太陽能光伏發(fā)電技術(shù)對建筑電氣設(shè)計的影響

陳 昕

（中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211000）

0 引 言

眾所周知，社會的發(fā)展離不開能源和資源的支撐，而大部分能源和資源是不可再生的，如何突破這一困境成為一個世界級難題[1]。而隨著建筑行業(yè)的發(fā)展與進步，電氣設(shè)計已突破原有的限制，達到了傳統(tǒng)模式難以達到的維度，其中最為典型的代表就是太陽能光伏建筑一體化。

1 太陽能光伏建筑一體化概述

通過分析太陽能光伏建筑一體化的構(gòu)架可以看出，其主要是在太陽能光伏技術(shù)的理論基礎(chǔ)上利用方陣的模式，在建筑的最表層構(gòu)架一個系統(tǒng)、立體的太陽能矩陣。這個矩陣既可以是一個獨立的系統(tǒng)，獨立承擔(dān)該棟建筑的日常能源消耗，又可以將其并入國家電網(wǎng)，輸入自身轉(zhuǎn)化的能源，進而達到一定的經(jīng)濟效果。在設(shè)計這個矩陣的時候，除了考慮該矩陣最大能源轉(zhuǎn)換率，還應(yīng)符合該建筑的設(shè)計理念，確保其既環(huán)保又美觀。由于光伏矩陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注[2]。

2 太陽能光伏建筑一體化的優(yōu)勢

第一，太陽能光伏建筑一體化的能源轉(zhuǎn)化過程不會產(chǎn)生污染物，而且其設(shè)備可以重復(fù)循環(huán)使用，具有一定的綠色性，對生態(tài)環(huán)境保護具有一定的作用[3]。第二，太陽能光伏建筑一體化設(shè)備主要安裝于建筑的屋頂、外墻等部位，在充分發(fā)揮建筑效能的同時，節(jié)約了原本建筑太陽能方陣所需的空間。第三，相較于太陽能發(fā)電站，由于其直接建設(shè)在建筑的外墻，將其產(chǎn)生的能源直接作用于該建筑或國家電網(wǎng)，所以其不需要架設(shè)能源輸送線路，進而節(jié)約了大量成本。第四，在方陣設(shè)計過程中不僅可以融入相應(yīng)的文化元素，而且可以融入建筑設(shè)計理念，使其具有一定的藝術(shù)性。第五，由于太陽能矩陣的屬性，可以將其直接用作建筑材料，進而節(jié)約大量的建筑材料。第六，由于太陽能本身屬于高科技領(lǐng)域，因此將其應(yīng)用在建筑外墻上，可以彰顯我國科學(xué)技術(shù)的進步。

3 太陽能光伏建筑一體化應(yīng)注意的事項

實踐證明，要想充分發(fā)揮太陽能光伏建筑的效能，必須注意一些事項，不斷改進建筑電氣設(shè)計[3]。例如，設(shè)計某一光伏建筑的時候，需要充分考慮環(huán)境因素（日照量）、矩陣的最佳角度以及其他負載情況等。此外，在外觀設(shè)計上，應(yīng)注意不僅要符合使用者或城市本身的文化特征和文化需要，而且應(yīng)凸顯其實際功能。

3.1 日照量問題

在太陽能光伏技術(shù)中，日照量是最為關(guān)鍵的影響因素，其直接影響電站的建設(shè)，對于太陽能光伏建筑同樣如此。設(shè)計時，要參照該地歷年的日照量數(shù)據(jù)，得出最佳的建設(shè)位置和線路走向。

3.2 矩陣的傾斜角度

太陽與水平地面間的角度大部分時間是傾斜的，而太陽能電池板需要與太陽保持一定的角度才能發(fā)揮其應(yīng)有的效能，因此應(yīng)計算出最佳的角度。對此，設(shè)計一個能自動跟隨太陽角度的感應(yīng)器意義重大，能自動校正矩陣的傾斜角度。但對于光伏建筑而言，要想實現(xiàn)該想法，存在一定的難度。

3.3 組件之間的電壓問題

由于每個電池板在組成過程中大小型號存在一定的差異，因此其電壓也存在一定的差異。而這個問題的解決方案較簡單，僅需統(tǒng)一組件的型號特征即可。

3.4 電池板自身消耗

在太陽能電池板工作過程中，其自身會消耗一定的電能，使得整個系統(tǒng)輸出的電能減少。換言之，就是電池板本身會消耗一部分自身轉(zhuǎn)化的電能。所以，設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)將充分考慮電池板自身的耗能情況，并將其耗能情況降至最低。

3.5 系統(tǒng)所處環(huán)境

對于光伏系統(tǒng)而言，其自身所處的環(huán)境是一個必然考慮的因素，如系統(tǒng)所處環(huán)境是否有遮擋物，其濕度和溫度是否會對系統(tǒng)的運行造成影響等。只有綜合分析這些問題并提出相應(yīng)的解決方案，才能充分發(fā)揮電池板的性能。

3.6 負載情況

太陽能系統(tǒng)主要的服務(wù)對象是負載，因此負載的實際情況決定了整個系統(tǒng)的規(guī)模和電池板的規(guī)格。例如，一些偏遠地區(qū)的信號塔，其用耗能情況基本都是固定的，系統(tǒng)僅需滿足其日常耗能即可；一些民用住宅不同時間段的耗能情況不一樣，其波動變化較大，所以在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮所有電器設(shè)備的耗能情況（注意季節(jié)性電器，如空調(diào)等）。

3.7 外觀設(shè)計

從當前很多高層建筑的設(shè)計來看，很多外墻基本都是玻璃結(jié)構(gòu)（玻璃幕墻），如鋼化玻璃等。這些材料的使用能滿足遮擋需求，但是透光性不高，尤其是對于一些具備觀光性質(zhì)的高層建筑，明顯達不到其需求。所以，選擇光伏組件材料時，應(yīng)選擇雙面玻璃型號，不僅可滿足其透光需求，而且能帶來一定的經(jīng)濟效益。

3.8 接線盒

接線盒對于光伏組件的保護起著非常重要的作用，如惡劣環(huán)境保護、防水、防觸電保護等。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)充分將其融入系統(tǒng)構(gòu)架。

4 太陽能光伏建筑設(shè)計重點

光伏建筑實質(zhì)上是一種零排放的綠色建筑。隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的進步，加之當前我國土地資源緊張，尤其是能源需求不斷提高的背景下，誕生了光伏建筑一體化理念。目前，光伏建筑主要有兩大類，即以建筑和光伏矩陣結(jié)合、建筑和光伏發(fā)電結(jié)合。對于光伏建筑，設(shè)計環(huán)節(jié)需要考慮的因素有很多。

一方面，對于系統(tǒng)的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)安全性而言，設(shè)計時應(yīng)考慮2個因素。一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全。因為很多光伏建筑的方陣基本都在高層，而樓層越高，風(fēng)力等級越大。以地面5級風(fēng)力為例，當?shù)孛骘L(fēng)力達到5級后，15樓以上的風(fēng)力可能達到7級以上（疾風(fēng)，步行困難），因此如果采用普通的結(jié)構(gòu)和器械，會埋下安全隱患，并且會不同程度地影響系統(tǒng)正常運行。二是固定組件連接。從實際操作過程可以看出，在連接系統(tǒng)組件的過程中，需要將組件固定在連接點的位置（注意不是傳統(tǒng)的機械安裝），并且安裝之前應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)特性，分析并計算出最佳的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括光伏組件的壽命和建筑壽命等。鑒于此，可以將光伏組件作為某些新修的建筑高層的建筑材料，用于屋頂和外墻。而當光伏組件用在這些情況下時，在設(shè)計過程中應(yīng)對其進行加厚處理。此外，應(yīng)充分考慮材料的韌性。通過韌性設(shè)計提升系統(tǒng)的抗風(fēng)性能，從而保證光伏系統(tǒng)不會變形，確保系統(tǒng)始終能正常運行。

另一方面，對于組件和矩陣設(shè)計而言，應(yīng)充分考慮如下2個因素。一是太陽能是直接影響光伏組件的元素。二是系統(tǒng)中各個元件的性能，如電池板、蓄電池等。其中，能直接影響太陽能的元素有經(jīng)緯度、大氣情況、海拔等，因此太陽能每天、每月、每季的輻射情況均會有明顯的變化，直接影響光伏組件的電能轉(zhuǎn)換。對于這些客觀存在的因素，往往無法實施針對性措施予以避免。而對于光伏組件而言，其光伏矩陣傾斜度、表面清潔度、電池轉(zhuǎn)化率及周圍環(huán)境均是設(shè)計需重點考慮的問題。結(jié)合建筑自身實際情況來講，光伏組件結(jié)構(gòu)或集成屋頂對太陽輻射的接收有限，設(shè)計應(yīng)重點注意，而為了獲取大量太陽能，在做好物理維護的同時（清潔等），應(yīng)優(yōu)化設(shè)計矩陣的最佳位置。

5 案例分析

5.1 工程概況

某商業(yè)辦公建筑所占地面積約為1.7×104m2，總建筑面積為8.8×104m2，共有5棟高層辦公樓，下面2層為商鋪，3層及以上為辦公區(qū)域。在建筑規(guī)劃設(shè)計中，要求滿足綠色建筑二星級設(shè)計標準，設(shè)計至少一種可再生能源。根據(jù)工程實際情況（所在區(qū)域、成本），對比分析了地源熱泵系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，最終選擇了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其安全性能高、無污染，且能為建筑持續(xù)提供所需電能。

5.2 技術(shù)應(yīng)用

在這一項目中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要為地下室、走廊等區(qū)域提供照明。設(shè)計時，應(yīng)從經(jīng)濟性、可靠性、實用性和合理性等角度進行綜合考慮，不僅要科學(xué)配置系統(tǒng)，而且需保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行，符合建筑照明用電需求。在這一需求下，盡量控制太陽能電池組件功率，確保系統(tǒng)可靠運行，并控制成本，獲取最大化經(jīng)濟效益。

5.2.1 明確系統(tǒng)位置

分析整個辦公樓，屋頂挑空區(qū)域較多，南側(cè)空間大，能為太陽能電池板安裝提供所需區(qū)域。所以，設(shè)計時要想避免出現(xiàn)遮擋情況，要采取架高處理方法。結(jié)合《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容，正確安裝太陽能光伏組件，確保09:00—15:00前排光伏組件不會遮擋后排光伏組件。借助Ecotect軟件對出現(xiàn)的遮擋進行分析，保證相鄰兩排光伏組件距離在1 400 mm范圍內(nèi)。本工程光伏組件共320塊，主要設(shè)置在建筑屋頂上，面積共達523.76 m2，安裝功率為300.8 kW。太陽光能被太陽能光伏組件轉(zhuǎn)換為直流電，通過輸配電網(wǎng)向地下室配電房傳輸，并在逆變器中形成380 V交流電。電網(wǎng)主要向變壓器負載端傳送，而不與公共電網(wǎng)相連接。

5.2.2 確定應(yīng)用范圍

眾所周知，太陽能是一種典型的補充電源，可有效保護環(huán)境，為群眾生活與生產(chǎn)提供源源不斷的能源。然而，這并不表明太陽能光伏發(fā)電能超越傳統(tǒng)火電。由于其能量密度較低且不夠穩(wěn)定，一般只運用于三級負荷，保證照明用電和普通插座用電。

5.2.3 計算年發(fā)電量

太陽能光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量與所處區(qū)域維度傾角平面年總輻照量Q（Q=1 205.94 kW·h/m2）、光伏發(fā)電板面積Ac、光電轉(zhuǎn)換效率η1及綜合發(fā)電效率η2密切相關(guān)，相應(yīng)的計算公式如下：

En=Q×Ac×η1×η2

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可知En=1 205.94×523.76×15%×80%≈7.71（kW·h）。

6 結(jié) 論

提出了光伏建筑設(shè)計時應(yīng)注意的問題，具有一定的參考價值，還存在一些不足。希望相關(guān)單位或人員能深入研究光伏建筑的應(yīng)用方式，提出符合我國國情的設(shè)計方案，切實推動我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展與進步。