光伏建筑一體化探討及應(yīng)用案例分析

王 凱

（新疆風(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830063）

0 引言

目前我國(guó)面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，而我國(guó)的建筑能耗是相同氣候條件發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍。建筑節(jié)能是提高住宅舒適度、降低運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)，而建筑節(jié)能中的65%主要由建筑圍護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)，因此，節(jié)能是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)行業(yè)的重要責(zé)任。將太陽(yáng)能同建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，利用安裝在建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)能發(fā)電裝置來(lái)提供電能，不僅可以擴(kuò)大清潔能源的生產(chǎn)，而且不占用城市地面空間，已被越來(lái)越多的國(guó)家所采用。

1 光伏建筑一體化的概念

光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)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)提供電力的技術(shù)。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合方式的不同，可分為光伏方陣與建筑的結(jié)合、光伏方陣與建筑的集成兩類(lèi)，如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)取?/p>

光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不需要占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級(jí)應(yīng)用形式，它對(duì)光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的要求，而且還要兼顧建筑的基本功能要求［2－3］。

2 光伏建筑一體化發(fā)電的工作原理

光伏建筑一體化發(fā)電分為并網(wǎng)型與離網(wǎng)型兩種方式。

2.1 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、控制裝置組成。光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過(guò)并網(wǎng)逆變電源將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻同相的交流電能供給負(fù)載使用，并饋入電網(wǎng)。

光伏建筑一體化發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、逆變器、控制裝置、蓄電池組成。以光伏電池板為發(fā)電部件，控制器對(duì)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲(chǔ)存，以便在夜間或陰雨天保證負(fù)載用電。當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。當(dāng)蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充；當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不被過(guò)放電。

圖1 光伏建筑一體化發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

光伏建筑一體化發(fā)電離網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 光伏建筑一體化發(fā)電離網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 光伏建筑一體化的優(yōu)勢(shì)

目前我國(guó)建筑能耗占總能耗的1／3，光伏發(fā)電與建筑結(jié)合是降低建筑能耗的有效方式，光伏建筑一體化具有諸多優(yōu)點(diǎn)［4－5］。

1）光伏建筑一體化的使用，造成建材成本的一部分變成光伏電池的組成部分，從而節(jié)省了光伏電池的生產(chǎn)成本。如傳統(tǒng)玻璃幕墻作為光伏電池的構(gòu)成部分，節(jié)省了購(gòu)買(mǎi)光伏電池封裝材料的成本。

2）由于每天都有大量的太陽(yáng)光照到建筑物的外表面上，將建筑物的外表面做成可以用來(lái)發(fā)電的材料，既高效地利用了太陽(yáng)輻射，也無(wú)需額外用地或加建其他設(shè)施，節(jié)省了土地資源。這對(duì)于人口密集、土地昂貴的城市建筑尤為重要。

3）光伏與建筑一體化發(fā)電首先讓該建筑物使用，即可原地發(fā)電、原地使用，可節(jié)約電站送電網(wǎng)的投資和減少輸電損耗。對(duì)于并網(wǎng)的BIPV，也可將多余的電力輸送給公共電網(wǎng)，以緩解周邊用電需求；若陰雨天發(fā)電不足時(shí)，可從公共電網(wǎng)取電，彌補(bǔ)用電需要。

4）在夏季用電高峰時(shí)，此時(shí)BIPV正好可利用夏季強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，并轉(zhuǎn)換成制冷設(shè)備所需要的電能，從而緩解電力需求高峰時(shí)期的供需矛盾，具有極大的社會(huì)效益。

4 達(dá)坂城西部歌城光伏項(xiàng)目

4.1 項(xiàng)目概況

達(dá)坂城西部歌城小鎮(zhèn)位于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)的北郊，地處達(dá)坂城盆地。項(xiàng)目占地總面積約為47 hm2（不含人工湖部分），總體布局主要?jiǎng)澐譃槲鍌€(gè)板塊：酒店及特色民宿板塊、文化藝術(shù)中心及藝術(shù)家會(huì)所板塊、文化體驗(yàn)核心板塊、生態(tài)宜居板塊、城市公園板塊。達(dá)坂城西部歌城小鎮(zhèn)內(nèi)建筑占地總面積約為98 900 m2，園區(qū)內(nèi)建有生態(tài)停車(chē)場(chǎng)，其中機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)位3 660個(gè)，非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)位2 500個(gè)。

4.1 資源分析

根據(jù)Meteonorm氣象軟件，項(xiàng)目所在地年均輻射值為5 187.6 MJ／m2，且多年來(lái)的平均輻射值相差不大，太陽(yáng)能資源穩(wěn)定。

項(xiàng)目所在地1年12個(gè)月平均總輻射量如表1所示。

表1 達(dá)坂城地區(qū)各月平均總輻射量 MJ／m－2

4.2 方案介紹

按照建筑屋頂面積的80%可以被利用計(jì)算，園區(qū)的可利用屋頂面積約為8萬(wàn)m2。如果按照1萬(wàn)m2屋頂面積安裝1 MW光伏組件來(lái)計(jì)算，園區(qū)的光伏發(fā)電安裝容量約為8 MW，其中酒店及特色民宿板塊具備先期開(kāi)展光伏發(fā)電規(guī)劃的基礎(chǔ)條件。達(dá)坂城西部歌城光伏幕墻和屋頂光伏組件安裝示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 達(dá)坂城西部歌城光伏幕墻示意圖

圖4 達(dá)坂城西部歌城屋頂光伏組件安裝示意圖

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前屋頂光伏組件的投資約為8.5元／W，8 MW總投資約6 800萬(wàn)元，年平均利用小時(shí)數(shù)為1 150 h。該新能源規(guī)劃項(xiàng)目建成后，每年將為當(dāng)?shù)靥峁┚G色電力9.2 GWh，相當(dāng)于年節(jié)約用煤3 000 t，每年減少CO2排放量約8 222 t。該項(xiàng)目的建成，每年將給當(dāng)?shù)貛?lái)140萬(wàn)元的稅收，可至少解決當(dāng)?shù)?00人的就業(yè)問(wèn)題。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，還能帶動(dòng)當(dāng)?shù)卦牧鲜袌?chǎng)的繁榮，以及促成當(dāng)?shù)卣麄€(gè)光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著世界能源短缺加劇、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在尋求可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略，光伏建筑一體化具有很大的發(fā)展空間。城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域是太陽(yáng)能光電技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，利用太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決建筑物的照明、采暖等用能需求，可以代替常規(guī)的煤、水等能源，對(duì)我國(guó)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重要的推動(dòng)作用。我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長(zhǎng)，光伏建筑一體化即在建筑設(shè)計(jì)上增加了清潔、綠色的概念，又為城市的電力供應(yīng)提供了選擇和保障，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 郝國(guó)強(qiáng)，李紅波，陳鳴波.光伏建筑一體化（BIPV）并網(wǎng)電站的應(yīng)用與發(fā)展［J］.上海節(jié)能，2006（6）：66-70.

［2］ 梁祥瑩.基于太陽(yáng)能光伏技術(shù)的節(jié)能建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)..2009（2）：6-9.

［3］ 郝斌，李現(xiàn)輝.太陽(yáng)能光伏建筑一體化探討［J］.建設(shè)科技，2009，20（10）：32-34.

［4］ 施韜，沈佳燕，蔣金洋.光伏建筑一體化研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.新型建筑材料，2011，（11）：38-41.

［5］ 李芳，沈輝，許家瑞，等.光伏建筑一體化的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電源技術(shù)，2007，（8）：659-662.

［6］ 楊洪興，韓俊，孫亮亮.香港太陽(yáng)能光伏建筑一體化的研究與進(jìn)步［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2008，（9）：25-31.