太陽能光伏建筑一體化系統設計分析

張 揚 屈志浩 曾文明 趙嘉睿 劉佳偉

建筑是人類生活與工作的主要場所，每天需要消耗大量的能源。同時，建筑還會排放出大量的二氧化碳氣體，據調查統計，在社會能源消耗當中，建筑能耗的占比最高，在40%以上，而在二氧化碳排放量方面，建筑排放量更是超過50%，不利于社會可持續發展。在此背景下，現代建筑領域逐漸開始對太陽能、風能等可再生資源進行了應用，其中，太陽能是最常見且分布較廣泛的能源，已應用到屋頂、墻體等結構中，有效降低了建筑對傳統能源的消耗量。

1 光伏發電的原理

半導體是現代電子領域比較常見的材料，具有良好的光電特性，即被陽光照射后，材料內部會生成相應的電荷載流子。結構內部較為純凈的半導體通常稱之為本征半導體，當其溫度處于0 K，且外部沒有任何激發的情況下，共價鍵可約束所有電子。而處于室溫環境，或是受到外部激勵后，共價鍵的約束會明顯降低，部分電子掙脫約束，變成可以隨意移動的自由電子，這些電子移動后，所產生的空位叫做空穴，相鄰原子的價電子會填補這些空穴，進而產生新空穴。空穴與自由電子不斷生成的過程中，原有空穴與自由電子會不斷復合，以使材料內部重新處于平衡狀態。若電子數量超過空穴數量，則稱為N 型半導體材料，反之則稱為P 型半導體，兩種材料獨立應用時，均呈電中性。而兩種材料聯合使用時，N 型的電子會逐漸向P 型移動，從而出現P-N 結界面。在P-N 界的周邊，N 型側的電子數量越來越少，而P 型側的電子數量則越來越多，并對空穴進行填補，因而P-N結界面的N 型側呈正電荷，而P 型側則呈負電荷，兩者共同構成了內建電場。太陽光照射到P-N 結界面時，由于兩側電子或空穴數量的提升，所產生的內建電場強度也會越強，加快了電子與空穴的移動速度。隨著P-N 結界面的兩側電荷不斷積累，材料內會出現較大的電勢差，從而產生電流[1]。材料獲取的光照越多，結界面的面積越大，因而會產生更多的電流。

2 太陽能光伏建筑一體化系統的設計

2.1 設計條件

2.1.1 氣候條件

太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）系統運行時，光電轉換效率與很多因素有關，如光照時間、輻射量、氣候條件等。其中，光照時間與輻射量是最基礎的因素，只有保證充足的光照時間與較高的輻射量，才能使BIPV 系統正常發電。而溫度、降雨等氣候因素是主要的影響因素，溫度過高會影響光伏陣列的運行效率，從而降低發電量，因而通常情況下，環境最佳溫度應控制在25 ℃以下。而降雨會影響光線的傳輸，降低半導體材料接收太陽光的數量。

針對氣候條件對光伏發電的影響，美國國家航空航天局設計了一種水平面太陽輻射量的計算公式，具體公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hb為直接輻射量；Hd為散射輻射量[2]。

2.1.2 建筑條件

不同的建筑條件，將會使BIPV系統具有不同的運行效率，因而設計BIPV 系統時，應以建筑條件為核心，注重系統整體的設計，合理對裝置進行布設，選擇最佳的連接方式。其中，針對建筑的結構形態，不僅可以確定BIPV 系統的具體形式，還可以明確最佳的光伏板集成方式，從而為BIPV系統的設計與開發提供支持。

現代城市中，建筑數量越來越多，兩座建筑間的距離越來越近，使得兩座建筑間必然不會出現一定的遮擋，若選擇硅光伏系統，受到陰影遮擋，將會導致被遮擋處無法發電，并影響與其他區域光伏板的連接，進而嚴重干擾整個系統的發電水平。

所以，設計BIPV 系統時，應針對建筑的遮擋情況，選擇最佳的光伏陣列，以保證整個系統的發電效率。此外，還應針對建筑能耗水平，選擇最佳的BIPV 系統規模，并判斷系統是否需要并網，將多余的電能傳輸給市政電網，或者從市政電網中獲取適量電能。

2.1.3 電網條件

光伏發電根據運行模式可以劃分成3 種類型―獨立發電、并網發電及混合發電，每種發電模式具有不同的特點，因此在選取光伏模式前，應該準確了解區域的電網條件。若無電網覆蓋，僅可選取獨立發電或是混合發電模式；若有電網覆蓋，則可以根據具體情況，隨意選擇任意一種發電模式。

2.2 系統選型

2.2.1 獨立光伏發電系統

所謂的獨立光伏發電系統，指的是只利用太陽能進行發電的裝置，該系統通常應用在市政電網無法覆蓋的區域。需要注意的是，由于該系統發電源只有太陽能，當陰雨天氣或夜晚時，系統無法正常發電，因而發電能力較差。這類光伏系統中，結構最精簡的為直聯系統，內部并無儲能裝置。

對于安裝了儲能裝置的系統來說，則應用較為廣泛，常見于市政路燈、通信及居民生活等諸多方面。這類系統的能量利用率并不高，供電穩定性較差，因此在使用該類型的光伏系統時，需要配備相應的蓄電池，以確保整個供電系統穩定運行[3]。

2.2.2 并網光伏發電系統

該系統以并網逆變器為媒介，與市政電網連接到一起，當系統產生電能后，將其傳輸給市政電網，由市政電網重新分配。該類型系統主要由5部分構成―光伏陣列、逆變器、控制器、DC/DC 變換器及繼電保護元件。

光伏陣列，用于將太陽能轉化成電能；逆變器，主要對陣列產生的直流電進行轉化，使其變為相應的交流電；控制器，根據整個系統的運行情況，自動對電流波形、功率予以調節，以確保整個系統穩定運行；DC/DC 變換器，用于直流電與直流電的轉換；繼電保護元件，用于保護整個系統。

2.2.3 混合光伏發電系統

這類光伏發電系統與上述2 種系統的主要區別是安裝了獨立的備用發電裝置。主系統發電量較少，或是蓄電池內電能儲量不足時，則自動跳轉到備用發電裝置，由其繼續發電，以此驅動負載穩定運行。同時，備用設備產生多余電能后，還可在逆變器的作用下，將其傳輸給蓄電池。

2.3 整體設計

2.3.1 光伏屋頂

屋頂是建筑的主要結構，位于建筑的最上方，面積較大，且與太陽光的夾角較大，是光伏系統與建筑結合最佳的區域。

相對于傳統屋頂，光伏屋頂對防水性、透光性等方面具有更高的要求。根據屋頂的類型，可將其劃分成水平光伏屋頂和傾斜光伏屋頂:

1）水平光伏屋頂。光伏屋頂呈水平狀，可通過2 種方式布置。一種為支架布置法，該方法布置比較靈活，可根據實際情況隨意調節光伏板的傾角、間距等，使整個光伏系統不會出現陰影，提升系統運行效率。同時，該布置方法結構比較簡單，所需成本較低，易于大規模推廣。但是，建筑的整體性較差，并且影響建筑的美觀性[4]。另一種為嵌入式布置法，即直接將光伏板嵌入屋面中，不僅能夠用于發電，還可以作為屋面結構，因此能夠節約屋面建設材料，但屋面自潔性較差，應定期安排人員清理。

2）傾斜光伏屋頂。傾斜光伏屋頂也可采用2 種布置方法：一是鋪設法，即直接將光伏板鋪設到屋頂表面，光伏板用于發電，屋面用于遮擋雨水、陽光等；二是嵌入法，與水平光伏屋頂嵌入法基本相同。

2.3.2 光伏墻體

現代建筑建設過程中，可將BIPV系統與外墻結合到一起，一方面提升外墻的美觀性，另一方面用于轉換太陽能。

光伏幕墻主要由5 層結構構成。其中，最外兩側為玻璃基片，用于固定內部結構，與玻璃基片黏結的是聚乙烯醇縮丁醛酯（Polyvinyl Butyral，PVB）膠片，用于玻璃基片與晶硅片的黏結。最中間為晶硅片，即太陽能電池板，用于將太陽能轉化為電能。當太陽光照射到光伏幕墻上后，一部分輻射被吸收，并通過晶硅片的轉換后，轉變成一定量的電能，而另一部分則被幕墻反射回去，有利于調節室內溫度，以降低空調系統的能耗量。

2.3.3 光伏遮陽板

建筑建設主要是為人類構建出良好、舒適的內部空間環境，而要想達到這一要求，應在確保采光良好的基礎上，盡可能多地減少透過窗戶的太陽輻射。所以，BIPV 系統中，還應設計相應的光伏遮陽板。陽光照射到遮陽板上后，一方面，可將太陽能轉化成電能，用于建筑電力系統的使用；另一方面，可根據室內空間溫度，結合光伏板接收到的太陽能輻射量，自動調節遮陽板的角度，以此對室內溫度進行控制。

2.4 陣列設計

斜面太陽輻射，計算斜面太陽輻射量是影響BIPV 系統運行的重要因素之一，因而在光伏陣列設計時，需要確定合理的斜面太陽輻射量。對于斜面太陽輻射量來說，應滿足直散分離的原理，即總輻射量等于直接輻射與散射的總和。

需要注意的是，大地表面接收的輻射量沒有地表反射分量。確定朝向赤道斜面上的太陽能輻射量時，計算公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hbt為直接輻射量；Hdt為天空中的散射量；Hrt為大地的反射量。

若具體地點位置已知，可通過查詢相關資料獲取當地太陽輻射的相關數據，并以此為基礎，通過相應的公式確定上述幾個指標。

計算Hbt時，可引入參數Rb，即直接輻射量與總輻射量的比值，即：

式中：φ為地點的緯度坐標；α為斜面的傾角；δ為太陽的赤緯坐標；hs表示水平面日落時角；hs'為斜面上日落時角，可由式（4）推導得出：

確定Hdt時，選擇Hay 模型。該模型指出，在天空散射當中，主要由兩部分構成，一部分為太陽光的散射，另一部分為其他穹頂的散射，因而可通過下述公式推導Hdt值，表達式為：

式中：H0為大氣層外水平面上的太陽能輻射量，可由式（6）推導得出：

式中：Isc為太陽常數，一般可設置成1367 W/m2。

確定Hrt時，可通過式（7）推導得出：

式中：Hh為水平面總輻射量；ρ為地表的反射率，具體可根據現場具體情況而定，如表1 所示[5]。

表1 地表反射率表

3 結語

綜上所述，現代建筑工程建設過程中，應提高對太陽能光伏建筑一體化系統的重視程度，并根據工程現場的氣候、建筑及電網條件，選擇合理的光伏發電系統，合理對光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮擋板進行設計，并確定最佳的斜面太陽輻射量與列陣傾角，以使太陽能在建筑工程領域發揮出最大的作用。同時，需要注意的是，為了使太陽能光伏建筑一體化系統在現代建筑領域發揮出更大的作用，未來還應逐漸融入更多光伏發電功能，以向用戶提供更好的服務。