太阳能光伏与建筑一体化技术推广研发与应用示范

李瑛杰

华蓝设计（集团）有限公司 广西城市建筑热环境控制工程技术研究中心 广西 南宁 530011

建筑节能是现阶段绿色建筑发展的主要方向，同时也是目前人们研究的重点。太阳能作为一种自然能源，其具有清洁、可再生等特点，有效解决了现阶段能源紧缺问题。光伏建筑一体化（BIPV）作为太阳能发电的一个重要应用，其主要是将太阳能光伏发电系统与建筑整合，通过太阳能发电的方式来满足建筑用电需求，是实现建筑节能的一种重要手段[1]。随着城市化进程的发展，建筑规模不断扩大，对于一些较为偏远的建筑而言，由于建筑面积相对较大，并且设施复杂，使得用电需求大，而光伏电站位于建筑屋顶，无需占用土地面积，同时节省了建筑的电费支出。光伏建筑一体化项目的开展使得人们更加了解新能源的概念，对于人们培养低碳用能、生态发展观念有着十分重要的作用。

1 光伏建筑一体化系统概述

1.1 BIPV技术发展研究

BIPV技术在1990年于德国“一千屋顶计划”中正式实施，其主要要是在建筑屋顶上安装户用联网光伏系统，并且得到政府大力支持，其目的在于补助私人研究者开发研究BIPV技术的应用，进而推动太阳能光伏在建筑中的应用。在后来的几年里，大部分国家开始重视BIPV技术的推广，并出台相应地政策给与支持，在一定程度上促进了太阳能光伏发电系统的推广与应用。在人们不断的深入研究分析后，在技术与理论上均取得了一定成效，逐渐形成了一种完善的太阳能建筑产业链，部分国家针对太阳能光伏发电应用的计划详见表1。

表1 各国光伏发电计划

对于我国而言，BIPV技术的研究相对较为落后，在我国政府支持力度加大的情况下，我国也开始大力发展研究，在2009年财政部与住建部联合出台的《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》中指出，“中过财政部门将使用部分资金支持大中城市推广光伏建筑一体化示范应用[2]。”在此背景下，我国太阳能光电建筑的推广与应用迎来了全新的发展机遇。随着我国城市化进程的加快，建筑规模不断扩大，为BIPV技术的推广提供了便利。

1.2 光伏发电原理及组成

（1）工作原理

光伏发电是在光生伏特效应上产生的一种放电现象，其原理为：在太阳光照射到太阳能光伏板上后，太阳能电池组件变回将光能转换为相应的电能，当光照充足时，由于单块太阳能电池板的发电量有效，为了获取更多的电能，通常是将电池板进行串联，组成太阳能电池方阵的形式，进而增加相应地电动势，为系统提供充足的电压输入，并通过充放电控制器将电能储蓄在电池中，将多余的电能存储。当太阳光线不足时，蓄电池便会将存储的电能输出，通过逆变器将直流电转换为交流电，然后再讲转换的电能输入配电柜中，以满足用电设备运行需求。

在光伏发电系统中，控制器主要是控制电池组的充放电，进而实现太阳能一电能一化学能一电能一光能的转化[3]。

（2）光伏发电系统的分类

根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，可以将光伏建筑一体系统分为两种类型，一种为“BIPV”，另一种为“BAPV”。其中，“BIPV”主要的设计、施工、安装与建筑施工同时进行，也将其称为“构建型”、“构材型”太阳能光伏建筑。“BIPV”是建筑外部结构的一部分，不仅可以为建筑提供日常所需的电量，而且还能充当建筑构件与建筑材料，对于提升建筑外观有着重要作用。而“BAPV”也叫做“安装型”，是安装在建筑物上的一种太阳能光伏发电系统。其功能与建筑物功能相互独立，互不干扰。

2 光伏建筑应用范例

2.1 工程概况

项目位于广西南宁市良庆区。总建筑面积为189583.75㎡，地下建筑面积为25735.10㎡。1#楼及2#楼采用光伏发电系统，给地下室照明供电。地下室车库照明按1.8W/㎡计算，扣除地下室设备房等各种房间面积后，车库照明用电预估为34.70kW；住宅地上公共照明用电按1kW/单元计算，则两栋楼四个单元共需4kW；合计白天公共照明用电需求约为38.70kW。

根据项目的需求及屋顶条件，可在1#楼和2#楼屋顶架构处各敷设91块和92块太阳能光伏板。太阳能光伏板参考当前市场575W单晶硅光伏组件以阵列形式布置，共计布置183块太阳能光伏板，因此太阳能光伏发电系统安装容量约183×575=105.23kWp。项目太阳能光伏发电系统采用单晶双玻575W光伏组件，参数信息详见表2。

表2 单晶双玻575W光伏组件参数信息

光伏发电系统参照《光伏发电站设计规范》GB50797-2012、《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ203和《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5，根据《光伏发电站设计规范》GB50797-2012第6.6.2条光伏发电系统发电量计算公式为：

南宁市水平面日均辐射量为12515kJ/m2，倾斜面太阳能年辐照量为4567.98(MJ/m2)，折合为1268.88(kWh/m2)。太阳能光伏组件转化率ηi取0.21。屋面共布置光伏板183块，其有效面积181×2.384×1.134=489.33m2。太阳能光电系统初始年发电量约为1268.88×489.33×0.21×0.65≈8.48万kWh。

在25年寿命期内，按照平均功率按照最初输出功率85%计算，则年均发电量为：8.48×0.85=7.21万kWh。

根据广西电网销售价格表（桂发改价格〔2020〕1229号，2021年1月1日执行），一般居民用电（1~10kV）电度电价为0.6478元/kWh，项目自发自用的年平均电量为7.21万kWh，则每年节省电费约4.67万元；按照目前市场价格，小型光伏发电系统单位价格约为5元/W，则系统初投资约52.62万元，该系统静态回收期约为11.27年。

由此可见，太阳能光电系统利用清洁能源的同时，还能节约投资成本，有助于推动节能减排，进一步落实国家绿色发展的理念。

2.2 光伏建筑一体化设计

广西光照条件较为充足，全年日照总量4180~5016MJ，年平均日照时长1400~2000h，项目区位条件适建设光伏发电站，可为光伏发电站提供充足的太阳能。太阳能光伏发电站的建设遵循建筑一体化最大限度获取太阳辐射量以及实现输配电线路最优化的设计原则，目标在于提升系统的安全性、可靠性、灵活性，充分发挥示范作用。

（1）光伏电站总体方案设计

对于光伏建筑系统而言，其主要由五大部分组成，即电池组件、并网逆向器、系统保护部分、在线系统、辅助模块，各个段元之间的匹配设计与公共电网的接入合理是光伏电站规划设计的关键部分。因此，需根据项目区域实际的配电网条件，合理分配接入光伏电站的电能，以此来补充并网中的电能，这对于提升整体供电质量有着十分重要的作用[4]。

从图1中可以看出，在太阳能光伏组件接收到太阳能后，将太阳能转换为直流电，并汇集至直流配电箱中，通过逆变器将直流电转换成交流电，然后再通过逆变器的输出端将交流电输送至配电柜与公共电网中，以此来满足建筑用电需求。

图1 光伏一体化运行流程

除此之外，在太阳能光伏并网系统中，配置得有相应地监控系统、数据采集系统等，可实时检测电站中的运行情况与外界环境参数，当数据采集器检测到系统中出现异常情况时，将主动显示故障位置与故障类型，进而确保系统能够稳定运行。

（2）系统技术方案设计

1、太阳能组件部分

对于电站中的太阳能电池组件而言，其作用在于将直流电转换为交流电，是电站中的主要发电单元，同时也是系统的核心组成部分。虽然太阳能丰富，并且具有可再生等特点，但是却存在昼夜之分，为了保证电池组件能够稳定输入电能，需确保电池组件的设计与安装合理。①对本项目工程而言，电池组件主要采用单晶双玻575W太阳能电池，此种电池的光电转换效率相对较高，可达19.9%，并且具有使用寿命长、概率衰减效率低等特点，可实现电能的高效稳定输出。②为了有效提升光伏组件的太阳能接收量，在安装组件方阵过程中，电池组需保持一定的倾斜度，使得能够面向赤道方向。因此，在设计时，需计算电池方阵安装角度，确保电池组能够以最佳的角度与接收太阳能，以此来增加发电量。由于气象站提供的气象数据并非倾斜角度的太阳辐射量，故需对其进行转换，进而精准计算出电站的发电量。通过分析数据并结合建筑朝向得知，光伏组件朝向正南安装，设安装角度为10度，此时太阳能的辐射总量最大可达4.03kWh/平方米·日。

2、太阳能并网逆变器部分

电站系统中逆变器的作用在于实现交流电的转换，并且还具有保护电源系统的作用，是电站建设的核心关键部分。逆变器选用德国生产的100kW室内安装型逆变器，此种逆变器具有以下特点：

①最大功率点跟踪（MPPT）

为了有效系统运行的高效性，需确保系统的功率输出平稳。因此，在太阳能电池方阵运行过程中，需实施检测与运行状态。本工程选用的逆变器具有最大功率点跟踪功能，可实时检测并网中的直流电压，并且可以并网逆变器的直流工作电压每隔0.5s小幅变动一次，对该段时间内的直流输出功率实时测量并取平均值，通过对获取的数据进行横向比较，保证并网逆变器的直流电压始终沿功率变大的方向变化，实现系统的高效运行[5]。

②公共电网跟踪系统

在并网逆变器的作用下，可确保输出端电能参数与电网参数一致，是确保公共电网并联运行的关键部分。并且光伏发电系统可以根据电网中的参数变化情况实时调整电能输出参数，确保输出参数的一致性。

3、系统保护部分

在项目设计之前，首先就充分考虑了系统的保护功能，在系统中设备发生异常情况时，可以确保人员安全，电网运行安全、负载安全。该系统可实现过压保护、孤岛效应保护、防雷保护和其他常规保护。

4、在线监控系统部分

在并网光伏发电项目中，具有数据采集功能与远程通讯功能，可实现对变电站的实施监控，为电站的运营管理提供了依据。本项目设置了两套数据采集系统，主要负责监控周围两栋建筑的并网逆变器运行情况。数据采集系统主要由数据采集控制器、显示终端、测量仪器等部分组成，在采集相应地数据信息后，通过远程通讯的方式将数据传输至控制器中，由于控制其与局域网相互连接，操作人可通过局域网在计算机中监视逆变器的运行状态。

2.3 光伏电力系统设计

在本工程项目建设过程中，主要是与建筑中的局域网进行连接，项目中所产生的电量通常是有建筑中用电供需所消耗，当建筑中用电量减少时，接入其他变电所的光伏发电有可能出现电能逆流的情况，故应采取相应地防逆流措施。针对本工程项目，分别在光伏组件中安装相应的光伏逆变器，逆变器位置主要在结构钢下方，以便于逆变器工作时进行散热。此外，将光伏面板线缆通过钢梁连接到逆变器，然后在通过逆变器将线缆连通至下一层的强电井，然后再由强电井引至地下1层专变变电所交流并网柜。

3 结语

综上所述，在光伏建筑一体化（BIPV）技术的应用下，不仅有效满足了建筑用电需求，还能将用地低估其对多余的电量分配至配电网中，以供其他负载使用。此外，建筑太阳能光伏发电的推广应用也使人们意识到自然资源的重要性与经济价值，对人们培养低碳用能、生态发展观念起到十分重要的作用。