋顶、光电采光顶等。由于光伏方阵在建筑物上的应用不占用额外的建筑面积，因而基于光伏建筑一体化，Building Integrated PV（BIPV）的光伏发电系统是在城市中安装应用的一种最佳实现方式。光伏建筑一体化是光伏与建筑相结合的进一步的目标，是将光伏器件与建筑材料集成化，可把屋顶、向阳的外墙甚至窗户材料均用光伏器件来代替，既作为建材又可以发电，一举两得。

光伏系统的容量设计

光伏系统容量设计的目的就是计算出系统在全年内能够可靠工作所需的光伏组件和蓄电池的数量。设计原则：满足平均天气条件下负载的每日用电需求。

1）蓄电池设计应保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可正常工作，否则会造成蓄电池损坏：

其中自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负荷仍能正常工作的天数，设计中一般取3〜5天。

2）光伏组件设计宜满足光照最恶劣季节的负载需要：

光伏系统的硬件设计

硬件设计包括光伏方阵、光伏接线箱、并网逆变器、蓄电池及其充电控制装置、电能表及显示电能相关参数的仪表等。

光伏方阵的选择应符合下列规定：

1）光伏组件的类型、规格、数量、安装位置、安装方式、安装场地面积应根据建筑设计及其电力负荷确定

2）应根据光伏组件规格及安装面积确定光伏系统最大装机容量

3）根据并网逆变器的额定直流电压、最大功率跟踪控制范围、光伏组件的最大输出工作电压及其温度系数，确定光伏组件的串联数（简称光伏组件串）

4）根据总装机容量及光伏组件串的容量确定光伏组件串的并联数

光伏接线箱设置应符合下列规定：

1）光伏接线箱内应设置汇流铜母排

2）每一个光伏组件串应分别由线缆引至汇流母排，在母排前应分别设置直流分开关，并宜设置直流主开关

3）光伏接线箱内应设置防雷保护装置

4）光伏接线箱的设置应便于操作和检修，并宜选择室内干燥的场所。设置在室外的光伏接线箱应采取防水、防腐措施，防护等级不应低于IP65。

并网光伏系统逆变器的总额定容量：

应根据光伏系统装机容量确定，其数量应根据光伏系统装机容量及单台并网逆变器额定容量确定。独立光伏系统逆变器的总额定容量应根据交流侧负荷最大功率及负荷性质确定。

光伏建筑一体化设计中注意的问题

光伏系统的力学性能要求：

在新建建筑上安装光伏系统，应考虑其传递的荷载效应。在既有建筑上增设，则应对既有建筑的结构设计、结构材料、耐久性、安装部位的构造及强度等进行复核验算。

光伏系统支架和连接件的结构设计应计算系统自重、风载荷和雪载荷作用效应，抗震设计时尚应考虑地震作用效应。光伏组件或方阵的支架，应由埋设在钢筋混凝土基座中的钢制热镀锌连接件或不锈钢地脚螺栓固定。钢筋混凝土基座的主筋应锚固在主题结构内，不能与主题结构锚固时，应设置支架基座。

蓄电池、并网逆变器等较重的设备或部件宜安装在承载能力大的结构构件上，并应进行构件的强度与变形验算。

选用建材型光伏构件时，应向产品生产厂家确认相关结构性能指标，并应同时满足建筑使用年限要求。

建筑的美学要求

光伏建筑一体化首先是一个建筑物，应在满足建筑物的外观效果的基础上实现光伏发电。光伏方阵在建筑物上可以表现为墙体、屋面、采光顶、雨棚、幕墙、遮阳、阳台、护栏、门窗等多种形式。

1）作为直接构成建筑屋面的光伏组件（如图1所示），除应保障屋面排水畅通外，安装基层还应具有一定的刚度；在空气质量较差的地区，还应设置清洁光伏组件表面的设施。坡屋面时，坡度宜按光伏组件全年产生的电能最多的倾角设计；光伏组件宜采用顺坡镶嵌或顺坡架空安装方式；光伏组件与周围屋面间的连接部位应做好保温防水等建筑构造处理。

2）作为建筑物墙面的光伏组件（如图2所示），低纬度地区安装宜有适当的倾角；支架应与墙面主体结构上的预埋件牢固锚固；与墙面的连接不应影响墙体的保温构造和节能效果；光伏组件的引线穿过墙面处应预埋防水套管；对安装在墙面上的遮阳功能的光伏组件（如图3所示），应满足室内采光和日照的要求；作为窗体时应满足窗面采光、通风等使用功能要求。

3）作为阳台或平台栏板的光伏组件（如图2所示），在低纬度地区安装宜有适当的倾角，支架应与栏板主体结构上的预埋件牢固连接，应满足刚度、强度、防护功能和电气安全要求；应采取保护人身安全的防护措施。

4）作为幕墙的光伏组件（如图4所示），尺寸符合幕墙设计模数，光伏组件表面颜色、质感应协调统一；光伏幕墙的性能应满足所安装幕墙整天物理性能的要求，并应满足建筑节能的要求；对于有采光和安全双重要求的部位（如图5所示），应使用双玻光伏幕墙，其使用的夹胶层材料应为聚乙烯醇缩丁醛（PVB），并应满足建筑物室内对视线和透光性能的要求；光伏幕墙的结构及防火性能应满足《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的要求。

安装光伏组件的防雷接地要求

光伏组件的防雷接地要求应满足《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）相关要求。应尽量避免将光伏电站建在易遭雷击部位，避免避雷针的投影落于光伏组件上。太阳能的接地与建筑共用接地体，接地电阻值应满足其中最小值要求。

展望

可以预见，光伏建筑一体化是未来光伏应用中最重要的领域之一。随科技不断进步，光伏组件的成本不断下降，政府的大力提倡及一系列激励政策的出台都将为光伏建筑一体化的发展提供强大动力保证。