光伏建筑一體化存在的問(wèn)題及解決方法分析

（中國(guó)電建四川工程有限公司，四川成都 610000）

光伏建筑一體化組件主要運(yùn)用太陽(yáng)能發(fā)電的形式，解決城市日趨龐大的能源消耗問(wèn)題，我國(guó)新能源汽車人均保有量、單位建筑地下停車充電樁的增加，提升了城市區(qū)域用電負(fù)荷的高效性、靈活性。光伏建筑一體化以城市建筑為依附，一方面緩解了城市區(qū)域建筑群長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度用電等情況，另一方面，由于光伏建筑一體化的發(fā)電率較高，可降低發(fā)電的成本，實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域性供電調(diào)配，降低了城市對(duì)周邊大型傳統(tǒng)能源電廠的依賴。隨著民眾環(huán)保意識(shí)的不斷提高、智能型城市的推廣，光伏建筑一體化已逐步成為一種主流發(fā)電形式。

1 光伏建筑一體化相關(guān)概述

光伏和建筑的結(jié)合方式主要為光伏組件與建筑相結(jié)合、光伏器件與建筑相結(jié)合兩種形式，光伏組件與建筑相結(jié)合的方式主要是光伏組件安裝在建筑物的屋頂或陽(yáng)臺(tái)處，為光伏組件與建筑相結(jié)合初級(jí)形式。光伏器件和建筑相結(jié)合的形式主要采用特殊的材料和工藝加工手段，使光伏組件可作為建筑材料使用，即光伏建筑一體化。光伏建筑一體化中，可應(yīng)用于建筑的光伏組件需要具備發(fā)電、建材兩種功能，應(yīng)從光伏組件和建材兩方面進(jìn)行考慮。

1.1 太陽(yáng)能電池組件

太陽(yáng)能光伏發(fā)電根據(jù)“光生伏特效應(yīng)”，進(jìn)一步將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能，太陽(yáng)能電池的雛形最早出現(xiàn)在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室單晶硅太陽(yáng)能的報(bào)道中，早期的太陽(yáng)能主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)迭代升級(jí)已經(jīng)研發(fā)出晶硅電池、砷化鎵電池、銅銦鎵硒薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、染料敏化電池、鈣鈦礦電池等。晶硅電池主要受益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前是我國(guó)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。碲化鎘薄膜電池開(kāi)始陸續(xù)小規(guī)模的進(jìn)行生產(chǎn)，為建筑電池組件在種類和數(shù)量方面提供了較多的選擇。應(yīng)用建筑類光伏電池組件時(shí)，無(wú)特殊限定，可根據(jù)電池的特點(diǎn)及建筑物的實(shí)際情況，進(jìn)一步設(shè)計(jì)光伏電池組件的形狀、顏色、透明程度、接線盒的安裝等，以滿足建筑的實(shí)際需求。

1.2 建材需求

作為建筑材料使用的光伏電池組件，應(yīng)滿足建筑行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。以銅銦鎵硒薄膜電池為例，銅銦鎵硒薄膜電池主要采用金屬箔或高分子聚合物作為基底，也可使用玻璃作為基底，不同基底的銅銦鎵硒薄膜電池使用的環(huán)境存在差異。根據(jù)柔性基底的光伏組件，銅銦鎵硒薄膜電池對(duì)建筑柔性薄膜光伏組件材料、外觀、質(zhì)量、電池性能、電氣安全性及相關(guān)環(huán)境的抵抗能力均有明確規(guī)定，以判斷銅銦鎵硒薄膜電池能否適用于建筑施工。

在建筑市場(chǎng)上主要的判定依據(jù)有兩個(gè)方面：第一，檢驗(yàn)光伏組件的工作性能是否滿足太陽(yáng)能電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際電工委員會(huì)制定的涉及電池組件性能及安全的標(biāo)準(zhǔn)。第二，檢驗(yàn)光伏組件可達(dá)到建筑材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑用安全玻璃第二部分：鋼化玻璃》（GB 15763.2—2016）、《建筑用太陽(yáng)能光伏夾層玻璃》（GB 29551—2013）、《建筑用光伏構(gòu)件通用技術(shù)要求》（JG/T 492—2016）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了有關(guān)落球沖擊剝離性能、人工性能等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)使用的光伏組件不同、相同電池種類的不同結(jié)構(gòu)，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，確保光伏組件達(dá)到建筑使用的工作性能要求。

2 光伏建筑一體化存在的問(wèn)題

2.1 光伏組件的溫度效應(yīng)問(wèn)題

光伏組件不同于其他太陽(yáng)能熱利用設(shè)備，光伏組件的溫度越高，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)越低。在光伏建筑一體化的應(yīng)用過(guò)程中，光伏組件的負(fù)溫效應(yīng)會(huì)影響光伏建筑一體化。在建筑市場(chǎng)上，常見(jiàn)的單晶硅電池和多晶硅電池的溫度響應(yīng)系數(shù)為-0.45～-0.35，非晶硅電池的溫度響應(yīng)系數(shù)比晶硅電池的溫度響應(yīng)系數(shù)高，通常在-0.2左右，光伏組件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為太陽(yáng)輻射1 000 W/m2，電池的溫度為25 ℃，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，難以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。外界環(huán)境溫度為25 ℃、天氣情況良好，地面的太陽(yáng)能輻射可達(dá)到1 000 W/m2，開(kāi)放式支架的光伏組件板溫一般將達(dá)到50～60 ℃，導(dǎo)致晶硅光伏組件的輸出功率下降到10%～13%。組件背部未與建筑結(jié)合，易導(dǎo)致通風(fēng)不良、散熱較差的問(wèn)題發(fā)生，板溫比開(kāi)放式支架的組件溫度高5～10 ℃。在光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)中，若對(duì)光伏組件考慮不周或安裝不合理，受光伏組件的溫度升高的影響，將導(dǎo)致輸出功率下降15%～18%甚至更多。

2.2 遮陰與建筑不同位置光伏組件的輸出匹配問(wèn)題

不及時(shí)解決遮陰問(wèn)題會(huì)造成光伏建筑一體化整體效果欠佳，目前大部分鄉(xiāng)建筑物均難以滿足光照要求。除此之外，由于建筑物的各個(gè)位置的情況復(fù)雜，在具體的建筑物上要達(dá)到光伏發(fā)電組件的串聯(lián)、并聯(lián)難度較大，為了達(dá)到建筑物各個(gè)位置光伏陣列輸出的電壓等級(jí)一致性，可能會(huì)導(dǎo)致不同部位的組件尺寸、直流電壓等級(jí)出現(xiàn)差異。光伏發(fā)電必須考慮各個(gè)支路的電壓等級(jí)一致性，再進(jìn)一步通過(guò)并聯(lián)手段介入逆變器，避免影響系統(tǒng)效率，充分發(fā)揮光效組件的作用。

由于光伏組件安裝在建筑屋頂或其他外圍的結(jié)構(gòu)上易被雷擊，光伏建筑一體化的應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)重視光伏系統(tǒng)、組件支架、外邊框的接地和防雷情況。

3 光伏建筑一體化的解決辦法

3.1 光伏組件溫度效應(yīng)的解決辦法

光伏組件的散熱技術(shù)可分為主動(dòng)式、被動(dòng)式，主動(dòng)式散熱系統(tǒng)可采用的流體包括空氣、水、制冷劑等。由于水的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)較高，可冷卻光伏電池板，試驗(yàn)表明采用噴灑光伏板面、正背面水冷、水浸冷卻的等方式，使光伏電池板的工作溫度降低22～30 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率提升10.3%～14.1%。

目前主流的光伏組件為光電光熱一體化，其產(chǎn)品類型可分為熱管水冷式、吸熱板芯式，降低了光伏電池板工作時(shí)的溫度，運(yùn)用工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，保障建筑溫度的穩(wěn)定性。被動(dòng)式散熱無(wú)須輸入額外能量，相較主動(dòng)冷卻效率較低、速率較慢。被動(dòng)式散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、更換成本較低，由于高層建筑上部空氣流速較快、流速方向單一，使用被動(dòng)式散熱可提升換熱效率。

通過(guò)改變電池組設(shè)計(jì)、增加涂層、與熱管相結(jié)合等方式提高光伏電池組的輸出功率，降低熱斑效應(yīng)。應(yīng)注意由于我國(guó)南北溫差較大，在選用散熱方式時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及城市布局，以太陽(yáng)輻射量、溫度及風(fēng)速等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保政策及建筑樣式等數(shù)據(jù)為條件，選擇最優(yōu)的散熱方式，為光伏建筑一體化提供可行性的解決方案。

3.2 解決在建筑不同位置光伏組件的輸出匹配的辦法

在建筑初期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮建筑間的遮陰間距問(wèn)題，光伏發(fā)電組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)做好高大建筑物的勘測(cè)工作，計(jì)算不同建筑物間的遮陰距離。

由于光伏組件的排列順序是根據(jù)多種光伏電池進(jìn)行串聯(lián)組成，可減少遮陰對(duì)系統(tǒng)的影響。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)安排同一電池串聯(lián)組的光伏組件在同一水平面或同一光照條件下。每個(gè)輻射條件在相同的區(qū)域的光伏組件均應(yīng)組成相應(yīng)的組件串，在輻射條件有差異的地方，安裝光伏發(fā)電組件，采用并聯(lián)的安裝方式。在建筑屋頂進(jìn)行組件陣列，在東西南北均設(shè)置不同的組件，通過(guò)并聯(lián)的方式接入系統(tǒng)。

對(duì)建筑不同位置的光伏組件的輸出匹配問(wèn)題，可采用不同尺寸、不同規(guī)格的電池組件滿足系統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)要求，可放棄安裝光伏發(fā)電陣列，將部分組件作為建筑外部的裝飾接入電路中。應(yīng)明確建筑物的外觀效果、節(jié)能指標(biāo)的重要性，重視細(xì)小的問(wèn)題，并及時(shí)提供解決方案。

面對(duì)光伏建筑一體化的防雷問(wèn)題的過(guò)程中，為了防止被雷擊，應(yīng)將光伏支架、光伏組件金屬外框進(jìn)行接地處理，可確保光伏建筑一體化的設(shè)備、相關(guān)工作人員的安全。在光伏建筑一體化應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)協(xié)調(diào)需要的材料，將建筑和光伏發(fā)電相結(jié)合，以增強(qiáng)核心效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在光伏建筑一體化的生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)找出問(wèn)題的關(guān)鍵并進(jìn)行考察、整理和排查，以減少相關(guān)組件問(wèn)題的發(fā)生，提升光伏建筑一體化產(chǎn)品的質(zhì)量。除此之外，我國(guó)應(yīng)積極借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際建設(shè)情況，制定完善的光伏建筑一體化的經(jīng)營(yíng)管理制度。