太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)解讀

中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院 ■ 張昕宇 何濤 徐偉

2011年12月26日，財(cái)政部發(fā)布了《關(guān)于組織實(shí)施2012年度太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范的通知》(財(cái)建辦[2011]187號(hào))，要求各省市財(cái)政部門和建設(shè)主管部門組織2012年度太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用集中示范區(qū)和太陽(yáng)能光電建筑一體化示范項(xiàng)目的申請(qǐng)工作。

從2009年以來，中國(guó)建筑科學(xué)研究院作為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制定可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目的測(cè)評(píng)單位，完成了一些光電建筑項(xiàng)目的檢測(cè)工作。2011年，中國(guó)建筑科學(xué)研究院參與了住建部科技司太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)證體系研究和民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)體系建設(shè)項(xiàng)目，完成了示范數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)中國(guó)建筑科學(xué)研究院主編的國(guó)家建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》已于2011年通過送審稿評(píng)審，即將發(fā)布實(shí)施。結(jié)合以上實(shí)際的工作，通過對(duì)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目的測(cè)試、評(píng)價(jià)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和監(jiān)測(cè)工作，為了更好地推進(jìn)2012年度太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范工作，特建議從技術(shù)角度做好以下幾個(gè)方面的工作：

一 光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量確定

與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的確定不同于光伏電站，通常光伏電站根據(jù)目標(biāo)發(fā)電量確定系統(tǒng)裝機(jī)容量，與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量應(yīng)根據(jù)建筑物的耗電量合理的確定，即光伏系統(tǒng)發(fā)出的電量剛好被建筑物消耗掉，在此條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量是合適的也是經(jīng)濟(jì)的。建筑變配電系統(tǒng)通常分為照明和動(dòng)力兩個(gè)獨(dú)立的回路。通常照明的電壓等級(jí)為220V，動(dòng)力電的電壓等級(jí)為380V。照明又分為一般照明和應(yīng)急照明，通常應(yīng)急照明需要不間斷供電，應(yīng)急照明系統(tǒng)通常配有蓄電池，采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以考慮適當(dāng)增加蓄電池的容量。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)與照明回路并網(wǎng)，其裝機(jī)容量應(yīng)與應(yīng)急照明及白天需要照明區(qū)域的用電量相匹配，并網(wǎng)部分的照明回路是否單獨(dú)供電應(yīng)結(jié)合建筑物的實(shí)際情況進(jìn)行。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)與動(dòng)力回路并網(wǎng)，其裝機(jī)容量應(yīng)與白天需要運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備等用電量相匹配。

二 太陽(yáng)能光伏組件與建筑結(jié)合方式

遮擋對(duì)光伏組件的發(fā)電效果是有影響的，相對(duì)于薄膜電池，遮擋對(duì)晶體硅電池的發(fā)電效果影響比較大，可能會(huì)引起局部組件陣列電流異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致組件損壞，應(yīng)引起重視。采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要合理的設(shè)計(jì)建筑物的間距，光伏組件陣列設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，確保光伏組件陣列不被自身遮擋，同時(shí)也不被建筑物的附屬物如煙囪、通風(fēng)孔等遮擋。

根據(jù)光伏組件與建筑結(jié)合的方式分為BIPV和BAPV，其不同點(diǎn)是BIPV組件是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)功能和發(fā)電功能，而BAPV是安裝在建筑物表面上，只具備發(fā)電功能。在BIPV系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧光伏組件的建筑材料功能和發(fā)電效果，根據(jù)《建筑安全玻璃管理規(guī)定》（發(fā)改運(yùn)行〔2003〕2116號(hào))要求，建筑物需要以玻璃作為建筑材料的下列部位必須使用安全玻璃：(1)7層及7層以上建筑物外開窗；(2)面積大于1.5m2的窗玻璃或玻璃底邊離最終裝修面小于500mm的落地窗；(3)幕墻(全玻幕除外)；(4)傾斜裝配窗、各類天棚(含天窗、采光頂)、吊頂；(5)觀光電梯及其外圍護(hù)；(6)室內(nèi)隔斷、浴室圍護(hù)和屏風(fēng)；(7)樓梯、陽(yáng)臺(tái)、平臺(tái)走廊的欄板和中庭內(nèi)欄板；(8)用于承受行人行走的地面板；(9)水族館和游泳池的觀察窗、觀察孔；(10)公共建筑物的出入口、門廳等部位；(11)易遭受撞擊、沖擊而造成人體傷害的其他部位(指《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJll3和《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102所稱的部位)。 BIPV在以上部位使用必須滿足《建筑安全玻璃管理規(guī)定》的要求。在某些工程設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保建筑物的效果，需要設(shè)計(jì)一些異型的建筑做法，如采用BIPV組件作為建筑材料，這部分組件并網(wǎng)會(huì)引起光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的嚴(yán)重降低，此時(shí)需要犧牲一部分發(fā)電量。

光伏組件在工作時(shí)會(huì)引起發(fā)熱，導(dǎo)致組件的工作溫度升高，會(huì)影響發(fā)電效率，如作為建筑材料使用時(shí)同時(shí)會(huì)影響建筑物的采暖空調(diào)負(fù)荷，如果不考慮通風(fēng)，冬季組件發(fā)熱會(huì)起到降低采暖耗能的效果，而在夏季組件發(fā)熱會(huì)增加空調(diào)負(fù)荷。因此在選擇光伏組件作為建筑材料使用時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧侠淼耐L(fēng)，確保組件具備較高發(fā)電效率的同時(shí)降低建筑物的采暖空調(diào)負(fù)荷，有許多軟件可以模擬不同通風(fēng)方式的效果，在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用。

對(duì)于BAPV組件，其安裝固定的方案應(yīng)合理的選擇，安裝支架應(yīng)選擇耐久可靠的材料，由于支架材料選用不合理及安裝方式錯(cuò)誤，我國(guó)沿海某光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)行僅一年多的時(shí)間，支架就出現(xiàn)了銹蝕的現(xiàn)象。

另外，無論是在新建建筑或既有建筑上安裝光伏組件，應(yīng)確保光伏組件處于建筑防雷系統(tǒng)的保護(hù)范圍內(nèi)。

三 光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量

光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的好壞決定了系統(tǒng)是否可以并網(wǎng)，與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是低壓側(cè)并網(wǎng)，國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低壓側(cè)并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量做出了規(guī)定，部分摘錄如下：

1 供電電壓偏差

根據(jù) GB12325-2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中規(guī)定：20kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的±7%；220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%，- 10%。

2 供電電壓允許波動(dòng)和閃變

根據(jù)GBl2326-2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》規(guī)定，電壓波動(dòng)限值應(yīng)符合表1的要求。

表1 電壓波動(dòng)限值

電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的較小方式下，以一周為測(cè)量周期，所有長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt應(yīng)滿足表2的要求。

表2 閃變值

3 供電三相電壓不平衡

根據(jù)GB／T15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡度》中規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度限值為：電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時(shí)不得超過4%。低壓系統(tǒng)零序電壓限值不做規(guī)定，但各相電壓必須滿足GBl2325的規(guī)定。接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度的允許值為1.3%，短時(shí)不超過2.6%。

4 公用電網(wǎng)諧波

根據(jù)GB／T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓的限值應(yīng)滿足表3的要求。

公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過表4規(guī)定的允許值。當(dāng)公共連接點(diǎn)出的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，可以根據(jù)GB／T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的附錄B對(duì)諧波電流允許值進(jìn)行換算。

表3 公用電網(wǎng)諧波電壓的限值

表4諧波電流分量限值

5 頻率偏差

我國(guó)電力系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為50Hz，根據(jù)GB/T15945-2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差值可放寬到±0.5Hz。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，才能并網(wǎng)。是采用多個(gè)逆變器單獨(dú)并網(wǎng)還是多個(gè)光伏陣列采用一個(gè)逆變器并網(wǎng)，其電能質(zhì)量都必須符合要求。逆變器直接影響光伏系統(tǒng)電能質(zhì)量，應(yīng)選用高效、適合我國(guó)電網(wǎng)要求的逆變器。光伏系統(tǒng)的逆變器和控制系統(tǒng)還應(yīng)具有過電壓保護(hù)、防雷擊、防孤島效應(yīng)等安全功能。

四 光伏系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

根據(jù)通知要求，光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目必須建立數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即要求在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)根據(jù)功能大致可以分為兩類，一類是用于監(jiān)視系統(tǒng)是否安全可靠運(yùn)行，一類是用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的發(fā)電效果。為了確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)光伏組件的直流電壓、直流電流、逆變器輸出電壓、輸出電流、諧波、頻率、電壓波動(dòng)、電壓不平衡度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了評(píng)價(jià)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效果，需要在上述測(cè)量的基礎(chǔ)上測(cè)量太陽(yáng)能輻照量，逆變器輸出功率，功率因數(shù)等參數(shù)。根據(jù)中國(guó)建筑科學(xué)研究院主編的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，不同類型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率應(yīng)符合表5的要求。此處光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率為光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)輻照轉(zhuǎn)換成電能的效率，包含了逆變器轉(zhuǎn)換效率和交流并網(wǎng)效率。

表5 不同類型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率ηd(%)

光電建筑應(yīng)用還涉及到產(chǎn)品選型，系統(tǒng)安裝及調(diào)試運(yùn)行等方面，實(shí)施光電建筑項(xiàng)目時(shí)需要統(tǒng)籌考慮，以滿足建筑用能需求為中心要?jiǎng)?wù)，確實(shí)發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用，達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗、減少溫室氣體排放的效果。