小戶型太陽(yáng)能瓦片屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

左佰周

摘 要：隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的日益重視，光伏產(chǎn)業(yè)獲得了越來(lái)越多的發(fā)展契機(jī)，其中屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在近些年來(lái)的普及率增長(zhǎng)很快，應(yīng)用范圍已經(jīng)不只局限于各種公共建筑和特殊建筑，在小戶型的居民住宅建筑中也得到了一定的應(yīng)用。傳統(tǒng)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)大多與建筑結(jié)構(gòu)本身相分離，但隨著光伏建筑一體化這一理念的普及，人們開始更青睞于使用可以同時(shí)滿足光伏發(fā)電需求和建筑功能需求的太陽(yáng)能瓦片來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本文將針對(duì)這種情況進(jìn)行技術(shù)和應(yīng)用兩方面的分析，希望對(duì)這種技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步普及有所幫助。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能瓦片；小戶型；屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

對(duì)小戶型的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光伏建筑一體化設(shè)計(jì)能發(fā)揮非常好的能效。這是因?yàn)樾粜徒ㄖ奈蓓斂臻g有限，對(duì)發(fā)電量的需求通常也比較低，所以相比注重光伏發(fā)電量和發(fā)電效率的的分離式光伏發(fā)電設(shè)計(jì)，發(fā)電效率較低但節(jié)省空間、綜合性能高、功能多樣化的一體化設(shè)計(jì)更適合小戶型建筑。在光伏建筑一體化的相關(guān)技術(shù)中，屋頂用的太陽(yáng)能瓦片技術(shù)是典型代表，該技術(shù)融合了光伏發(fā)電設(shè)計(jì)與建筑瓦片設(shè)計(jì)，令瓦片可以同時(shí)滿足光伏發(fā)電功能和建筑上的力學(xué)、防水、防曬等功能，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)視其安裝位置的不同可以分為兩種，一種是安裝在建筑外墻位置的側(cè)面光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一種是安裝在屋頂?shù)奈蓓敼夥l(fā)電系統(tǒng)。其中以后者更為常見，因?yàn)檫@種光伏發(fā)電系統(tǒng)可以后續(xù)添加，具有更高的適性，即使是太陽(yáng)能瓦片這種對(duì)設(shè)計(jì)有較高要求的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也只需要在建筑屋頂進(jìn)行少量的后期設(shè)計(jì)改造就能實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鲈?，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有更高的應(yīng)用普及價(jià)值。

2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）我國(guó)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)雖然在近些年呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展趨勢(shì)，但從總體技術(shù)水平來(lái)看仍處于初期的發(fā)展培育階段，相關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上成熟。目前來(lái)看，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)有如下幾個(gè)特征：

其一，能量轉(zhuǎn)換率低。這是目前制約我國(guó)光伏發(fā)展的最主要因素，也是要面對(duì)的首要問(wèn)題。我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)通常只有10%到15%的實(shí)際轉(zhuǎn)換率，過(guò)低的轉(zhuǎn)換率令光伏發(fā)電的成本居高不下，大大降低了技術(shù)實(shí)用性。直到2010年推出了轉(zhuǎn)換率達(dá)到26%的聚光光伏發(fā)電技術(shù)，這種狀況才有所好轉(zhuǎn)，但提高能量轉(zhuǎn)換率依然是光伏發(fā)電的首要技術(shù)目的。

其二，技術(shù)應(yīng)用化程度不高。我國(guó)目前有相當(dāng)一部分研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，包括光伏企業(yè)、各個(gè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室等，但這些機(jī)構(gòu)中有相當(dāng)一部分重理論，輕實(shí)踐，獲得的技術(shù)成果局限于實(shí)驗(yàn)室里，應(yīng)用程度不高。還有部分研究人員的光伏技術(shù)研究與實(shí)踐缺乏聯(lián)系，偏離目前對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際需求，導(dǎo)致研究成果的社會(huì)能效不大。

其三，環(huán)境能效相對(duì)成熟。我國(guó)目前常用的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)理論壽命普遍超過(guò)十年，其能量回收周期則大致在三年左右。所以僅從環(huán)境能效上來(lái)看，我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)還是有相當(dāng)水準(zhǔn)的，能夠在環(huán)保節(jié)能方面發(fā)揮相當(dāng)大的作用。

（二）我國(guó)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

從行業(yè)發(fā)展的角度來(lái)看，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀有如下兩方面特征：

其一，零散發(fā)展特征。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)非常分散，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，這使得雖然有部分地區(qū)或建筑在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用上獲得了極好的成效，但總體水平遲遲得不到提升，各地的產(chǎn)業(yè)發(fā)展參差不齊。

其二，社會(huì)效益低。光伏產(chǎn)業(yè)受限于技術(shù)水平，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)太高的經(jīng)濟(jì)效益，這是其社會(huì)效益得不到提升的主要原因。另一方面，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)營(yíng)，晶硅材料之類的主要原材料還要依賴國(guó)外的加工技術(shù)，這對(duì)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的社會(huì)效益也造成了一定的負(fù)面影響。

3 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式

（一）光伏組件設(shè)計(jì)

光伏組件的設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在以光伏建筑一體化理論為基礎(chǔ)的光伏設(shè)計(jì)中，該環(huán)節(jié)更為重要，也更為復(fù)雜。因?yàn)樘?yáng)能瓦片同時(shí)負(fù)擔(dān)光伏發(fā)電和建筑功能兩方面的任務(wù)，所以在選擇光伏組件時(shí)不只要關(guān)注組件的發(fā)電能效，還要注意與瓦片基底的組合適性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的光伏組件有三種，分別是晶硅組件、薄膜組件、聚光組件。其中聚光組件雖然轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)格便宜，但需要額外的冷卻裝置和大體積的聚光鏡，不適合應(yīng)用于太陽(yáng)能瓦片，所以目前太陽(yáng)能瓦片選擇的組件基本都是晶硅組件與薄膜組件。因?yàn)榫Ч杞M件的厚度較大，所以出于美觀和體積考慮，又以薄膜組件的選擇較多。

（二）光伏陣列設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證光伏組件能接受最大限度的光照，發(fā)揮更高的能效，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜照諚l件設(shè)計(jì)光伏陣列。在應(yīng)用了太陽(yáng)能瓦片的屋頂一體化光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于光伏發(fā)電的太陽(yáng)能電池板與建筑瓦片是一體的，所以光伏發(fā)電陣列無(wú)法額外設(shè)計(jì)，必須與瓦片陣列等同。這種硬性要求對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率有一定的影響，因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行專門光伏陣列設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能瓦片在接受光照的效率和時(shí)間上往往比分離式的太陽(yáng)能電池板要低，兼之太陽(yáng)能瓦片使用的光伏組件大多是發(fā)電效率較低的薄膜組件，所以這種屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率基本都比非一體化的光伏發(fā)電系統(tǒng)低上一個(gè)檔次。為了盡可能彌補(bǔ)這一缺陷，需要在最初的建筑工程設(shè)計(jì)時(shí)就把光伏需求考慮進(jìn)去，令瓦片的排列方式能盡可能接受光照，換言之，太陽(yáng)能瓦片的光伏整列設(shè)計(jì)時(shí)間需要大幅提前到建筑總體設(shè)計(jì)階段。

（三）光伏逆變器設(shè)計(jì)

光伏逆變器是屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的中樞裝置之一，因此選擇時(shí)務(wù)必要謹(jǐn)慎。不過(guò)由于其與光伏組件的類型、排列等并無(wú)太大的關(guān)系，所以應(yīng)用了太陽(yáng)能瓦片的光伏發(fā)電系統(tǒng)在光伏逆變器的設(shè)計(jì)選擇上與傳統(tǒng)的光伏設(shè)計(jì)基本一致。

太陽(yáng)能瓦片的每片瓦片都可以看作一個(gè)獨(dú)立的光伏組件，由于轉(zhuǎn)換率較低，所以每片太陽(yáng)能瓦片的輸出電壓也不高。而光伏逆變器想要正常運(yùn)作需要足夠高的直流輸入電壓，單一瓦片的輸出電壓基本無(wú)法滿足這一要求，所以需要將太陽(yáng)能瓦片進(jìn)行適當(dāng)串聯(lián)。由于光伏逆變器功率與組件溫度有關(guān)，所以在串聯(lián)瓦片時(shí)必須嚴(yán)格計(jì)算串聯(lián)工作電壓、光伏組件溫度、光伏逆變器電壓區(qū)間的關(guān)系，保證最高溫度時(shí)的串聯(lián)工作電壓大于光伏逆變器最小電壓，最低溫度時(shí)的開路電壓小于光伏逆變器最大輸入電壓，否則有引發(fā)功率失真、逆變器損壞等故障的可能性。

（四）系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組件指的是不與光伏發(fā)電過(guò)程本身直接相關(guān)的附加系統(tǒng)組件，這些組件雖然不參與直接的光伏發(fā)電過(guò)程，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作有保障作用。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩套附加系統(tǒng)組件，分別是防雷系統(tǒng)和保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)，而應(yīng)用了太陽(yáng)能瓦片的光伏發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)檫€要滿足建筑工程需求，所以還要增加額外的防水系統(tǒng)。

在這三類附加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本相同，但太陽(yáng)能瓦片的防雷系統(tǒng)和防水系統(tǒng)是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。目前常用的設(shè)計(jì)模式是讓太陽(yáng)能瓦片借用整個(gè)建筑的防雷系統(tǒng)，防水系統(tǒng)則延續(xù)傳統(tǒng)的建筑屋頂防水系統(tǒng)，雖然有一定的能效，但針對(duì)性較差，有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。

4 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)針對(duì)小戶型的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

（一）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如前文所述，一體化的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與小戶型擁有非常好的適性，因?yàn)樾粜徒ㄖ?duì)光伏發(fā)電的需求量通常比較低，太陽(yáng)能瓦片這類光伏轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低的組件也能發(fā)揮較好的能效。但這種情況長(zhǎng)期持續(xù)下去并不利于太陽(yáng)能瓦片的進(jìn)一步應(yīng)用，所以依然需要針對(duì)轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行優(yōu)化。

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，可以盡快應(yīng)用的轉(zhuǎn)換效率提升措施有二：其一是以小區(qū)為單位，實(shí)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)化，從小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就將全部的住宅屋頂設(shè)計(jì)成太陽(yáng)能瓦片，以實(shí)現(xiàn)全小區(qū)的光伏系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。雖然不能提升個(gè)別瓦片的轉(zhuǎn)化率，但提高了整體的電能接收利用率，相當(dāng)于間接提高轉(zhuǎn)換效率。其二是在設(shè)計(jì)建筑的整體結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮屋頂?shù)娜照章剩ＷC屋頂?shù)奶?yáng)能瓦片能接受最充分的日照，彌補(bǔ)無(wú)法進(jìn)行光伏陣列設(shè)計(jì)的效率損失。

（二）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)材料成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)

材料成本一直以來(lái)都是制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大問(wèn)題。目前來(lái)看，我國(guó)并沒有加工和提煉光伏發(fā)電系統(tǒng)需要的晶硅材料的必要技術(shù)，因此這些材料基本都需要進(jìn)口，材料成本在這種情況下很難降低?；诖朔N原因，我們有必要盡快發(fā)展我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，積極培養(yǎng)光伏產(chǎn)業(yè)的配套企業(yè)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)原材料生產(chǎn)的國(guó)有化，從根本上控制住光伏發(fā)電系統(tǒng)的材料成本。

對(duì)太陽(yáng)能瓦片來(lái)說(shuō)，常見的材料成本控制問(wèn)題發(fā)生在光伏組件的選擇與瓦片基底的脫離實(shí)際上。因此想要優(yōu)化太陽(yáng)能瓦片的材料成本，一方面要優(yōu)選光伏組件，盡可能選用具有較好弱光響應(yīng)特性與較低價(jià)格的非晶硅材料組件，另一方面要結(jié)合實(shí)際的建設(shè)條件設(shè)計(jì)瓦片基底，盡量選用價(jià)格便宜、易于取用的基底材料，避免不切實(shí)際的設(shè)計(jì)。

（三）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防水措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能瓦片無(wú)論從作為發(fā)電系統(tǒng)的角度來(lái)看還是從作為屋頂瓦片的角度來(lái)看，防水功能都是一個(gè)必不可少的功能。但目前實(shí)際應(yīng)用了太陽(yáng)能瓦片的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)基本都沒有進(jìn)行有針對(duì)性的獨(dú)立防水設(shè)計(jì)，這為光伏發(fā)電系統(tǒng)未來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)作埋下了一定的隱患。因此，有必要針對(duì)太陽(yáng)能瓦片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆浪a(bǔ)強(qiáng)，具體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能瓦片上的光伏導(dǎo)線應(yīng)注意絕緣外皮的完整性；有電通過(guò)的各個(gè)接入點(diǎn)和接出點(diǎn)要進(jìn)行防水密封；在有條件的情況下，太陽(yáng)能瓦片的下方可設(shè)置額外的防水隔離層，避免雨水滲入電能的輸送系統(tǒng)。

（四）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命的優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)組件基本都具有較長(zhǎng)的理論使用壽命，通常的使用壽命在20年左右，長(zhǎng)的可以達(dá)到30年，最短的也超過(guò)了十年。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，往往達(dá)不到理論使用壽命，大部分光伏組件在七八年的時(shí)間內(nèi)就會(huì)損壞而無(wú)法使用，有些光伏組件的實(shí)際使用壽命甚至不超過(guò)五年。太陽(yáng)能瓦片的使用壽命問(wèn)題更為嚴(yán)峻，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，有些地區(qū)的太陽(yáng)能瓦片僅能使用兩三年左右。這些使用壽命問(wèn)題與光伏組件在設(shè)計(jì)上脫離實(shí)際有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)階段只考慮到了物理沖擊與發(fā)電能效，忽略了風(fēng)蝕、酸雨、溫差變化等一系列實(shí)際因素對(duì)組件的侵蝕。因此想要優(yōu)化太陽(yáng)能瓦片等光伏組件的壽命，必須結(jié)合實(shí)際的使用條件。舉例來(lái)說(shuō)，在酸雨頻發(fā)地區(qū)，在設(shè)計(jì)光伏組件時(shí)要特別強(qiáng)化其耐酸堿能力；在風(fēng)沙較大的地區(qū)，要提升光伏組件的抗風(fēng)蝕、抗沖擊能力；在雨水較多的地區(qū)，要額外強(qiáng)化屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的防水設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，光伏產(chǎn)業(yè)作為節(jié)能環(huán)保、長(zhǎng)效發(fā)展的綠色能源產(chǎn)業(yè)必將獲得更好的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)未來(lái)有很高的幾率實(shí)現(xiàn)全面普及。在這一進(jìn)程中，如何更有效率地將屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于小戶型建筑是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，太陽(yáng)能瓦片在應(yīng)用上的日趨成熟化正為這種應(yīng)用發(fā)展指明了方向。相關(guān)技術(shù)人員有必要對(duì)太陽(yáng)能瓦片的進(jìn)一步應(yīng)用加以研究，爭(zhēng)取在不破壞平衡性的前提下提升太陽(yáng)能瓦片的光伏發(fā)電能效和建筑工程能效，以賦予其更高的應(yīng)用價(jià)值，令光伏建筑一體化理論獲得更好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

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