小戶型太陽能瓦片屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

左佰周

摘 要：隨著人們對節(jié)能環(huán)保的日益重視，光伏產(chǎn)業(yè)獲得了越來越多的發(fā)展契機，其中屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在近些年來的普及率增長很快，應用范圍已經(jīng)不只局限于各種公共建筑和特殊建筑，在小戶型的居民住宅建筑中也得到了一定的應用。傳統(tǒng)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)大多與建筑結構本身相分離，但隨著光伏建筑一體化這一理念的普及，人們開始更青睞于使用可以同時滿足光伏發(fā)電需求和建筑功能需求的太陽能瓦片來設計系統(tǒng)。本文將針對這種情況進行技術和應用兩方面的分析，希望對這種技術應用的進一步普及有所幫助。

關鍵詞：太陽能瓦片；小戶型；屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

對小戶型的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，光伏建筑一體化設計能發(fā)揮非常好的能效。這是因為小戶型建筑的屋頂空間有限，對發(fā)電量的需求通常也比較低，所以相比注重光伏發(fā)電量和發(fā)電效率的的分離式光伏發(fā)電設計，發(fā)電效率較低但節(jié)省空間、綜合性能高、功能多樣化的一體化設計更適合小戶型建筑。在光伏建筑一體化的相關技術中，屋頂用的太陽能瓦片技術是典型代表，該技術融合了光伏發(fā)電設計與建筑瓦片設計，令瓦片可以同時滿足光伏發(fā)電功能和建筑上的力學、防水、防曬等功能，具有很高的實用價值。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)視其安裝位置的不同可以分為兩種，一種是安裝在建筑外墻位置的側面光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一種是安裝在屋頂?shù)奈蓓敼夥l(fā)電系統(tǒng)。其中以后者更為常見，因為這種光伏發(fā)電系統(tǒng)可以后續(xù)添加，具有更高的適性，即使是太陽能瓦片這種對設計有較高要求的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也只需要在建筑屋頂進行少量的后期設計改造就能實現(xiàn)。基于上述原因，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)擁有更高的應用普及價值。

2 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）我國屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國的光伏產(chǎn)業(yè)雖然在近些年呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展趨勢，但從總體技術水平來看仍處于初期的發(fā)展培育階段，相關技術遠遠稱不上成熟。目前來看，我國的光伏發(fā)電技術有如下幾個特征：

其一，能量轉換率低。這是目前制約我國光伏發(fā)展的最主要因素，也是要面對的首要問題。我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)通常只有10%到15%的實際轉換率，過低的轉換率令光伏發(fā)電的成本居高不下，大大降低了技術實用性。直到2010年推出了轉換率達到26%的聚光光伏發(fā)電技術，這種狀況才有所好轉，但提高能量轉換率依然是光伏發(fā)電的首要技術目的。

其二，技術應用化程度不高。我國目前有相當一部分研究機構在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，包括光伏企業(yè)、各個大學的實驗室等，但這些機構中有相當一部分重理論，輕實踐，獲得的技術成果局限于實驗室里，應用程度不高。還有部分研究人員的光伏技術研究與實踐缺乏聯(lián)系，偏離目前對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際需求，導致研究成果的社會能效不大。

其三，環(huán)境能效相對成熟。我國目前常用的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)理論壽命普遍超過十年，其能量回收周期則大致在三年左右。所以僅從環(huán)境能效上來看，我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)還是有相當水準的，能夠在環(huán)保節(jié)能方面發(fā)揮相當大的作用。

（二）我國屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

從行業(yè)發(fā)展的角度來看，我國光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀有如下兩方面特征：

其一，零散發(fā)展特征。我國的光伏產(chǎn)業(yè)非常分散，缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，這使得雖然有部分地區(qū)或建筑在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用上獲得了極好的成效，但總體水平遲遲得不到提升，各地的產(chǎn)業(yè)發(fā)展參差不齊。

其二，社會效益低。光伏產(chǎn)業(yè)受限于技術水平，目前還無法實現(xiàn)太高的經(jīng)濟效益，這是其社會效益得不到提升的主要原因。另一方面，我國的光伏產(chǎn)業(yè)還無法實現(xiàn)完全獨立的產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)營，晶硅材料之類的主要原材料還要依賴國外的加工技術，這對我國光伏產(chǎn)業(yè)的社會效益也造成了一定的負面影響。

3 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方式

（一）光伏組件設計

光伏組件的設計是傳統(tǒng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要設計環(huán)節(jié)，在以光伏建筑一體化理論為基礎的光伏設計中，該環(huán)節(jié)更為重要，也更為復雜。因為太陽能瓦片同時負擔光伏發(fā)電和建筑功能兩方面的任務，所以在選擇光伏組件時不只要關注組件的發(fā)電能效，還要注意與瓦片基底的組合適性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的光伏組件有三種，分別是晶硅組件、薄膜組件、聚光組件。其中聚光組件雖然轉換效率高、價格便宜，但需要額外的冷卻裝置和大體積的聚光鏡，不適合應用于太陽能瓦片，所以目前太陽能瓦片選擇的組件基本都是晶硅組件與薄膜組件。因為晶硅組件的厚度較大，所以出于美觀和體積考慮，又以薄膜組件的選擇較多。

（二）光伏陣列設計

在傳統(tǒng)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設計中，為了保證光伏組件能接受最大限度的光照，發(fā)揮更高的能效，需要結合當?shù)氐娜照諚l件設計光伏陣列。在應用了太陽能瓦片的屋頂一體化光伏發(fā)電系統(tǒng)設計中，由于光伏發(fā)電的太陽能電池板與建筑瓦片是一體的，所以光伏發(fā)電陣列無法額外設計，必須與瓦片陣列等同。這種硬性要求對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率有一定的影響，因為無法進行專門光伏陣列設計的太陽能瓦片在接受光照的效率和時間上往往比分離式的太陽能電池板要低，兼之太陽能瓦片使用的光伏組件大多是發(fā)電效率較低的薄膜組件，所以這種屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率基本都比非一體化的光伏發(fā)電系統(tǒng)低上一個檔次。為了盡可能彌補這一缺陷，需要在最初的建筑工程設計時就把光伏需求考慮進去，令瓦片的排列方式能盡可能接受光照，換言之，太陽能瓦片的光伏整列設計時間需要大幅提前到建筑總體設計階段。

（三）光伏逆變器設計

光伏逆變器是屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的中樞裝置之一，因此選擇時務必要謹慎。不過由于其與光伏組件的類型、排列等并無太大的關系，所以應用了太陽能瓦片的光伏發(fā)電系統(tǒng)在光伏逆變器的設計選擇上與傳統(tǒng)的光伏設計基本一致。

太陽能瓦片的每片瓦片都可以看作一個獨立的光伏組件，由于轉換率較低，所以每片太陽能瓦片的輸出電壓也不高。而光伏逆變器想要正常運作需要足夠高的直流輸入電壓，單一瓦片的輸出電壓基本無法滿足這一要求，所以需要將太陽能瓦片進行適當串聯(lián)。由于光伏逆變器功率與組件溫度有關，所以在串聯(lián)瓦片時必須嚴格計算串聯(lián)工作電壓、光伏組件溫度、光伏逆變器電壓區(qū)間的關系，保證最高溫度時的串聯(lián)工作電壓大于光伏逆變器最小電壓，最低溫度時的開路電壓小于光伏逆變器最大輸入電壓，否則有引發(fā)功率失真、逆變器損壞等故障的可能性。

（四）系統(tǒng)組件設計

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組件指的是不與光伏發(fā)電過程本身直接相關的附加系統(tǒng)組件，這些組件雖然不參與直接的光伏發(fā)電過程，但對整個系統(tǒng)的正常運作有保障作用。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩套附加系統(tǒng)組件，分別是防雷系統(tǒng)和保護測控系統(tǒng)，而應用了太陽能瓦片的光伏發(fā)電系統(tǒng)因為還要滿足建筑工程需求，所以還要增加額外的防水系統(tǒng)。

在這三類附加系統(tǒng)的設計中，保護測控系統(tǒng)的設計基本相同，但太陽能瓦片的防雷系統(tǒng)和防水系統(tǒng)是設計難點。目前常用的設計模式是讓太陽能瓦片借用整個建筑的防雷系統(tǒng)，防水系統(tǒng)則延續(xù)傳統(tǒng)的建筑屋頂防水系統(tǒng)，雖然有一定的能效，但針對性較差，有進一步優(yōu)化的必要。

4 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)針對小戶型的設計優(yōu)化措施

（一）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)轉換效率的優(yōu)化設計

如前文所述，一體化的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)與小戶型擁有非常好的適性，因為小戶型建筑對光伏發(fā)電的需求量通常比較低，太陽能瓦片這類光伏轉換效率相對較低的組件也能發(fā)揮較好的能效。但這種情況長期持續(xù)下去并不利于太陽能瓦片的進一步應用，所以依然需要針對轉換效率進行優(yōu)化。

在當前的技術條件下，可以盡快應用的轉換效率提升措施有二：其一是以小區(qū)為單位，實行光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)化，從小區(qū)規(guī)劃設計階段就將全部的住宅屋頂設計成太陽能瓦片，以實現(xiàn)全小區(qū)的光伏系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。雖然不能提升個別瓦片的轉化率，但提高了整體的電能接收利用率，相當于間接提高轉換效率。其二是在設計建筑的整體結構時，考慮屋頂?shù)娜照章剩ＷC屋頂?shù)奶柲芡咂芙邮茏畛浞值娜照眨瑥浹a無法進行光伏陣列設計的效率損失。

（二）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)材料成本的優(yōu)化設計

材料成本一直以來都是制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大問題。目前來看，我國并沒有加工和提煉光伏發(fā)電系統(tǒng)需要的晶硅材料的必要技術，因此這些材料基本都需要進口，材料成本在這種情況下很難降低。基于此種原因，我們有必要盡快發(fā)展我國的光伏產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，積極培養(yǎng)光伏產(chǎn)業(yè)的配套企業(yè)，爭取實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)原材料生產(chǎn)的國有化，從根本上控制住光伏發(fā)電系統(tǒng)的材料成本。

對太陽能瓦片來說，常見的材料成本控制問題發(fā)生在光伏組件的選擇與瓦片基底的脫離實際上。因此想要優(yōu)化太陽能瓦片的材料成本，一方面要優(yōu)選光伏組件，盡可能選用具有較好弱光響應特性與較低價格的非晶硅材料組件，另一方面要結合實際的建設條件設計瓦片基底，盡量選用價格便宜、易于取用的基底材料，避免不切實際的設計。

（三）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防水措施的優(yōu)化設計

太陽能瓦片無論從作為發(fā)電系統(tǒng)的角度來看還是從作為屋頂瓦片的角度來看，防水功能都是一個必不可少的功能。但目前實際應用了太陽能瓦片的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)基本都沒有進行有針對性的獨立防水設計，這為光伏發(fā)電系統(tǒng)未來的長時間正常運作埋下了一定的隱患。因此，有必要針對太陽能瓦片的結構特點進行適當?shù)姆浪a強，具體來說，太陽能瓦片上的光伏導線應注意絕緣外皮的完整性；有電通過的各個接入點和接出點要進行防水密封；在有條件的情況下，太陽能瓦片的下方可設置額外的防水隔離層，避免雨水滲入電能的輸送系統(tǒng)。

（四）小戶型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命的優(yōu)化設計

我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)組件基本都具有較長的理論使用壽命，通常的使用壽命在20年左右，長的可以達到30年，最短的也超過了十年。但是在實際的應用中，往往達不到理論使用壽命，大部分光伏組件在七八年的時間內就會損壞而無法使用，有些光伏組件的實際使用壽命甚至不超過五年。太陽能瓦片的使用壽命問題更為嚴峻，根據(jù)實際經(jīng)驗，有些地區(qū)的太陽能瓦片僅能使用兩三年左右。這些使用壽命問題與光伏組件在設計上脫離實際有很大關系，在設計階段只考慮到了物理沖擊與發(fā)電能效，忽略了風蝕、酸雨、溫差變化等一系列實際因素對組件的侵蝕。因此想要優(yōu)化太陽能瓦片等光伏組件的壽命，必須結合實際的使用條件。舉例來說，在酸雨頻發(fā)地區(qū)，在設計光伏組件時要特別強化其耐酸堿能力；在風沙較大的地區(qū)，要提升光伏組件的抗風蝕、抗沖擊能力；在雨水較多的地區(qū)，要額外強化屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的防水設計。

5 結語

在我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，光伏產(chǎn)業(yè)作為節(jié)能環(huán)保、長效發(fā)展的綠色能源產(chǎn)業(yè)必將獲得更好的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)未來有很高的幾率實現(xiàn)全面普及。在這一進程中，如何更有效率地將屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)應用于小戶型建筑是非常重要的一個環(huán)節(jié)，太陽能瓦片在應用上的日趨成熟化正為這種應用發(fā)展指明了方向。相關技術人員有必要對太陽能瓦片的進一步應用加以研究，爭取在不破壞平衡性的前提下提升太陽能瓦片的光伏發(fā)電能效和建筑工程能效，以賦予其更高的應用價值，令光伏建筑一體化理論獲得更好的應用基礎。

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