光伏建筑一体化技术与应用研究

2016-07-11刘奉军上海宝冶集团有限公司上海200941

中国科技纵横 2016年10期

刘奉军（上海宝冶集团有限公司，上海　200941）

光伏建筑一体化技术与应用研究

刘奉军
（上海宝冶集团有限公司，上海200941）

【摘要】随着能源紧张局面的不断加剧，各个国家都开始了新能源、可再生能源的深入研究。光伏建筑一体化技术（BIPV），是当前的重点内容。文章先对光伏系统原理进行简要分析，然后对光伏建筑一体化对光伏方阵、光伏组件的要求进行探讨，之后进行了光伏建筑一体化设计的分析，最后利用实例分析对光伏建筑一体化技术的应用进行论证。

【关键词】光伏一体化建筑应用

人口的加剧和经济的飞速增长，在很大程度上促使能源的消耗过渡，当前可利用的能源并不多。想要获得长久的生存和发展，就必须研究一系列的能源再生技术，或者是能源的节省应用技术。经过多方面的探讨和分析，认为光伏建筑一体化技术，能够在当前满足社会上的需求，且在未来拥有很大的提升空间，能够在客观上实现能源的持续利用。针对光伏建筑一体化技术进行实践和理论研究，能够与当前客观实际相结合，从而制定出合理的发展方案，确保最终的成果是符合需求的。

1　光伏系统原理

与一般的技术有所不同，光伏建筑一体化技术的核心是“光伏系统”，该系统能够将可再生能源——太阳光，进行充分的利用和加工，从而提供较多的能源转换和供应。光伏系统的研究，经过了漫长的考验和分析，仅仅在资料搜集和处理上，经历了数年才得以完成。通过对光伏系统的原理进行分析，能够找出光伏建筑一体化技术的关键所在，并且以原理来指导具体的技术手段和操作方法，从而在客观上取得突出的技术成就。

1.1光伏电池

可再生能源的一大特点在于，虽然含有的资源量比较庞大，但在利用上却非常的困难，特别是在能源的存储、转换方面，并不容易有效的处理。研究光伏系统原理时，发现光伏电池有很大的积极作用。光伏电池是一种特殊的“转换器”，其能够将太阳能，合理的转化为电能。该设备的发电原理，主要是“光生伏打效应”。太阳光在照射到光伏电池上时，电池能够将太阳光的能量进行充分吸收，自身会产生光生电子，即学术上的“空穴对”，在电池内建电场的作用下，光生电子、空穴会被分离形成电压，从而产生想要的电能。光伏电池在存储能源、转换能源方面，与客观上的需求是比较符合的，因此在可行性方面值得肯定。

1.2光伏发电系统

光伏建筑一体化技术在研究的过程中，光伏发电系统具有非常重要的作用。从原理的角度来分析，光伏电池的作用虽然突出，但光伏发电系统则是具体运作的媒介，缺乏媒介的作用，太阳能即便转化为电能，依然无法实现充分的利用，届时所造成的浪费将会非常严重。太阳能电池单体，作为光伏转换的最小单元，工作过程中的电压徘徊在0.45V--0.5V之间，在多数情况下，其不能作为单独的电源进行使用。为此，需要针对太阳能电池单体进行有效的处理，光伏建筑一体化技术的处理方法为，将太阳能电池单体进行串并联的处理，同时在封装完成后，就可以形成单独电源的独立组件，该组件被称之为光伏组件。另一方面，想要充分的满足负载的输出功率，还要将光伏组件进行再一次的串并联，由此来形成具有较高输出功率的光伏方阵、太阳能阵列，如图1所示。

图1　太阳能光伏电池片、组件、方阵示意图

2　光伏建筑一体化对光伏方阵、光伏组件的要求

2.1影响光伏发电的因素

光伏发电与一般的发电方式不同，其主要是利用太阳能进行发电，从而满足日常的电力需求。影响光伏发电的因素，主要包括两个方面：第一，光伏组件可能接受到的太阳能。现阶段的光伏组件类型较多，由于各地区的太阳能分布情况不均匀，因此在光伏组件的选择上要保持因地制宜，否则很难确保最终的发电效果。第二，光伏组件本身的性能。太阳能是一种可再生能源，除了要考虑到天气因素的影响，还必须照顾到光伏组件本身的性能。有些光伏组件性能较强，即便是在很少的阳光下，也可以吸收较多的太阳能，其在能源转换、利用等方面表现突出；有些光伏组件的性能较弱，即便是阳光强烈，对太阳能的吸收依然不理想，最终的发电效果较为低下。

2.2光伏方阵布置要求

电能需求的提升，要求光伏建筑一体化技术在“光能转化为电能”的效率上要有所提升。目前，我们必须要针对光伏方阵布置进行深入的研究。经过讨论，认为光伏方阵布置要求集中在以下几个方面：第一，建筑的具体位置是无法改变的，建筑与光伏方阵结合、集成的屋顶与墙面，能够接受的太阳能辐射是固定的。因此，在光伏方阵布置的过程中，要求相关工作人员，将光伏方阵布置得能够最大限度吸收太阳能辐射。第二，所有光伏方阵的布置工作，都必须尽量的朝向太阳光照射的方向，包括建筑物的南面、西南位置、东南位置等等。

2.3光伏组件要求

随着光伏建筑一体化技术的研究深入，科研人员认为，光伏组件的要求达到的越多，最终的发电效果越好。目前，国家对光伏组件的要求正在不断的增加。第一，光伏组件的颜色、质感，应该与建筑物进行协调应用，不可胡乱搭配。第二，光伏组件的强度、抗变形能力要达到基础标准。例如，光伏组件在风荷载的作用下时，必须能够出现变形，但变形不可以影响组件的正常应用。第三，光伏组件的透光率设定，应与光伏建筑一体化技术本身相符合，透光率需在精密的计算后决定。第四，组件的尺寸、形状尽量的直接订购，确保组件能够被派上用场。

表1　光伏建筑一体化的主要形式

3　光伏建筑一体化设计

对于光伏建筑一体化技术而言，其最终的目的就是为建筑物提供足够的电力能源供应，减少各方面的问题和影响，使用清洁能源、可再生能源来满足生产、生活的需求。为此，光伏建筑一体化的设计工作，要将每一项内容都当作重点来完成，要减少不协调的情况，充分实现光伏建筑一体化的各项优势、功能，创造出最大的价值。

3.1设计原则

光伏建筑一体化的设计，必须在健全的原则下进行，否则很容易导致设计结果与客观需求不符，甚至是出现很多的问题。为此，开展光伏建筑一体化的设计之前，必须将原则方面的内容健全。第一，光伏建筑一体化的相关工作，具体表现为光伏系统依赖、依附于建筑，是一种新能源的利用形式，主体是建筑物，客体是光伏系统，二者地位是非常明确的。第二，光伏建筑一体化的设计、落实、运行当中，绝对不能对建筑物造成任何的损坏，包括建筑物的结构安全、功能影响、使用寿命等等。我们开展光伏建筑一体化设计，目的是提升建筑物的电能供应，而不是以牺牲建筑的部分组成来完成“等价交换”。第三，任何对建筑物产生损坏、不良影响的光伏建筑一体化设计，都不可以落实到具体的工作当中，其在设计阶段就直接被否定，且不能再次提起。

3.2建筑设计

光伏建筑一体化的设计应用，必须要从客观、主观两个方面着手，充分满足客观需求的同时，要加强主观功能、美观等方面的标准提升，确保最终的建筑能够取得最大化的成绩。结合以往的工作经验和当前的设计标准，认为光伏建筑一体化的设计应用，可从以下几个方面出发：第一，针对建筑物所在位置的气候条件、太阳能资源等情况进行深入的分析，了解各方面的条件，是否可以满足技术的使用要求，是否满足建筑物的标准。第二，针对建筑物周边的情况进行了解和总结。当前的地区密集度比较高，建筑物虽然在高度上有了很大的提升，但在接收太阳能的过程中，一旦被其他的建筑物所阻挡，则最终的光伏效果势必会大打折扣，发电效率下降，造成的损失是比较严重的。第三，所有的建筑物都需要在外部装饰上保持协调，而光伏建筑一体化设计，最先考虑的是建筑的功能和光伏效果，这就与外部装饰产生了一定的矛盾。所以，要求设计人员在具体的应用技术时，要将外部的装饰尽量美观，与装饰团队进行讨论和分析，制定多元化的设计方案，既不影响光伏效果和建筑工程，同时又可以实现美观度的较大提升。第四，针对光伏组件的吸热情况、对建筑物热环境改变情况进行分析。我国现阶段的建筑物数量持续增长，光伏组件的吸热达不到标准时，不能开展光伏设计。同时，建筑热环境的承受范围是有限的，倘若热范围过于恶劣，也不能进行光伏设计。表1为光伏建筑一体化的主要形式类型，可以此作为参考。

3.3发电系统设计

在光伏建筑一体化设计当中，技术的核心内容，就是发电系统的设计。与一般的发电系统有很大不同，该系统的设计包括光伏方阵、光伏组件、光伏发电系统3个组成部分，各个部分既是独立存在的，又保持相互协调的状态，所获得的发电效果是值得肯定的。第一，光伏方阵的设计，必须考虑到建筑的效果，特别是在颜色、板块的大小方面。另外，方阵还必须考虑到受光条件的情况，包括朝向的影响、倾角的影响等等。第二，光伏组件的设计，涉及到的内容较多，应针对不同的内容开展测试和分析，选择合理的组件来完成设计，并进行实践上的总结，由此来确保组件能够长久、稳定的运行。第三，光伏发电系统的设计，可选择并网系统或者是独立系统，在控制器、逆变器、蓄电池等方面，均可以进行多元化的选择，以建筑物的需求为基准，将性价比作为重要衡量指标。

3.4结构安全性设计

光伏建筑一体化的设计工作中，上述几项内容完成后，还必须在结构安全性、构造设计两方面做出足够的努力。当前的很多建筑物都采用了新型的设计方案，光伏建筑一体化技术作为突出的技术类型，有些地方仍然具有较大的提升空间。为了确保光伏建筑一体化能够取得最佳成绩，必须将安全工作提升到最高水平。建议今后的结构安全设计，从以下几个方面出发：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受，受风变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。

4　实例介绍

光伏建筑一体化技术，已经开始在我国广泛的推广应用，一线城市的应用效果最佳。例如，由深圳市政府投资承建的1兆瓦太阳能光伏电站于 2004年8月在深圳国际园林花卉博览园内建成发电。电站安装于园内综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡，采用与市电直接并网的运行方式，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站之一。该电站总容量1000.322kWp，年发电能力约为100万kW·h。工程采用了超过4000个单晶硅及多晶硅光伏组件（160W和170W组件）。由此可见，光伏建筑一体化技术在应用后，对建筑物产生了非常积极的影响，且在经济效益、社会效益等方面均比较突出。随着人口的增加和土地利用面积的紧张，传统的发电方式已经无法满足国家的要求，积极落实光伏建筑一体化技术，将建筑物的发电方法进行转变，不仅可以满足生产、生活的要求，还可以在某种程度上加强对环境的保护，这种持续性的积极影响，是可以进行深入拓展的。