太陽能光伏技術(shù)在建筑中應(yīng)用

李 蔚 / 馮曉良 / 劉 杰

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 湖北 武漢 430014)

1 引 言

太陽能作為可再生能源的一種，因其清潔環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)人士稱為“黃金電”。太陽能光伏發(fā)電是未來太陽能大規(guī)模利用的方式，成為太陽能資源利用的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

我國地處北半球，南北4oN～52.5oN，東西自73oE～135oE。全國各地的年太陽能輻射總量為931～2 334kWh/m2,中值為1 633kWh/m2。

根據(jù)《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378-2006)5.2.18款說明：年日照時(shí)數(shù)超過2 200h為太陽能利用條件較好的地區(qū)，約占我國國土的2/3。

我國各地區(qū)的太陽能資源分布，可劃分為五類地區(qū)，參見表1。

我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，表1中1、2、3類地區(qū)占全國總面積的2/3以上，可以利用太陽能的良好條件。太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、能源質(zhì)量高、無需消耗燃料、可方便地與建筑物相結(jié)合、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是未來太陽能大規(guī)模利用的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)如何與建筑有機(jī)結(jié)合，是光伏技術(shù)工程化應(yīng)用必須要解決的問題。

2 光伏系統(tǒng)的組成及功能

太陽能光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池板(組件)、蓄電池、控制器、DC-AC逆變器和各類用電負(fù)載等組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)組成框圖

表1 我國各地區(qū)的太陽能資源分布表

太陽能光伏系統(tǒng)各部件的功能如下：

1)太陽能電池板(組件)

太陽能電池板(組件)是太陽能光伏系統(tǒng)將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的核心部件，由多個(gè)太陽能電池經(jīng)串、并聯(lián)組成，其板面為鋼化玻璃封裝，使用溫度為－40℃～＋60℃，使用壽命為20～25年。

2)蓄電池

蓄電池是太陽能光伏系統(tǒng)的儲能部件，它將太陽能電池板所產(chǎn)生的電能儲存起來，當(dāng)用電負(fù)載需求大于太陽能電池板所發(fā)的電量時(shí)，將存儲的電能反向釋放以滿足負(fù)載供電需求。

3)控制器

控制器對蓄電池的充、放電條件和系統(tǒng)的電能輸出加以控制，保證系統(tǒng)正常、可靠地工作。一般需包含蓄電池過充、過放、負(fù)載過流和防反充等保護(hù)電路。

4)逆變器

如果用戶終端為交流負(fù)載，則須使用逆變器設(shè)備，將光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供用戶使用。

3 光伏電池性能特點(diǎn)

太陽能電池板由多個(gè)光伏電池經(jīng)串、并聯(lián)組成，光伏電池主要包括晶體硅(單晶硅、雙晶硅)電池和非晶硅電池。

1)晶體硅(單晶硅、多晶硅)電池

(1)組件尺寸：最小300mm×300mm

最大2 300mm×3 600mm；

(2)電池片顏色：藍(lán)色、青銅色、灰色、黑色、棕色、紅色及其他需求的顏色；

(3)電 池 片 效 率 ： 單 晶 硅15%～21%、多晶硅14%～17%；

(4)常規(guī)晶硅組件功率：

150Wp/m2(5% 透 光 率)，140Wp/m2(10%透光率)，130Wp/m2(20%透光率)，120Wp/m2(25% 透光率)，110Wp/m2(30% 透 光 率)，100Wp/m2(35% 透光率)，90Wp/m2(40%透光率)，80Wp/m2(50%透光率)。

2)非晶硅薄膜電池

(1)厚度小，非晶硅薄膜層厚度約為0.3μm，而晶體硅片厚一般為200μm，因而原材料消耗少。

(2)冶煉硅需要消耗電能，晶體硅組件的抵能回收期需2.2年，而薄膜硅只需1.6年。

(3)薄膜硅的高溫性能較好，電壓和輸出功率的溫度變化系數(shù)遠(yuǎn)小于晶體硅。

(4)具有良好的建筑性能，其顏色均勻，無晶體光電池的分格圖案，并且薄膜具有多種色彩，可為建筑師提供較多的建筑藝術(shù)設(shè)計(jì)選擇。同時(shí)，薄膜電池具有透光性，透光率可以在1%～30%范圍內(nèi)選擇，可一定程度的滿足建筑設(shè)計(jì)要求。

(5)尺 寸 ：長1245(mm)× 寬635(mm)× 厚7(mm)；重量 ：12.4 kg。

(6)轉(zhuǎn) 換 效 率 ：5%～8%；功 率 ：50～70Wp/m 。

4 太陽能電池板的安裝

1)安裝方向

為了使太陽能電池板面更好接收太陽光照射，在安裝時(shí)北半球應(yīng)朝南略偏西，南半球應(yīng)朝北略偏西。

2)安裝角度

太陽能電池組件的輸出功率與安裝角度和裝飾性外罩有關(guān)，如水平放置，將使輸出功率減少15%～20%；再在電池上增加一個(gè)裝飾性外罩，輸出功率又將減少5%左右。太陽能電池板面與地面夾角應(yīng)根據(jù)緯度不同進(jìn)行調(diào)整，高緯度地區(qū)夾角大一些，低緯度地區(qū)夾角小一些，以最大限度地利用太陽光。

以北京、武漢為例，太陽能電池組件的安裝方向?yàn)檎戏綍r(shí)，其安裝角度如表2所示。

3)占地面積

由于太陽能電池板較大，使用時(shí)須預(yù)留安裝面積。以武漢為例，目前每100Wp(峰值功率)電池板占地面積約為1.2m2，如果排成陣列，則需預(yù)留占地面積約2.2m2。

表2 太陽能電池組件安裝角度

4)基本要求

太陽能電池板安裝時(shí)必須避開所有陰影，使太陽光不被遮擋，并且其支架強(qiáng)度應(yīng)能抵抗當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)力和最大雨雪冰雹荷載。

5 光伏系統(tǒng)的建筑應(yīng)用

5.1 太陽能照明系統(tǒng)

太陽能照明系統(tǒng)是一種常見的光伏系統(tǒng)應(yīng)用模式，主要由太陽能電池板、蓄電池、逆變器、充放電控制器、節(jié)能燈具和燈桿等組成。通常應(yīng)用于戶外場所(如路燈、草坪燈、庭院燈等)照明和樓道照明(樓道燈)等。

5.2 太陽能、LED光源的結(jié)合

應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)給傳統(tǒng)的燈具光源供電，并不十分經(jīng)濟(jì)。LED光源功耗低、壽命長、光效高、反應(yīng)速度快、直流低壓工作安全可靠、環(huán)保，是未來替代傳統(tǒng)照明燈具的潛力產(chǎn)品。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，太陽能發(fā)電與LED照明的結(jié)合是未來研究的熱點(diǎn)。

5.3 光伏建筑一體化(BIPV)

“光伏發(fā)電與建筑物集成化”(Building integrated/attached photovoltaic)的概念早在1991年被正式提出。其目標(biāo)是將光伏器件與建筑材料集成化，按照光伏組件的安裝方式，可分為建材型、構(gòu)件型和與屋頂、墻面結(jié)合安裝的支架型三種形式。建材型和構(gòu)件型光伏系統(tǒng)的光伏板組件本身就是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如屋面、墻面的面板)，同時(shí)具有發(fā)電的功能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，無需另設(shè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。光伏建筑一體化系統(tǒng)應(yīng)在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮，與建筑物本身同時(shí)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)符合《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102－2003)的相關(guān)要求。

光伏建筑一體化(BIPV)是將光伏系統(tǒng)應(yīng)用于建筑的一種新能源利用形式，其載體是建筑，客體是光伏系統(tǒng)。為此，在選擇光伏組件時(shí)，除滿足電氣性能外，還應(yīng)符合如下要求：

1)顏色和質(zhì)感：需與整體建筑相協(xié)調(diào)，使建筑更富生機(jī)，更環(huán)保。

2)強(qiáng)度與抗變形的能力：光伏組件的玻璃需要加厚，使其具有抗風(fēng)壓的能力；同時(shí)也要有一定的韌性，在風(fēng)荷載作用時(shí)能有抗變形的能力，從而不會影響到光伏組件的正常工作。

3)透光率：在光伏組件與建筑物集成時(shí)(如光電幕墻或光電采光頂)，若需要制作光伏組件，則采用雙層玻璃封裝，并通過調(diào)整電池片之間的空隙來達(dá)到透光率要求。

4)尺寸和形狀：BIPV形式不同，對光伏組件的尺寸形狀要求也不同，所以需要結(jié)合建筑的不同要求，進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

6 BIPV的建筑設(shè)計(jì)

在BIPV建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量不影響原有建筑的外觀效果、結(jié)構(gòu)安全、使用功能和壽命，主要從以下四個(gè)方面考慮：

1)對建筑物地區(qū)的氣候條件及太陽能資源情況進(jìn)行分析，充分考慮經(jīng)濟(jì)性，決定是否適合選用BIPV；

2)選用某建筑物作為BIPV建筑時(shí)，對該建筑物的周邊環(huán)境條件，接收太陽能的具體情況，是否被其他建筑物遮擋等進(jìn)行分析；

3)BIPV的設(shè)計(jì)要與建筑物的外裝飾協(xié)調(diào)；

4)要分析光伏組件安裝后，對當(dāng)前建筑物的熱環(huán)境有何影響。

光伏建筑一體化選用形式見表3。

表3 光伏一體化的形式

光伏建筑一體化工程中，采用合一式光電組件面板兼作玻璃墻面板時(shí)，面板和支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合《玻璃幕墻工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 102-2003)。

BIPV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及以下兩個(gè)方面：

1)光伏組件的結(jié)構(gòu)安全。如高層建筑屋頂?shù)墓夥M件能否承受較大的風(fēng)力、地震力、積雪荷載等，組件受力變形時(shí)是否會影響到光伏電池片的正常工作。屋頂?shù)墓夥M件在20年一遇的冰雹撞擊下，不應(yīng)破損。

2)固定光伏組件的連接方式的安全性。光伏組件安裝連接時(shí)，應(yīng)充分考慮在使用期內(nèi)的多種最不利

7 BIPV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

情況，對連接件固定點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。支承結(jié)構(gòu)應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)可靠連結(jié)，要對連結(jié)件進(jìn)行承載力計(jì)算，并核算主體結(jié)構(gòu)能否承受光伏系統(tǒng)傳來的支承反力。

8 光伏陣列的發(fā)電量計(jì)算

8.1 計(jì)算公式

光伏幕墻與屋面產(chǎn)生的電能可按式(1)計(jì)算：

式中Ps—年產(chǎn)電能(MJ)

H—所在地區(qū)每m2太陽能與年總輻射能(MJ/m2)；

A—光電幕墻或屋面面積；

η—光伏電池效率，可按表4取值。

表4 光伏電池效率表

K—修正參數(shù) ；K=K1·K2·K3·K4·K5·K6，其中 ：

K1—光伏電池長期運(yùn)行性能參數(shù)，K1=0.8；

K2—灰塵引起的透明度參數(shù)，K2=0.9；

K3—光伏電池升溫導(dǎo)致性能下降的參數(shù)，K3=0.9；

K4—導(dǎo)電損耗修正參數(shù)，K3=0.95；

K5—逆變器效率參數(shù)，K4=0.85；

K6—光伏電池陣列朝向和傾角修正系數(shù)，按表5取值。

表5 光伏電池陣列朝向和傾角修正系數(shù)

8.2 計(jì)算示例

已知：(1)室內(nèi)用電負(fù)荷：設(shè)備一臺，日均耗電640Wh；8W日光燈6盞，平均每天照明3h；功率為60W的彩電一臺，平均每天收看2h。

(2)選用單晶硅光伏電板，與地面成60°角，朝南(北京地區(qū))。

請?jiān)O(shè)計(jì)滿足上述用電需求的光伏電池板。

解：①負(fù)荷用量

日耗電量：

以全年工作280d計(jì)算，年耗電量：

②光伏幕墻年發(fā)電量應(yīng)滿足室內(nèi)用電要求：

北京地區(qū)：H =5 000MJ/m2=5 000×106J/m2

單晶硅：η=0.14

③采用1 000mm×760mm光伏電池板，4塊，實(shí)際面積為：

1.0 m×0.76×4 =3.04m2＞2.73m2

可以滿足設(shè)計(jì)要求。

9 光伏系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

9.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，出現(xiàn)了一批具有國際競爭力和國際知名度的光電生產(chǎn)企業(yè)，初步形成規(guī)?；H化、專業(yè)化的產(chǎn)業(yè)鏈條。但目前國內(nèi)市場需求不足以及過度依賴國際市場的局面，在一定程度上影響了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，歐債危機(jī)、歐盟反傾銷增稅等，給光伏產(chǎn)業(yè)帶來不利影響。

為加快推進(jìn)我國光電建筑應(yīng)用，2009年3月財(cái)政部與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》及《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》。2013年8月發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，進(jìn)一步完善了光伏發(fā)電項(xiàng)目的價(jià)格政策，給太陽能光伏產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展契機(jī)。

目前，光伏系統(tǒng)仍以硅基光伏電池為主，但光伏電池轉(zhuǎn)換效率低、光伏發(fā)電系統(tǒng)成本較高，制約著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。今后的目標(biāo)是發(fā)展高效廉價(jià)的硅基電池，并通過創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)新型實(shí)用電池，推動光伏產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用。

9.2 發(fā)展前景

以光伏建筑一體化(BIPV)為主要應(yīng)用方式的光伏技術(shù)，有著巨大的市場潛力，發(fā)展前景廣闊。隨著光伏技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和不斷成熟，光伏建筑一體化(BIPV)將會得到大規(guī)模應(yīng)用。

[1]李蔚.建筑電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)難點(diǎn)指導(dǎo)與案例剖析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]李蔚.建筑電氣設(shè)計(jì)常見及疑難問題解析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]肖瀟，李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].節(jié)能，2010，(2)：12-18.

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