光伏建筑一體化存在的問題及解決方法分析

（中國電建四川工程有限公司，四川成都 610000）

光伏建筑一體化組件主要運用太陽能發電的形式，解決城市日趨龐大的能源消耗問題，我國新能源汽車人均保有量、單位建筑地下停車充電樁的增加，提升了城市區域用電負荷的高效性、靈活性。光伏建筑一體化以城市建筑為依附，一方面緩解了城市區域建筑群長時間高強度用電等情況，另一方面，由于光伏建筑一體化的發電率較高，可降低發電的成本，實現城市區域性供電調配，降低了城市對周邊大型傳統能源電廠的依賴。隨著民眾環保意識的不斷提高、智能型城市的推廣，光伏建筑一體化已逐步成為一種主流發電形式。

1 光伏建筑一體化相關概述

光伏和建筑的結合方式主要為光伏組件與建筑相結合、光伏器件與建筑相結合兩種形式，光伏組件與建筑相結合的方式主要是光伏組件安裝在建筑物的屋頂或陽臺處，為光伏組件與建筑相結合初級形式。光伏器件和建筑相結合的形式主要采用特殊的材料和工藝加工手段，使光伏組件可作為建筑材料使用，即光伏建筑一體化。光伏建筑一體化中，可應用于建筑的光伏組件需要具備發電、建材兩種功能，應從光伏組件和建材兩方面進行考慮。

1.1 太陽能電池組件

太陽能光伏發電根據“光生伏特效應”，進一步將太陽能轉化成為電能，太陽能電池的雛形最早出現在美國貝爾實驗室單晶硅太陽能的報道中，早期的太陽能主要應用于航空航天領域。

太陽能電池經過迭代升級已經研發出晶硅電池、砷化鎵電池、銅銦鎵硒薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、染料敏化電池、鈣鈦礦電池等。晶硅電池主要受益于半導體產業的發展，目前是我國市場上的主流產品。碲化鎘薄膜電池開始陸續小規模的進行生產，為建筑電池組件在種類和數量方面提供了較多的選擇。應用建筑類光伏電池組件時，無特殊限定，可根據電池的特點及建筑物的實際情況，進一步設計光伏電池組件的形狀、顏色、透明程度、接線盒的安裝等，以滿足建筑的實際需求。

1.2 建材需求

作為建筑材料使用的光伏電池組件，應滿足建筑行業的相關標準要求。以銅銦鎵硒薄膜電池為例，銅銦鎵硒薄膜電池主要采用金屬箔或高分子聚合物作為基底，也可使用玻璃作為基底，不同基底的銅銦鎵硒薄膜電池使用的環境存在差異。根據柔性基底的光伏組件，銅銦鎵硒薄膜電池對建筑柔性薄膜光伏組件材料、外觀、質量、電池性能、電氣安全性及相關環境的抵抗能力均有明確規定，以判斷銅銦鎵硒薄膜電池能否適用于建筑施工。

在建筑市場上主要的判定依據有兩個方面：第一，檢驗光伏組件的工作性能是否滿足太陽能電池的行業標準，如國際電工委員會制定的涉及電池組件性能及安全的標準。第二，檢驗光伏組件可達到建筑材料的相關標準，如《建筑用安全玻璃第二部分：鋼化玻璃》（GB 15763.2—2016）、《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》（GB 29551—2013）、《建筑用光伏構件通用技術要求》（JG/T 492—2016）等相關標準，明確規定了有關落球沖擊剝離性能、人工性能等相關技術指標的要求。

在實際設計的過程中，應根據使用的光伏組件不同、相同電池種類的不同結構，選擇相應的標準，確保光伏組件達到建筑使用的工作性能要求。

2 光伏建筑一體化存在的問題

2.1 光伏組件的溫度效應問題

光伏組件不同于其他太陽能熱利用設備，光伏組件的溫度越高，光電轉換效率會越低。在光伏建筑一體化的應用過程中，光伏組件的負溫效應會影響光伏建筑一體化。在建筑市場上，常見的單晶硅電池和多晶硅電池的溫度響應系數為-0.45～-0.35，非晶硅電池的溫度響應系數比晶硅電池的溫度響應系數高，通常在-0.2左右，光伏組件的測試標準為太陽輻射1 000 W/m2，電池的溫度為25 ℃，在實際的應用過程中，難以達到上述標準。外界環境溫度為25 ℃、天氣情況良好，地面的太陽能輻射可達到1 000 W/m2，開放式支架的光伏組件板溫一般將達到50～60 ℃，導致晶硅光伏組件的輸出功率下降到10%～13%。組件背部未與建筑結合，易導致通風不良、散熱較差的問題發生，板溫比開放式支架的組件溫度高5～10 ℃。在光伏建筑一體化的設計中，若對光伏組件考慮不周或安裝不合理，受光伏組件的溫度升高的影響，將導致輸出功率下降15%～18%甚至更多。

2.2 遮陰與建筑不同位置光伏組件的輸出匹配問題

不及時解決遮陰問題會造成光伏建筑一體化整體效果欠佳，目前大部分鄉建筑物均難以滿足光照要求。除此之外，由于建筑物的各個位置的情況復雜，在具體的建筑物上要達到光伏發電組件的串聯、并聯難度較大，為了達到建筑物各個位置光伏陣列輸出的電壓等級一致性，可能會導致不同部位的組件尺寸、直流電壓等級出現差異。光伏發電必須考慮各個支路的電壓等級一致性，再進一步通過并聯手段介入逆變器，避免影響系統效率，充分發揮光效組件的作用。

由于光伏組件安裝在建筑屋頂或其他外圍的結構上易被雷擊，光伏建筑一體化的應用設計應重視光伏系統、組件支架、外邊框的接地和防雷情況。

3 光伏建筑一體化的解決辦法

3.1 光伏組件溫度效應的解決辦法

光伏組件的散熱技術可分為主動式、被動式，主動式散熱系統可采用的流體包括空氣、水、制冷劑等。由于水的比熱和導熱系數較高，可冷卻光伏電池板，試驗表明采用噴灑光伏板面、正背面水冷、水浸冷卻的等方式，使光伏電池板的工作溫度降低22～30 ℃，光電轉換效率提升10.3%～14.1%。

目前主流的光伏組件為光電光熱一體化，其產品類型可分為熱管水冷式、吸熱板芯式，降低了光伏電池板工作時的溫度，運用工作時產生的熱量，保障建筑溫度的穩定性。被動式散熱無須輸入額外能量，相較主動冷卻效率較低、速率較慢。被動式散熱結構簡單、質量輕便、更換成本較低，由于高層建筑上部空氣流速較快、流速方向單一，使用被動式散熱可提升換熱效率。

通過改變電池組設計、增加涂層、與熱管相結合等方式提高光伏電池組的輸出功率，降低熱斑效應。應注意由于我國南北溫差較大，在選用散熱方式時應考慮當地的氣候條件及城市布局，以太陽輻射量、溫度及風速等數據為基礎，以經濟、環保政策及建筑樣式等數據為條件，選擇最優的散熱方式，為光伏建筑一體化提供可行性的解決方案。

3.2 解決在建筑不同位置光伏組件的輸出匹配的辦法

在建筑初期設計階段，應充分考慮建筑間的遮陰間距問題，光伏發電組件系統設計的過程中，應做好高大建筑物的勘測工作，計算不同建筑物間的遮陰距離。

由于光伏組件的排列順序是根據多種光伏電池進行串聯組成，可減少遮陰對系統的影響。在設計的過程中，應安排同一電池串聯組的光伏組件在同一水平面或同一光照條件下。每個輻射條件在相同的區域的光伏組件均應組成相應的組件串，在輻射條件有差異的地方，安裝光伏發電組件，采用并聯的安裝方式。在建筑屋頂進行組件陣列，在東西南北均設置不同的組件，通過并聯的方式接入系統。

對建筑不同位置的光伏組件的輸出匹配問題，可采用不同尺寸、不同規格的電池組件滿足系統的串聯、并聯要求，可放棄安裝光伏發電陣列，將部分組件作為建筑外部的裝飾接入電路中。應明確建筑物的外觀效果、節能指標的重要性，重視細小的問題，并及時提供解決方案。

面對光伏建筑一體化的防雷問題的過程中，為了防止被雷擊，應將光伏支架、光伏組件金屬外框進行接地處理，可確保光伏建筑一體化的設備、相關工作人員的安全。在光伏建筑一體化應用過程中，應協調需要的材料，將建筑和光伏發電相結合，以增強核心效果。

4 結語

在光伏建筑一體化的生產過程中，相關技術人員應針對可能出現的問題，及時找出問題的關鍵并進行考察、整理和排查，以減少相關組件問題的發生，提升光伏建筑一體化產品的質量。除此之外，我國應積極借鑒國內外的先進經驗，結合實際建設情況，制定完善的光伏建筑一體化的經營管理制度。