[科普中国]-建筑一体化光伏系统

简介

太阳能光伏发电可直接将太阳光转化成电能，光伏发电虽然应用范围遍及各行各业，但影响最大的是建材与建筑领域。20世纪90年代，随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家开始将价格迅速下降的太阳能用于建筑，太阳能电池已经可以弯曲、盘卷，厚度仅为几个波长，易于裁剪、安装、防风雨、清洁安全，可以取代建筑用涂料、瓷块、价格不菲的幕墙玻璃，可以作为节能墙体的外护材料。1997年，美国提出雄心勃勃的“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”，计划在2010前为100万户居民每户安装3~5kWp光伏电池。德国与此同期推出“十万太阳能屋计划”。日本推出“新阳光计划”，目标为2010年在全国推广150万套太阳能屋顶。2002年悉尼成功举办奥运会，共在国际奥运村安装665套1kWp的屋顶光伏系统，是目前世界上最大的光伏住宅小区。建筑一体化光伏（BIPV）系统是应用光伏发电的一种新概念，是太阳能光伏系统与现代建筑的完美结合。1

光伏与建筑相结合的优点光伏与建筑相结合的优点表现在1：

（1）可以利用闲置的屋顶或阳台，不必单独占用土地

（2）不必配置蓄电池等储能装置，节省了系统投资，避免了维护和更换蓄电池的麻烦

（3）由于不受蓄电池容量的限制，可以最大限度地发挥太阳能电池的发电能力

（4）分散就地供电，不需要长距离输送电力输配电设备，也避免了线路损失

（5）使用方便，维护简单，降低了成本

（6）夏天用电高峰时正好太阳辐射强度大，光伏系统发电量多，对电网起到调峰作用

光伏与建筑相结合的形式（1）光伏系统与建筑相结合：将一般的光伏方阵安装在建筑物的屋顶或阳台上，通常其逆变控制器输出端与公共电网并联，共同向建筑物供电，这是光伏系统与建筑相结合的初级形式。1

（2）光伏组件与建筑相结合：光伏组件与建筑材料融为一体，采用特殊的材料和工艺手段，将光伏组件做成屋顶、外墙、窗户等形式，可以直接作为建筑材料使用，既能发电，又可作为建材，进一步降低发电成本。1

与一般的平板式光伏组件不同，BIPV组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观。还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装和运输等。为了满足建筑工程的要求，已经研制出多种颜色的太阳能组件，可供建筑师选择，使得建筑物色彩与周围环境更加和谐。根据建筑工程的需要，已经生产出多种满足屋顶瓦、外墙、窗户等性能要求的太阳能组件。其外形不单有标准的矩形，还有三角形、菱形、梯形，甚至是不规则形状。也可以根据要求，制作成组件周围是无边框的，或者是透光的，接线盒可以不安装在背面而在侧面。1

BIPV对建筑围护结构热性能的影响BIPV对建筑围护结构的传热特性具有明显的影响，从而对建筑冷热负荷产生影响。光伏与通风屋面结合，不仅可以提高光伏装换效率，而且可以通过屋面传入室内的冷热负荷。通过分析四种不同形式的屋面结构，评价光伏性能及其对建筑冷热负荷的影响，四种屋面结构如图1所示，其中（a）为通风架空屋面BIPV；（b）为非通风架空屋面BIPV；（c）为屋面镶嵌BIPV；（d）为传统屋面。分析表明：夏季，BIPV的最佳做法是将PV模块与通风空气夹层相结合（a）,这种做法可以降低空调冷负荷，同时提高光电转化效率。冬季，合适的做法是非通风架空屋面BIPV（b），这种做法具有热负荷低，光电转化效率高的优点。1

建筑一体化光伏系统设计原则设计原则如下1：

（1）美观性：安装方式和安装角度与建筑整体密切配合，保证建筑整体的风格和美观。

（2）高效性：为了增加光伏阵列的输出能量，应让光伏组件接受太阳辐射的时间尽可能长，避免周围建筑对光伏组件的遮挡，并且要避免光伏组件之间相互遮光。

（3）经济性：首先要将光伏组件与建筑围护结构相结合，取代部分常规建材，其次，从光伏组件到接线箱、接线箱到逆变器以及从逆变器到并网交流配电柜的电力电缆应尽可能短。

建筑一体化光伏系统设计实例德国国会大厦BIPV系统德国国会大厦的改造采用了圆形屋顶结构和创新的能量设计理念，通过成功的集成，40kW的光伏屋顶模块在视觉上几乎看不出来，完全与建筑融为一体。他们与标准屋顶构件具有同样的尺寸和颜色。1

荷兰零能建筑BIPV系统荷兰第一个采用PV作为防水屋面盖板的零能建筑Woubrugge,PV系统于1993年建在一个大的独立住宅上，建筑能量实现自维持，PV和太阳能热利用负担全年能耗。无框PV模块固定在铸铝支架上，形成屋面防水层。1

中国BIPV系统光伏建筑一体化在国外应用较多，近年来，随着能源紧张，节能意识的增强，我国正在逐渐应用该技术将光伏发电与建筑一体化，建筑绿色环保型建筑。深圳国际园林花卉博览会安装的1MW太阳能光伏并网发电系统，采用4000多个单晶硅光伏组件（160瓦和170瓦组件），将太阳转化为电能，并与深圳市电网并网运行。1

北京天普太阳能工业有限公司天普新能源示范楼50kWp并网光伏示范电站，经过现场考察测量和协商沟通，采用在建筑物的多个部位，结合建筑需要，多角度多方法地安装了总容量为50365Wp的6种类型的光伏组件，展示各种不同的建筑一体化光伏发电技术。1