太陽能光伏與建筑一體化技術推廣研發與應用示范

李瑛杰

華藍設計（集團）有限公司 廣西城市建筑熱環境控制工程技術研究中心 廣西 南寧 530011

建筑節能是現階段綠色建筑發展的主要方向，同時也是目前人們研究的重點。太陽能作為一種自然能源，其具有清潔、可再生等特點，有效解決了現階段能源緊缺問題。光伏建筑一體化（BIPV）作為太陽能發電的一個重要應用，其主要是將太陽能光伏發電系統與建筑整合，通過太陽能發電的方式來滿足建筑用電需求，是實現建筑節能的一種重要手段[1]。隨著城市化進程的發展，建筑規模不斷擴大，對于一些較為偏遠的建筑而言，由于建筑面積相對較大，并且設施復雜，使得用電需求大，而光伏電站位于建筑屋頂，無需占用土地面積，同時節省了建筑的電費支出。光伏建筑一體化項目的開展使得人們更加了解新能源的概念，對于人們培養低碳用能、生態發展觀念有著十分重要的作用。

1 光伏建筑一體化系統概述

1.1 BIPV技術發展研究

BIPV技術在1990年于德國“一千屋頂計劃”中正式實施，其主要要是在建筑屋頂上安裝戶用聯網光伏系統，并且得到政府大力支持，其目的在于補助私人研究者開發研究BIPV技術的應用，進而推動太陽能光伏在建筑中的應用。在后來的幾年里，大部分國家開始重視BIPV技術的推廣，并出臺相應地政策給與支持，在一定程度上促進了太陽能光伏發電系統的推廣與應用。在人們不斷的深入研究分析后，在技術與理論上均取得了一定成效，逐漸形成了一種完善的太陽能建筑產業鏈，部分國家針對太陽能光伏發電應用的計劃詳見表1。

表1 各國光伏發電計劃

對于我國而言，BIPV技術的研究相對較為落后，在我國政府支持力度加大的情況下，我國也開始大力發展研究，在2009年財政部與住建部聯合出臺的《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》中指出，“中過財政部門將使用部分資金支持大中城市推廣光伏建筑一體化示范應用[2]。”在此背景下，我國太陽能光電建筑的推廣與應用迎來了全新的發展機遇。隨著我國城市化進程的加快，建筑規模不斷擴大，為BIPV技術的推廣提供了便利。

1.2 光伏發電原理及組成

（1）工作原理

光伏發電是在光生伏特效應上產生的一種放電現象，其原理為：在太陽光照射到太陽能光伏板上后，太陽能電池組件變回將光能轉換為相應的電能，當光照充足時，由于單塊太陽能電池板的發電量有效，為了獲取更多的電能，通常是將電池板進行串聯，組成太陽能電池方陣的形式，進而增加相應地電動勢，為系統提供充足的電壓輸入，并通過充放電控制器將電能儲蓄在電池中，將多余的電能存儲。當太陽光線不足時，蓄電池便會將存儲的電能輸出，通過逆變器將直流電轉換為交流電，然后再講轉換的電能輸入配電柜中，以滿足用電設備運行需求。

在光伏發電系統中，控制器主要是控制電池組的充放電，進而實現太陽能一電能一化學能一電能一光能的轉化[3]。

（2）光伏發電系統的分類

根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，可以將光伏建筑一體系統分為兩種類型，一種為“BIPV”，另一種為“BAPV”。其中，“BIPV”主要的設計、施工、安裝與建筑施工同時進行，也將其稱為“構建型”、“構材型”太陽能光伏建筑。“BIPV”是建筑外部結構的一部分，不僅可以為建筑提供日常所需的電量，而且還能充當建筑構件與建筑材料，對于提升建筑外觀有著重要作用。而“BAPV”也叫做“安裝型”，是安裝在建筑物上的一種太陽能光伏發電系統。其功能與建筑物功能相互獨立，互不干擾。

2 光伏建筑應用范例

2.1 工程概況

項目位于廣西南寧市良慶區。總建筑面積為189583.75㎡，地下建筑面積為25735.10㎡。1#樓及2#樓采用光伏發電系統，給地下室照明供電。地下室車庫照明按1.8W/㎡計算，扣除地下室設備房等各種房間面積后，車庫照明用電預估為34.70kW；住宅地上公共照明用電按1kW/單元計算，則兩棟樓四個單元共需4kW；合計白天公共照明用電需求約為38.70kW。

根據項目的需求及屋頂條件，可在1#樓和2#樓屋頂架構處各敷設91塊和92塊太陽能光伏板。太陽能光伏板參考當前市場575W單晶硅光伏組件以陣列形式布置，共計布置183塊太陽能光伏板，因此太陽能光伏發電系統安裝容量約183×575=105.23kWp。項目太陽能光伏發電系統采用單晶雙玻575W光伏組件，參數信息詳見表2。

表2 單晶雙玻575W光伏組件參數信息

光伏發電系統參照《光伏發電站設計規范》GB50797-2012、《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》JGJ203和《建筑太陽能光伏系統設計與安裝》10J908-5，根據《光伏發電站設計規范》GB50797-2012第6.6.2條光伏發電系統發電量計算公式為：

南寧市水平面日均輻射量為12515kJ/m2，傾斜面太陽能年輻照量為4567.98(MJ/m2)，折合為1268.88(kWh/m2)。太陽能光伏組件轉化率ηi取0.21。屋面共布置光伏板183塊，其有效面積181×2.384×1.134=489.33m2。太陽能光電系統初始年發電量約為1268.88×489.33×0.21×0.65≈8.48萬kWh。

在25年壽命期內，按照平均功率按照最初輸出功率85%計算，則年均發電量為：8.48×0.85=7.21萬kWh。

根據廣西電網銷售價格表（桂發改價格〔2020〕1229號，2021年1月1日執行），一般居民用電（1~10kV）電度電價為0.6478元/kWh，項目自發自用的年平均電量為7.21萬kWh，則每年節省電費約4.67萬元；按照目前市場價格，小型光伏發電系統單位價格約為5元/W，則系統初投資約52.62萬元，該系統靜態回收期約為11.27年。

由此可見，太陽能光電系統利用清潔能源的同時，還能節約投資成本，有助于推動節能減排，進一步落實國家綠色發展的理念。

2.2 光伏建筑一體化設計

廣西光照條件較為充足，全年日照總量4180~5016MJ，年平均日照時長1400~2000h，項目區位條件適建設光伏發電站，可為光伏發電站提供充足的太陽能。太陽能光伏發電站的建設遵循建筑一體化最大限度獲取太陽輻射量以及實現輸配電線路最優化的設計原則，目標在于提升系統的安全性、可靠性、靈活性，充分發揮示范作用。

（1）光伏電站總體方案設計

對于光伏建筑系統而言，其主要由五大部分組成，即電池組件、并網逆向器、系統保護部分、在線系統、輔助模塊，各個段元之間的匹配設計與公共電網的接入合理是光伏電站規劃設計的關鍵部分。因此，需根據項目區域實際的配電網條件，合理分配接入光伏電站的電能，以此來補充并網中的電能，這對于提升整體供電質量有著十分重要的作用[4]。

從圖1中可以看出，在太陽能光伏組件接收到太陽能后，將太陽能轉換為直流電，并匯集至直流配電箱中，通過逆變器將直流電轉換成交流電，然后再通過逆變器的輸出端將交流電輸送至配電柜與公共電網中，以此來滿足建筑用電需求。

圖1 光伏一體化運行流程

除此之外，在太陽能光伏并網系統中，配置得有相應地監控系統、數據采集系統等，可實時檢測電站中的運行情況與外界環境參數，當數據采集器檢測到系統中出現異常情況時，將主動顯示故障位置與故障類型，進而確保系統能夠穩定運行。

（2）系統技術方案設計

1、太陽能組件部分

對于電站中的太陽能電池組件而言，其作用在于將直流電轉換為交流電，是電站中的主要發電單元，同時也是系統的核心組成部分。雖然太陽能豐富，并且具有可再生等特點，但是卻存在晝夜之分，為了保證電池組件能夠穩定輸入電能，需確保電池組件的設計與安裝合理。①對本項目工程而言，電池組件主要采用單晶雙玻575W太陽能電池，此種電池的光電轉換效率相對較高，可達19.9%，并且具有使用壽命長、概率衰減效率低等特點，可實現電能的高效穩定輸出。②為了有效提升光伏組件的太陽能接收量，在安裝組件方陣過程中，電池組需保持一定的傾斜度，使得能夠面向赤道方向。因此，在設計時，需計算電池方陣安裝角度，確保電池組能夠以最佳的角度與接收太陽能，以此來增加發電量。由于氣象站提供的氣象數據并非傾斜角度的太陽輻射量，故需對其進行轉換，進而精準計算出電站的發電量。通過分析數據并結合建筑朝向得知，光伏組件朝向正南安裝，設安裝角度為10度，此時太陽能的輻射總量最大可達4.03kWh/平方米·日。

2、太陽能并網逆變器部分

電站系統中逆變器的作用在于實現交流電的轉換，并且還具有保護電源系統的作用，是電站建設的核心關鍵部分。逆變器選用德國生產的100kW室內安裝型逆變器，此種逆變器具有以下特點：

①最大功率點跟蹤（MPPT）

為了有效系統運行的高效性，需確保系統的功率輸出平穩。因此，在太陽能電池方陣運行過程中，需實施檢測與運行狀態。本工程選用的逆變器具有最大功率點跟蹤功能，可實時檢測并網中的直流電壓，并且可以并網逆變器的直流工作電壓每隔0.5s小幅變動一次，對該段時間內的直流輸出功率實時測量并取平均值，通過對獲取的數據進行橫向比較，保證并網逆變器的直流電壓始終沿功率變大的方向變化，實現系統的高效運行[5]。

②公共電網跟蹤系統

在并網逆變器的作用下，可確保輸出端電能參數與電網參數一致，是確保公共電網并聯運行的關鍵部分。并且光伏發電系統可以根據電網中的參數變化情況實時調整電能輸出參數，確保輸出參數的一致性。

3、系統保護部分

在項目設計之前，首先就充分考慮了系統的保護功能，在系統中設備發生異常情況時，可以確保人員安全，電網運行安全、負載安全。該系統可實現過壓保護、孤島效應保護、防雷保護和其他常規保護。

4、在線監控系統部分

在并網光伏發電項目中，具有數據采集功能與遠程通訊功能，可實現對變電站的實施監控，為電站的運營管理提供了依據。本項目設置了兩套數據采集系統，主要負責監控周圍兩棟建筑的并網逆變器運行情況。數據采集系統主要由數據采集控制器、顯示終端、測量儀器等部分組成，在采集相應地數據信息后，通過遠程通訊的方式將數據傳輸至控制器中，由于控制其與局域網相互連接，操作人可通過局域網在計算機中監視逆變器的運行狀態。

2.3 光伏電力系統設計

在本工程項目建設過程中，主要是與建筑中的局域網進行連接，項目中所產生的電量通常是有建筑中用電供需所消耗，當建筑中用電量減少時，接入其他變電所的光伏發電有可能出現電能逆流的情況，故應采取相應地防逆流措施。針對本工程項目，分別在光伏組件中安裝相應的光伏逆變器，逆變器位置主要在結構鋼下方，以便于逆變器工作時進行散熱。此外，將光伏面板線纜通過鋼梁連接到逆變器，然后在通過逆變器將線纜連通至下一層的強電井，然后再由強電井引至地下1層專變變電所交流并網柜。

3 結語

綜上所述，在光伏建筑一體化（BIPV）技術的應用下，不僅有效滿足了建筑用電需求，還能將用地低估其對多余的電量分配至配電網中，以供其他負載使用。此外，建筑太陽能光伏發電的推廣應用也使人們意識到自然資源的重要性與經濟價值，對人們培養低碳用能、生態發展觀念起到十分重要的作用。