浅谈太阳能光伏发电与建筑一体化的应用

　　摘要：在当前背景下，可持续发展的理念得到了进一步深化和实施，同时，绿色、环保、节能已成为建筑业发展的主流，反过来，满足各种先进技术的需要，为建筑业的稳定发展提供了重要的基本保证。在实际施工过程中，合理使用太阳能光伏发电技术，能够满足绿色建筑的要求和节能建筑的施工要求，有效地缓解能源和资源消耗问题，改善了环境污染情况。

　　关键词:太阳能;光伏发电;光伏建筑一体化;能源

　　1 引言

　　在现代社会，人们对舒适的建筑环境的追求越来越高，这导致了建筑采暖、空调、照明等能源消耗的增加。随着社会的不断进步和科学技术的飞速发展，各种新能源正逐渐得到人们的关注。太阳能作为一种新型能源，具有可再生、大能源、通用、绿色、清洁等特点。近年来，光伏发电在新能源的开发利用中得到了广泛的应用，其中光伏建筑一体化应用技术具有广阔的应用前景。

　　2 光伏系统设计相关要求

　　光伏元器件或方块的选择和设计应在建筑组合中进行，在综合考虑发电效率、发电容量、电气等因素的前提下，而且要以结构安全、适宜、美观为基础，选择合适的光伏元件，并与建筑模数相协调。光伏阵列传输及分布电力及控制电缆与其他管道的整体布局，以确保安全、隐蔽及集中布置。当光伏阵列的交流侧断开时，直流侧设置为备用电源仍然可以充电。因此，光伏阵列的直流侧设有所需的触电警告及安全措施，以防止触电。在人员中，可以接触或接近光伏系统警告标签的位置。对于光伏并网发电系统，只能采用并网保护，以保证电网和光伏阵列的正常运行，确保一方的任何异常情况不会影响另一方的正常运行。同时，电网保护也是大修工作人员人身安全的基本要求。此外，计量装置的安装也便于用户对光伏系统的运行效果进行统计和评估，同时，通过引入相关国家政策和光伏系统用户可能的补偿，光伏阵列应满足电压偏差、闪变、频率偏移、相位、谐波、三相平衡度和功率因数等电能质量指标。

　　3 光伏发电与建筑一体化设计及应用

　　3.1 光伏发电的设计原则

　　光伏建筑一体化设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则。

　　3.2 建筑设计BIPV的设计

　　应从建筑设计入手，首先对建筑物所在地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析;其次是考虑建筑物的周边环境接收太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮挡;再者与建筑物外装饰的协调，嵌入屋面装饰面层，结合装饰面层分格进行布局，以达到整体统一的效果。透光部位可以代替采光顶进行施工，达到自然采光与光能收集双结合的效果。

　　3.3 发电系统的设计

　　BIPV的发电系统设计与地面光伏电站的系统设计不同。地面光伏电站一般根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统。BIPV根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率配套系统。光伏系统设计包含3个部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。光伏方阵设计:在实际应用中往往因为要服从于建筑的外形需要，光伏方阵可能会有各种颜色与板块大小之分以及朝向和倾角，这需要光伏和建筑师共同协商，兼顾双方的需求，妥善解决。光伏组件设计涉及电池片的选型与布置、组装的装配。光伏发电系统设计要确定系统类型为并网系统或独立系统，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统布线、感应、监控显示等环节设计。

　　3.4 结构安全性与结构设计

　　光伏组件与建筑的结合涉及组件本身结构安全和固定组件连接方式的安全。组件的安装固定需对固定节点进行相应的结构计算，并充分考虑在使用期内的多种不利情况。

　　4 太阳能光伏建筑一体化应注意的事项

　　4.1 日照量问题

　　在太阳能光伏技术中，日照量是最为关键的影响因素，其直接影响电站的建设，对于太阳能光伏建筑同样如此。设计时，要参照该地历年的日照量数据，得出最佳的建设位置和线路走向。

　　4.2 矩阵的倾斜角度

　　太阳与水平地面间的角度大部分时间是倾斜的，而太阳能电池板需要与太阳保持一定的角度才能发挥其应有的效能，因此应计算出最佳的角度。对此，设计一个能自动跟随太阳角度的感应器意义重大，能自动校正矩阵的倾斜角度。但对于光伏建筑而言，要想实现该想法，存在一定的难度。

　　4.3 组件之间的电压问题

　　由于每个电池板在组成过程中大小型号存在一定的差异，因此其电压也存在一定的差异。而这个问题的解决方案较简单，仅需统一组件的型号特征即可。

　　4.4 电池板自身消耗

　　在太阳能电池板工作过程中，其自身会消耗一定的电能，使得整个系统输出的电能减少。换言之，就是电池板本身会消耗一部分自身转化的电能。所以，设计系统时应将充分考虑电池板自身的耗能情况，并将其耗能情况降至最低。

　　4.5 系统所处环境

　　对于光伏系统而言，其自身所处的环境是一个必然考虑的因素，如系统所处环境是否有遮挡物，其湿度和温度是否会对系统的运行造成影响等。只有综合分析这些问题并提出相应的解决方案，才能充分发挥电池板的性能。

　　4.6 负载情况

　　太阳能系统主要的服务对象是负载，因此负载的实际情况决定了整个系统的规模和电池板的规格。例如，一些偏远地区的信号塔，其用耗能情况基本都是固定的，系统仅需满足其日常耗能即可;一些民用住宅不同时间段的耗能情况不一样，其波动变化较大，所以在进行系统设计时应充分考虑所有电器设备的耗能情况(注意季节性电器，如空调等)。

　　4.7 外观设计

　　从当前很多高层建筑的设计来看，很多外墙基本都是玻璃结构(玻璃幕墙)，如钢化玻璃等。这些材料的使用能满足遮挡需求，但是透光性不高，尤其是对于一些具备观光性质的高层建筑，明显达不到其需求。所以，选择光伏组件材料时，应选择双面玻璃型号，不仅可满足其透光需求，而且能带来一定的经济效益。

　　4.8 接线盒

　　接线盒对于光伏组件的保护起着非常重要的作用，如恶劣环境保护、防水、防触电保护等。因此，在系统设计过程中，应充分将其融入系统构架。

　　5 建筑光伏系统的主要应用

　　5.1 附加光伏系统(BAPV)

　　就附加光伏系统而言，主要包含屋顶和墙面这两个附加系统。对于屋顶附加系统，就是把光伏板直接安装到建筑屋顶的上面，通常适用于平屋顶和坡屋顶，因为建筑屋顶是没有遮挡物的，获取的光能更多一些。对于墙面附加系统，就是把光伏板安装到建筑墙面上，需要按照建筑的实际情况，把光伏板安装到采光良好的墙面上，并且该系统通常适用于老建筑。

　　5.2 光伏建筑一体化(BIPV)

　　就光伏建筑一体化而言，它主要由采光顶、幕墙以及构件三部分组合而成的。对于光电采光顶，它就是把太阳能光伏板运用到屋面上，需要确保光伏板有着良好的透光性能。通常情况下，透光率大约在10%到50%之间;对于光伏幕墙，就是把太阳能光伏板当做建筑的玻璃幕墙，需要确保太阳能光伏板具有良好的发电性能，虽然它与传统的玻璃幕墙有着相同的构造，但它可以把太阳能转化为电能;对于光伏构件，就是把光伏板当做构件应用到建筑中，比如遮阳构件、围护构件、栏杆等，这样一来，不仅可以起到了美观的作用，而且还节省了大量的建筑构件。

　　6 结束语

　　我国是一个能源消耗大国，每年能耗约占全世界的1/3，其中能耗中有45%是建筑能耗，是汽车和工矿企业的4倍。随着国家将节能减排上升到政治和民生工程的高度，低碳注定是未来建筑的方向，而使用太阳能是建筑节能最有效的手段之一。光伏建筑一体化的发展将成为节能减排低碳环保的第一战，标志着向可持续发展的能源体系过渡。

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