光伏建筑一体化融合理念和光伏系统设计要点

光伏建筑一体化融合理念和光伏系统设计要点

胡兴华

哈尔滨工业大学建筑设计研究院 黑龙江 150000

摘要：光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic, BIPV)将光伏组件或光伏构件等有光伏发电功能的建材与建筑集成满足建材的热工、抗震、抗腐蚀、抗风等各项要求,通过合理设计，实现光伏系统与建筑的融合，从而提升建筑的品质。光伏建筑无须额外占用土地，可减少输配电网络的能源损耗,推动能源革命。下面，文章就光伏建筑一体化融合理念和光伏系统设计要点展开论述。

关键词：光伏建筑；一体化融合；光伏系统设计

引言

近年来，国内BIPV技术发展迅速，成为光伏技术应用的重要方向。已经发布的有关光伏建筑政策、技术规范和标准大大促进了光伏系统在建筑上的应用。但是相比常规的光伏地面电站，建筑光伏系统的应用有不同的特点和要求。光伏建筑的光伏系统应与建筑协调统一设计，以降低安装、运行成本，提高安全可靠性，提高光伏系统的效益。

1光伏建筑一体化相关概述

光伏和建筑的结合方式主要为光伏组件与建筑相结合、光伏器件与建筑相结合两种形式。光伏建筑一体化中，可应用于建筑的光伏组件需要具备发电、建材两种功能，应从光伏组件和建材两方面进行考虑。

1.1 太阳能电池组件

太阳能光伏发电根据“光生伏特效应”，进一步将太阳能转化成为电能，太阳能电池的雏形最早出现在美国贝尔实验室单晶硅太阳能的报道中，早期的太阳能主要应用于航空航天领域。

太阳能电池经过迭代升级已经研发出晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池、染料敏化电池、钙钛矿电池等。晶硅电池主要受益于半导体产业的发展，目前是我国市场上的主流产品。碲化镉薄膜电池开始陆续小规模的进行生产，为建筑电池组件在种类和数量方面提供了较多的选择。应用建筑类光伏电池组件时，无特殊限定，可根据电池的特点及建筑物的实际情况，进一步设计光伏电池组件的形状、颜色、透明程度、接线盒的安装等，以满足建筑的实际需求。

1.2 建材需求

作为建筑材料使用的光伏电池组件，应满足建筑行业的相关标准要求。以铜铟镓硒薄膜电池为例，铜铟镓硒薄膜电池主要采用金属箔或高分子聚合物作为基底，也可使用玻璃作为基底，不同基底的铜铟镓硒薄膜电池使用的环境存在差异。根据柔性基底的光伏组件，铜铟镓硒薄膜电池对建筑柔性薄膜光伏组件材料、外观、质量、电池性能、电气安全性及相关环境的抵抗能力均有明确规定，以判断铜铟镓硒薄膜电池能否适用于建筑施工。

在建筑市场上主要的判定依据有两个方面：第一，检验光伏组件的工作性能是否满足太阳能电池的行业标准，如国际电工委员会制定的涉及电池组件性能及安全的标准。第二，检验光伏组件可达到建筑材料的相关标准，如《建筑用安全玻璃第二部分：钢化玻璃》（GB 15763.2—2016）、《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》（GB 29551—2013）、《建筑用光伏构件通用技术要求》（JG/T 492—2016）等相关标准，明确规定了有关落球冲击剥离性能、人工性能等相关技术指标的要求。

在实际设计的过程中，应根据使用的光伏组件不同、相同电池种类的不同结构，选择相应的标准，确保光伏组件达到建筑使用的工作性能要求。

2光伏系统和建筑的有机融合

2.1 功能融合

BIPV建筑使用的光伏组件或光伏构件必须满足建筑上使用部位的相关建材规范。满足建筑对于建材的功能、美学要求。还要兼顾这种建材的发电功能。明确项目空间环境，根据所在地的太阳能辐照资源等信息，尽量选择有利于光伏发电的倾角和朝向布置光伏方阵，尽量避开可能的遮挡，最大化获得发电效益。

2.2 安全融合

使用满足建材规范的光伏组件或构件代替常规建材，可以满足建筑对于建材的安全要求,不会带来额外的安全风险。但是光伏方阵在充足日照下组串的开路电压可高达1 000 V,设计、安装、使用和维护不当会带来电击风险。因此在设计、安装、使用、维护阶段要严格按照规范进行工作，杜绝电击事故，还应注意防雷、消防设计。

2.3 信息融合

BIPV建筑应建成智慧、安全、绿色、高效的现代建筑，应配备包含光伏监控系统、楼宇智能控制系统和综合能源管理系统的建筑综合管理系统。其中光伏监控系统采集光伏系统运行数据，如电压、电流、发电量、温度等；环境数据，如气温、湿度、太阳辐照强度、风速、风向等。可以预测光伏发电量，提供运维、故障诊断等信息。建筑综合能源管理系统收集、分析各类用电负荷、空调负荷运行数据。将光伏产能和建筑用能有机结合，统一调度，最大化利用清洁能源、降低建筑能耗。

3BIPV光伏系统设计要点

BIPV光伏系统应结合辐照资源、建筑条件与建筑电气统一设计，以保证电气安全、设计质量、提高光伏系统的效益。图1所示为BIPV光伏设计要点。

图1 BIPV光伏系统设计要点

3.1 光伏组件选用

光伏组件作为建材，要满足相应的建材规范要求，比如作为幕墙建材使用时，光伏组件通常采用钢化玻璃夹层结构，需要满足玻璃幕墙标准的要求。为提高光伏发电收益，应根据2018年工信部公布的《光伏制造行业规范条件》等进行选择。BIPV的设计应根据建筑功能、设计理念、建筑条件等因素确定光伏组件可利用位置、面积，从而选择类型、尺寸、颜色和安装方式。

3.2 逆变器选择

BIPV优先选用组串式逆变器，尽量增加MPPT输入回路数量，使光伏系统具备较好的最大功率跟踪优势，有效应对遮挡等不利因素。并网逆变器的功率和台数与光伏方阵的布置有关。选取逆变器时需要考虑额定功率、转换效率、最大可接入MPPT回路数量等问题。组串逆变器尽量靠近光伏方阵安放，减少线路损耗。

3.3 并网和接入

要结合项目建设条件、容量规模、考虑发电系统造价，进行多因素综合评估，进行合理经济性分析后，确定安全可靠的方案。BIPV光伏系统一般应采用自发自用余电上网方式接入用户侧电网，光伏并网应符合就近分散接入，就地平衡消纳设计原则。根据项目条件，选择单点集中并网或多点分散并网方式。并网点的选择和电网条件、负载和线路损耗等因素有关。电网条件主要指建筑配电系统接受光伏系统的能力，及电网线路连接的可行性、合理性。

3.4 消防

BIPV光伏系统需防止火灾隐患，设计、实施时要注意消防安全，应满足所在建筑部位相应的消防等级要求，和建筑消防统一设计、施工。

3.5 防雷和接地

建筑光伏系统作为建筑电气设计的一部分，与建筑物的防雷和接地系统统一设计。防雷等级分类和防雷措施按国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2016)和《光伏发电站防雷技术要求》(GB/T 32512—2016)相关规定执行。

3.6 电缆

光伏系统中光伏组件串联、组串与逆变器连接，都是采用直流电缆，必须满足防潮、耐寒、耐热等要求。电缆安装过程中，电缆经常弯折、拉伸，更加速了电缆的老化，增加了维修成本，直接影响了光伏系统的使用寿命。所以BIPV光伏系统布线时必须采用光伏专用电缆，满足相关行业标准。

结语

综上所述，光伏建筑一体化发电系统是新式的光伏发电模式, 是运用太阳能发电的未来发展目标。随着城市化快速发展, 越来越多的建筑群拔地而起, 绿色资源建筑运用比例会加大, 光伏建筑一体化的建筑会以更快的速度科学健康的发展, 具有美好的发展远景。

参考文献

[1]朱尔立.光伏建筑一体化(BIPV)在绿色建筑中的应用[J].绿色环保建材,2018(12):200+203.

[1]瞿明,万瑞霞.光伏建筑一体化的应用与优化[J].中国建材科技,2019,28(04):30-32.