建筑光伏優化設計的探索和實踐

郭琳琳 鞠振河 劉 婕

（沈陽工程學院，沈陽 110136）

目前中國房屋總建筑面積約500 億m2，可利用面積約計50 億m2。如果利用20%的面積安裝太陽光伏方陣就會有100GWp。通過國家倡導優先支持的分布式光伏發電政策，利用建筑發展光伏，即發即用、余電上網等等措施，即節省了常規化石能源的消耗，極大緩解不斷增長的電力負荷帶來的遠距離輸電所造成的損失，同時減少了大量霧霾排放物。

我國建筑部門把光伏建筑分為安裝型（BAPV）和構件型（BIPV）兩種，用等式來表示則為“BMPV=BIPV+BAPV”。BMPV 是目前世界光伏發電的重要應用領域和主要市場。

太陽能光伏建筑是太陽能光伏系統與現代建筑的完美結合，在建筑結構外表面鋪設光伏組件提供電力，將太陽能發電系統與屋頂、天窗、幕墻等建筑融合為一體，建筑綠色環保住宅。將光伏技微電網術和建筑相結合則為分布式光伏發電技術提供了更加靈活更加方便的新型分布式光伏發電應用技術。

將太陽能發電應用在平時的建筑中的技術，在電氣工程中已廣泛應用，對于一棟房屋來說，其坐落的朝向、高度、屋頂的傾向、屋檐的寬度等因素都對太陽能光伏組件的發電量有重大的影響。圖1為建筑光伏優化設計執行的程序框圖。

由圖1建筑光伏優化設計執行的程序框圖表明，一旦建筑的基地選定后，設計進程是一個反復的過程。當決定了住宅在基地中的位置，并進行旋轉以獲得最好的太陽能性能之后，要在建筑中選擇不同的太陽能技術，運行計算機能源模擬，最終計算投資回報。每一個步驟之后結果可能要返回上一步驟做出某些調整。這種過程是反復的，要對每種可能性嘗試和探索。運行這種方法將產生多種設計方案，可以結合外觀因素的考慮加以比較和討論。

圖1 建筑光伏優化設計執行的程序框圖

典型的住宅屋頂并網光伏系統主要由太陽電池方陣、并網逆變器和控制器等三大部分構成，如圖2所示。

圖2 典型住宅屋頂并網光伏系統示意圖

下面以沈陽工程學院示范基地太陽能房項目作為案例，對案例的光伏陣列進行詳細分析。

1 總體結構設計

建筑基地位于沈陽工程學院圖書館西側，考慮到周邊建筑物以及樹木的遮擋，這些在陰影的概念里屬于靜態陰影，對于光伏組件的發電量有很大的影響，所以選址之前要測量整個基地的陰影遮擋率，將遮擋率相對最小的區域作為建筑的坐落位置。同時收集有關氣象學、太陽輻射以及當地氣候的數據資料。經過大量選點的遮擋率的比較，選取以下12個點的圍繞區域作為建筑建設的位置，如圖3所示。

建筑各光伏安裝關鍵點的全年光照率見表1。

圖3 光照率選點

表1 各點全年光照率

以上光照率是使用太陽眼（solar eye）儀器在距地面1.5m 高的水平位置測得，能避開部分底矮灌木造成的陰影的影響，具有一定的說服力，但光伏組件鋪設在距地面高至少4m 的屋頂上，因此該區域的遮擋率雖然能證明此區域是最好的光伏建筑選址，但并不代表光伏組件鋪設位置光照率（光伏組件鋪設位置的光照率需要在建筑建成后重新在距地面4m 的位置測量）。

2 光伏陣列設計

該光伏建筑電氣系統的直流部分的設計，分為組件選型、方陣設計、方陣排布及相應的支架、基礎、連接線纜設計。

2.1 光伏組件選型

由于國產多晶硅太陽電池近年來發展迅速，國產高效多晶平板電池組件被各種電站選用，電池效率達到17～18%，通過ISO 9001 質量體系認證及UL、TUV、IEC 等一系列國際認證，能保證光伏組件輸出功率達到25年以上，電池效率與穩定性均處于世界先進水平。

在建設光伏建筑一體化項目中，也常常選用多晶硅電池，這種組件的特點是：①優質牢固的鋁合金邊框可抗御強風、冷凍，并且不易變形；②新穎特別的邊框設計能加強玻璃與邊框的密封；③鋁合金邊框的長短邊備有安裝孔，滿足不同安裝方式的要求；④高透光率的低鐵超透光玻璃增強抗沖擊力；⑤優質的EVA 材料和背極材料。

考慮到屋頂面積有限這一因素，結合光伏組件規范，組件功率越大，其面積越大，對于屋頂施工越困難，越影響美觀。因此選用30W/17V 的光伏組件，組件規格如圖4所示。

圖4 30W/17V 光伏組件規格

該30W/17V 光伏組件的主要參數見表2。

表2 MT-30 光伏組件參數

2.2 光伏陣列的排布

每片太陽電池只能產生大約0.5V 的直流電壓，遠低于實際使用所需電壓。為了滿足實際應用的要求，需要把太陽電池串聯成組件。太陽電池組件包含一定數量的太陽電池，這些太陽電池通過導線連接。該電氣系統安保所用光伏組件封裝36 片太陽電池片，正常輸出電壓17V 左右。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件串、并聯組成太陽電池方陣，以獲得所需的電壓和電流。太陽電池組件串、并聯組成方陣是根據太陽電池組件和逆變器的性能參數以級在 -20℃～70℃的驗算溫度情況下來設計的。

對于一個獨立的光伏發電系統來說，設計的總原則是：在保證滿足負載供電的前提下，確定使用最小的電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。但是此光伏建筑系統屬于并網系統，雖然其中5000W 的微網系統有儲能裝置，但是此部分的蓄電池容量設計在能量控制下不需要根據負載來設計。其實對于一棟單層的房屋建筑來說，其負載是普通照明、電腦、電視、空調等，負載功率非常小，如果要按照負載功率來算的話，極少的光伏組件就能滿足。大部分光伏組件產生的電量，主要并入電網使用。

該光伏建筑電氣系統有四個模塊構成：屋頂微網部分（含儲能）、屋頂并網部分、南面光伏玻璃幕墻并網部分、科技樓并網部分。

1）屋頂微網部分

微網部分的蓄電池為48V 系統，假設設計一個5000W 的光伏系統。則需要m塊光伏組件串聯，共n串。串聯數m由太陽電池方陣的工作電壓決定，應考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對電池組件的影響；按照太陽能年總輻射量或年日照時間的10年平均值即能確定光伏組件的并聯數n。則：

系統工作電壓U=48V；

系統功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= (1 +η)U= (1 + 30%)× 48 = 62.4V；

光伏組件串聯數m=U0u= 62.4 17 = 3.67塊，取4 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 4 × 30 = 120W；

并聯數n≈P P0= 5000 120 = 41.67串，取42 串。

經計算，屋頂微網部分30W/17V 光伏組價共168 塊（一串4 塊，總共42 串），總功率為5.04kW。

微網168 塊組件的排布形式如圖5所示。

圖5 屋頂南面微網部分光伏組件排布

2）屋頂并網部分

并網部分的系統電壓為220V，假設5000W 的光伏系統。

系統工作電壓U=220V；

系統功率P≈5000W；

單塊光伏組件額定電壓u=17V，額定功率P0=30W；

光伏陣列的工作電壓U0= 360V ；

光伏組件串聯數m=U0u= 360 17 = 21.1塊，取20 塊一串；

每串組件的功率P1=m×P0= 20 × 30 = 600W；

并聯數n≈P P0= 5000 600 = 8.33串，取9 串。

經計算，屋頂并網部分30W/17V 光伏組價共180 塊（一串20 塊，總共9 串），總功率為5.4kW。

并網180 塊組件的排布形式如圖6所示。

圖6 屋頂并網部分光伏組件排布

2.3 匯流箱設計

在太陽能光伏發電系統中，用戶可以將一定數量、規格相同的光伏電池串聯起來，組成一個個光伏串列，再將若干個光伏串列并聯接入光伏匯流箱，在光伏匯流箱匯流后，通過直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用，從而構成完整的光伏發電系統，實現與市電并網。這樣做的目的是為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連線。

若干光伏陣列接入匯流箱，通過光伏專用熔斷器保護后，接入光伏防反充二極管，防止太陽能光伏陣列中串聯起來的光伏電池板有逆流現象的產生，再通過直流斷路器接入到逆變器中，有防雷功能的匯流箱要加入防雷器（浪涌保護器），當雷擊發生時，能將過大的電能泄掉，保證電能的正常輸出，從而避免對匯流箱的傷害。

屋頂微網部分：一個光伏串列電流為I1=1.76A，共 42 個光伏串列，接入 4 個 12 路匯流箱（HLX1201），其中前三個匯流箱12 路全部接入（36串），剩下6 串接入下一個匯流箱，這樣此匯流箱有6 路是多余的，其不影響系統的管理，不需要做任何處理。這樣42 組線進4 個匯流箱，出來4 組線，大大減少了線纜的數量。最后再將這4 組線通過一個4 路匯流箱，輸出端就只有一組電纜了，即可通過直流斷路器直接接入逆變器的輸出端（如圖7所示）。

如圖7所示，一次匯流箱體內均未接入斷路器和避雷器，這是因為一次匯流箱輸出電流較二次匯流箱小，在二次匯流箱內接入的防雷器和直流斷路器，同時能對一次匯流起到過流保護和防雷擊的作用。

屋頂并網部分：一共9 個光伏串列，并入一個12 路匯流箱即可。

圖7 屋頂微網部分匯流箱

綜上所述，本光伏建筑電氣系統中共需要6 個匯流箱，其中5 個12 路（HLX1201），1 個4 路（HLX0401）。匯流箱還必須滿足屋頂內安裝的使用條件，絕緣防護等級要達到IP65，接入最大光伏串列的開路電壓值可得DC900V，熔斷器的耐壓值不小于DC1000V，每路光伏組串具有二極管防反充保護功能，配有光伏專用避雷器。

3 建筑屋頂各個區域光伏發電結果估算

不同朝向安裝的光伏組件的發電量估算原則：

假定向南最佳傾角固定安裝的光伏組件發電量為100，對于其他朝向，全年發電量均有不同程度的減少（估算值，見圖8）。說明：在不同地區及不同太陽輻射條件下，減少的程度各不相同。

圖8 太陽電池方陣不同朝向的相對發電量

1）南斜面發電量

南斜面屋頂，正南傾斜角30°，根據遼寧省地方規程《太陽能光伏建筑一體化技術規程》P47 頁，查得沈陽地區正南 30°傾角年平均日輻照量4.57kW·h/m2，即這個區域的峰值日照時間為4.57h/m2/day。該斜面發電包括微電網發電和部分并網發電。

南斜面光伏微電網發電量日發電量為

南斜面部分并網（20 塊/串、兩個串列）發電量日發電量為

2）東斜面發電量

東斜面的發電量是屋頂并網發電的一部分，20塊/串，共3 個串列，另外東南合并的1 個串列也算入東斜面發電量，其日發電量為

3）西斜面發電量

西斜面的發電量是屋頂并網發電的一部分，20塊/串，共3 個串列，其日發電量為

4）總光伏發電量與房子實測負載之間的能量平衡關系

綜上所述，太陽能房室內保持22℃～25℃之間的舒適溫度及新風循環前提下，每天太陽能總發電量為：23.03＋5.484＋8.226＋6.170=42.91kW·h。

由于太陽能光照幅度有很多因素的影響，所以其發電量每天會有波動。通過圖10 智能光伏微電網操作系統，可以決定室內的負載的使用情況。每天的負載使用情況不一樣，導致其用電量也不一樣。 以8月份前20 天為例，據圖9能量平衡實驗數據分析結果可以詳細的分析該月份的發電量以及用電量。具體數據分析見表3。

圖9 能量平衡實驗數據分析

圖10 智能光伏微電網操作系統

表3 8/1-8/20 的發電量和用電量的數據采集

經計算，8月份前 20 天太陽能總發電量為744.1kW·h；負載總用電量為316.1kW·h；剩余的電量，即并入電網的總電量為428kW·h。折算到日發電量為：太陽能日發電量37.21kW·h，負載日用電量15.81kW·h，剩余電量21.4kW·h。

4 結論

本文論述了住宅中的光伏發電應用，尤其對屋頂的光伏陣列的鋪設、排布以及匯流箱的設計做了詳細的說明。光伏建筑在住宅中的應用在國內尚處于發展期，還未廣泛應用，事實上，國外的無數案例已經證明，光伏發電應用在住宅中，有很大的優勢，比如：節約空間、自發自用、回收期短、可持續使用。因此，這種太陽能發電的綠色建筑應該得到關注，并且廣泛推廣起來。本案例從建筑的總體節能出發，采用微能耗太陽能建筑技術，通過光伏建筑的優化設計，建筑的能源完全可以來自太陽能，即實現零排放。

[1] 鞠振河.遼寧省地方規程《太陽能光伏建筑一體化技術工程[M].遼寧: 科學技術出版社,2010.

[2] 李安定,呂全亞.太陽能光伏發電系統工程[M].北京: 北京工業大學出版社,2001.

[3] 丁世磊,賈艷剛,王寶華,等.光伏建筑一體化應用技術與案例[J].太陽能,2013(1): 46-51.

[4] 周林,黃勇,郭珂,等.微電網儲能技術研究綜述[J].電力系統保護與控制,2011,39(7): 147-152.

[5] 田春寧,鞠振河,李瀟瀟.光伏發電技術與建筑結合的設計應用[J].水電與新能源,2012(2): 70-73.

[6] 蓋爾威.太陽房:太陽能建筑設計手冊[M].北京: 機械工業出版社,2008.