太陽(yáng)能光伏技術(shù)與建筑一體化應(yīng)用

【摘 要】太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一種重要形式。光伏建筑一體化是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)光伏組件或直接取代外圍結(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)。常見(jiàn)的形式有：光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮陽(yáng)板、光伏天窗等。此技術(shù)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；光伏建筑一體化；光伏組件

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種新興的、可再生的能源，以前主要用于宇宙飛船、航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域。隨著常規(guī)能源日益短缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，光伏建筑一體化成為光伏技術(shù)應(yīng)用的最重要領(lǐng)域之一，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)潛力。

1、光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力。主要有兩種結(jié)合形式：一是建筑與光伏系統(tǒng)結(jié)合。二是建筑與光伏器件相結(jié)合。把光伏組件作為一種建筑材料，成為建筑物的一個(gè)部分。用光伏組件來(lái)做建筑物的屋頂、外墻和窗戶(hù)等。

優(yōu)點(diǎn)：一是綠色能源。太陽(yáng)能是清潔的、免費(fèi)的、可再生的能源，不會(huì)污染生態(tài)環(huán)境。二是不占用土地。光伏陣列安裝在屋頂或外墻上，不需要占用額外的土地資源或者建設(shè)其他設(shè)施，對(duì)于土地昂貴的城市建筑非常有吸引力。三是原地發(fā)電，原地用電?？梢怨?jié)約輸電網(wǎng)的投資。對(duì)于聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，光伏陣列產(chǎn)生的電能，除了本建筑使用，還可以送入電網(wǎng)，緩解電網(wǎng)的高峰電力需求，或者接收電網(wǎng)供電，增加了供電的可靠性。四是建筑節(jié)能。照射到建筑物的太陽(yáng)能，一部分轉(zhuǎn)化為電能，可以降低室外綜合溫度，減少墻體的吸熱和空調(diào)的冷負(fù)荷。五是安全、環(huán)保。提高了建筑物的整體品質(zhì)。

缺點(diǎn)：一是造價(jià)較高。光伏建筑一體化，給建筑物增加了光伏發(fā)電功能，增加了建設(shè)成本。二是發(fā)電成本高。目前的科技條件下，光伏建筑一體化產(chǎn)生電能的單位成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)發(fā)電的單位成本。三是發(fā)電不穩(wěn)定。受季節(jié)、氣候、晝夜的影響，產(chǎn)生的電能是波動(dòng)的。四是壽命問(wèn)題。光伏組件作為建筑物的一部分，除了具備發(fā)電功能，還需要具有圍護(hù)功能。當(dāng)前的光伏材料使用壽命普遍低于建筑物的使用壽命。五是外觀(guān)問(wèn)題。當(dāng)光伏組件作為幕墻或者天窗時(shí)，其顏色或者形狀會(huì)影響建筑物的美觀(guān)，還可能造成光污染。另外，光伏組件會(huì)遮擋住一部分陽(yáng)光，影響室內(nèi)的光照度。六是維護(hù)問(wèn)題。光伏組件位于建筑物的外表面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹雨淋，會(huì)造成一些損壞或者堆積一些灰塵，影響光電轉(zhuǎn)換的效率。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)資料

設(shè)計(jì)資料主要包括：一是地理位置。建筑物所在的經(jīng)緯度、海拔高度。二是氣象資料。涉及到每個(gè)月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量、反射輻射量、平均氣溫、最高最低氣溫、最大連續(xù)陰雨天數(shù)、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速，冰雹、降雪等氣象信息。三是建筑及周邊情況。包括可供安裝光伏組件的面積，建筑物被遮擋情況，電網(wǎng)的距離等。四是負(fù)載。需要了解負(fù)載的類(lèi)型、功率大小、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行規(guī)律、運(yùn)行狀況，從而計(jì)算出負(fù)載的耗電量。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

包括太陽(yáng)能方陣最佳傾角計(jì)算、電池組件大小和數(shù)量計(jì)算、防陰影遮擋設(shè)計(jì)、蓄電池容量計(jì)算、方陣年發(fā)電量計(jì)算等。防陰影遮擋設(shè)計(jì)非常重要，光伏組件被遮擋一小部分就會(huì)嚴(yán)重影響其發(fā)電性能。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

包括光伏方陣、光伏接線(xiàn)箱、并網(wǎng)逆變器、蓄電池及其充電控制裝置、電能表及顯示電能相關(guān)參數(shù)的儀表等。

2.4 主要因素

影響光伏建筑一體化設(shè)計(jì)的主要因素有：一是電池方陣設(shè)計(jì)。是按照用戶(hù)要求、負(fù)載用電量、技術(shù)條件計(jì)算出電池組件的串聯(lián)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量。二是光伏方陣的規(guī)模。根據(jù)建筑物所有的日常負(fù)載乘以其在一天內(nèi)的使用時(shí)間，進(jìn)行累加來(lái)確定建筑物的總用電量。然后，根據(jù)當(dāng)?shù)匾惶斓年?yáng)光平均輻射量，選擇光伏模塊的型號(hào)和模塊數(shù)量。三是電池方陣方位角和傾斜角計(jì)算。方位角是電池方陣的垂直面與正南方向的夾角。一般情況下，電池方陣偏向正南，發(fā)電量是最大的。傾斜角是電池方陣與水平地面的夾角。一般來(lái)說(shuō)，緯度較高地區(qū)，最佳傾斜角也較大。在建筑設(shè)計(jì)中，電池方陣的方位角和傾斜角要受到建筑物外觀(guān)的影響。四是陰影間距設(shè)計(jì)。計(jì)算發(fā)電量時(shí)，往往是根據(jù)理想狀態(tài)進(jìn)行的，沒(méi)有考慮陰影的因素。建筑物的光伏組件會(huì)受到周?chē)ㄖ铩⒌匦蔚挠绊?，受到陰影的遮擋，降低發(fā)電效率。另外，當(dāng)光伏陣列是前后放置時(shí)，前面光伏陣列可能遮擋后面光伏陣列的光照。為了避免前后光伏陣列的遮擋，在緯度較高地區(qū)，可以增加光伏陣列之間的間距；對(duì)于采取防止積雪措施的光伏陣列，可以增加傾斜角度，增加光伏陣列的高度，需要增加光伏陣列之間的間距。

3、光伏建筑的集成模式

主要包括：太陽(yáng)能光伏窗、垂直式光伏幕墻、鋸齒式垂直幕墻、鋸齒式光伏幕墻、風(fēng)箱式光伏幕墻、傾斜式光伏幕墻、結(jié)構(gòu)式光伏幕墻、臺(tái)階式光伏幕墻、獨(dú)立太陽(yáng)能光伏立面、集成太陽(yáng)能光伏屋頂、獨(dú)立太陽(yáng)能光伏屋頂、鋸齒式光伏屋頂、光伏板中庭、光伏板天窗、柔性太陽(yáng)能光伏屋面、光伏遮陽(yáng)板、光伏陽(yáng)臺(tái)、光伏入口雨篷和門(mén)斗、屋頂花園光伏遮陽(yáng)板等。

4、注意事項(xiàng)

4.1 力學(xué)性能

光伏建筑一體化中使用的光伏組件，性能要求高于普通的光伏組件。在不同的區(qū)域、樓層高度、安裝方式下，對(duì)光伏組件的力學(xué)性能也有區(qū)別的。

4.2 美學(xué)要求

建筑物使用功能和外觀(guān)效果都是重要的，對(duì)光伏組件提出了更高的要求。比如：光伏組件所用的雙面玻璃組件需要更高的透光性，才能達(dá)到幕墻或者采光頂?shù)耐ㄍ感Ч?。為了?jié)約成本，電池板背面玻璃依然采用普通光面鋼化玻璃。光伏組件的接線(xiàn)盒需要省去或者隱藏起來(lái)，旁路二極管、連接線(xiàn)也需要隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中，才不會(huì)破壞建筑物的外觀(guān)細(xì)節(jié)，又能夠防止陽(yáng)光直射和雨水侵蝕。

4.3電學(xué)性能配合

建筑物外墻或者屋頂，有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成的，這就需要對(duì)外墻或者屋頂進(jìn)行分區(qū)或者調(diào)整分格，使光伏組件接近標(biāo)準(zhǔn)組件電學(xué)性能。另外，根據(jù)分區(qū)或者分格的不同，可以采用不同尺寸的電池片，滿(mǎn)足建筑物外墻或者屋頂?shù)耐庥^(guān)效果，為了防止組件間的電壓、電流不同，可以把少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路。

4.4 隔熱隔音

為了滿(mǎn)足建筑物隔熱隔音的要求，光伏組件可以使用中空低輻射玻璃，或者采用雙層外循環(huán)系統(tǒng)的幕墻形式。

4.5 建筑采光

光伏建筑一體化中，考慮室內(nèi)的采光要求，電池片的間距在25mm左右，使組件的透光率在30%左右。

4.6 安裝要求

光伏組件的安裝高度較高，安裝空間較小，難度較大。因此，可以把光伏組件和結(jié)構(gòu)做成單元式結(jié)構(gòu)，方便拆卸又能提高安裝精度。

4.7 光伏系統(tǒng)壽命

在光伏建筑一體化中，采用PVB代替EVA封裝光伏組件，會(huì)有更長(zhǎng)的使用壽命。光伏組件的連接線(xiàn)大多位于幕墻立柱、橫梁等密閉結(jié)構(gòu)中，環(huán)境溫度較高，需要使用雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線(xiàn)并選用較大的電線(xiàn)直徑。

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