中國科學(xué)院電工研究所 ■ 呂芳 馬麗云

一 引言

近年來，隨著光伏系統(tǒng)成本的迅速下降，光伏發(fā)電在全球范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，截至2010年底，全球建筑光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量約有23.4GW，高達(dá)光伏累計(jì)裝機(jī)容量的66.8%，其中，前五位國家依次為德國(14.9GW)、日本(3.5GW)、美國(1.7GW)、意大利(1.5GW)和法國(0.8GW)。

中國建筑光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，直到2010年底，累計(jì)裝機(jī)容量僅有256MW。為促進(jìn)我國建筑光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國政府先后出臺(tái)各種激勵(lì)政策，其中以光電建筑項(xiàng)目和金太陽示范工程項(xiàng)目影響最大，從2009～2012年，光電建筑項(xiàng)目和金太陽示范工程均累計(jì)實(shí)施了四期，共核準(zhǔn)光伏項(xiàng)目3.4GW，四年間累計(jì)投入資金超過200億元。截至2012年底，建筑光伏累計(jì)實(shí)際安裝量為2.39GW，占當(dāng)年整個(gè)光伏市場的份額上升至34.1%。

目前我國建筑光伏已經(jīng)從試點(diǎn)示范發(fā)展至應(yīng)用推廣階段，隨著建筑光伏的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，建筑光伏技術(shù)也得到迅速發(fā)展，但是由于建筑光伏涉及到的專業(yè)多，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多樣，因此我國建筑光伏技術(shù)還處于初級(jí)階段，與歐洲、日本、美國等國家還具有一定差距，因此對于建筑光伏技術(shù)的探索和研究就顯得較為重要。

本文從系統(tǒng)應(yīng)用的角度，結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，對建筑光伏一體化工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析、歸納和總結(jié)，從建筑特性和光伏特性兩個(gè)方面歸納總結(jié)出建筑光伏一體化工程設(shè)計(jì)的若干要點(diǎn)。

二 建筑光伏的工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

按照與建筑結(jié)合的安裝方式的不同，建筑光伏系統(tǒng)可分為光伏建筑集成或光伏建筑一體化系統(tǒng)(Building Integrated PV，BIPV)和光伏建筑附加(Building Attached PV，BAPV)。這兩種形式的建筑光伏系統(tǒng)在我國都有應(yīng)用，下面對建筑光伏系統(tǒng)分別從建筑的角度和光伏技術(shù)的角度對其工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 建筑光伏的建筑屬性

(1)建筑光伏的力學(xué)要求

在建筑光伏系統(tǒng)中，光伏方陣支架的鋼筋混凝土基座的主筋應(yīng)錨固在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)無法進(jìn)行錨固時(shí)，應(yīng)采取措施加大基臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)間的附著力。連接件與主體結(jié)構(gòu)的錨固承載力應(yīng)大于連接件本身的承載力，任何情況不允許發(fā)生錨固破壞。采用錨栓連接時(shí)，應(yīng)有可靠的防松、防滑措施。對蓄電池、逆變器等較重的設(shè)備和部件，應(yīng)安裝在承載能力大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，并進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度和變形驗(yàn)算。

建筑主體結(jié)構(gòu)在伸縮縫、沉降縫、抗震縫的變形縫兩側(cè)會(huì)發(fā)生相對位移，光伏組件跨越變形縫時(shí)易遭到破壞，造成漏電、脫落等危險(xiǎn)，所以安裝光伏組件時(shí)不得跨越主體結(jié)構(gòu)的變形縫。

(2)建筑光伏的恒荷載

對于在建建筑，光伏系統(tǒng)的荷載問題一般已提前考慮，這里主要介紹已建成建筑的荷載問題。對于屋頂光伏系統(tǒng)而言，當(dāng)安裝屋面為上人屋面時(shí)，安裝光伏組件后，由于缺乏活動(dòng)空間，可視為非上人屋面，屋面的使用屬性由上人轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧先?，由此而產(chǎn)生的光伏組件安裝荷載余量為1.417kN/m2，通常能滿足光伏組件的安裝需求。

當(dāng)安裝屋面為非上人屋面時(shí)，安裝的光伏組件增加了屋面的恒荷載，這時(shí)需對屋面的承重進(jìn)行仔細(xì)校核，若屋面沒有足夠承載力余量，直接安裝會(huì)給建筑的結(jié)構(gòu)安全帶來威脅。這種情況下，對于跨度較小的建筑結(jié)構(gòu)來說，通常將光伏支架直接生根于框架柱，避免其與屋面發(fā)生關(guān)聯(lián)，從而避免屋面恒荷載的增加；對于跨度較大的建筑結(jié)構(gòu)，一般采用屋面加固的方法，但此方法成本較高。

(3)建筑光伏的風(fēng)荷載

對于建筑光伏系統(tǒng)，光伏陣列的抗風(fēng)能力設(shè)計(jì)是非常重要的。在既有建筑上安裝光伏系統(tǒng)，光伏陣列在設(shè)計(jì)與建筑的結(jié)合方式時(shí)往往不希望“生根安裝”，對于既有建筑安裝光伏，往往設(shè)計(jì)成配重抗風(fēng)或集中連片的支架形式。

在采用適合的支架形式后，為保障建筑光伏的安全性，在進(jìn)行建筑墻面安裝或屋面支架安裝時(shí)，光伏系統(tǒng)的風(fēng)荷載應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)設(shè)計(jì)，并應(yīng)考慮：分離式光伏面板的風(fēng)荷載應(yīng)計(jì)入迎風(fēng)面風(fēng)荷載和背風(fēng)面風(fēng)荷載；支架的風(fēng)荷載應(yīng)計(jì)入面板傳來的風(fēng)荷載和支架直接承受的風(fēng)荷載；合一式面板系統(tǒng)應(yīng)分別采光頂和幕墻的風(fēng)荷載，按相應(yīng)規(guī)范采用。

(4)建筑的美學(xué)要求

當(dāng)太陽電池作為幕墻或天窗時(shí)，就會(huì)對太陽電池的顏色提出要求。對于非晶硅太陽電池，其本色已同茶色玻璃顏色一樣，很適合做玻璃幕墻和天窗玻璃。但對于單晶硅電池，一般采用腐蝕絨面的辦法將其表面變成黑色，安裝在屋頂或南立面，以顯得莊重；對于多晶硅太陽電池，在蒸鍍減反射膜時(shí)加入一些微量元素，可將太陽電池表面的顏色變成黃色、粉紅色、淡綠色等多種顏色。

除顏色外，普通光伏組件的接線盒較大并粘在電池板背面，BIPV建筑中要求將接線盒省去。普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在建筑結(jié)構(gòu)中。

(5)建筑的功能要求

在建筑光伏系統(tǒng)中，光伏組件替代建筑材料或建筑模板，這種應(yīng)用不同于單獨(dú)作為發(fā)電裝置使用，作為建筑的一部分，除發(fā)電外還需考慮建筑基本功能，如使室內(nèi)與室外隔離、防雨抗風(fēng)、隔熱隔音、遮陽等，使它能作為建筑型材料供建筑設(shè)計(jì)師選擇。

(6)安裝便利性的要求

為了與建筑結(jié)合和安裝方便，一般將太陽電池制作成太陽電池瓦，組件結(jié)構(gòu)和安裝方式與普通的建筑用瓦并無差異；對于應(yīng)用于光伏幕墻的組件，其邊框結(jié)構(gòu)也要求與建筑幕墻的模數(shù)相同，安裝方式也要與普通幕墻玻璃一致。

如果采用普通光伏組件，則需制作專用托架或?qū)к?，可方便將普通太陽電池安裝在其上；另外，太陽電池也常常被制作成無邊框組件，而且接線盒一般安裝在組件側(cè)面，以便于安裝。

在一些特殊應(yīng)用場合，會(huì)對太陽電池組件的形狀提出要求，不再只是常規(guī)的方形，如圓形屋頂要求太陽電池呈圓帶狀，帶有斜邊的建筑要求太陽電池組件也要有斜邊，拱形屋頂要求太陽電池組件能有一定的彎曲度等。

(7)建筑光伏壽命問題

眾所周知，一般的混凝土建筑物設(shè)計(jì)壽命在50年以上，但普通光伏組件壽命只有25年，尤其是采用EVA膠的組件，相比之下采用PVB封裝的組件壽命會(huì)相對較長。建筑光伏系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備光伏并網(wǎng)逆變器，通常壽命僅有8～10年，因此為保證光伏系統(tǒng)與光伏建筑的壽命相一致，需考慮光伏并網(wǎng)逆變器的定期更換問題。普通光伏系統(tǒng)的大部分連接線都是敞開在大氣中，空氣對流充分，溫度低，BIPV建筑系統(tǒng)中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結(jié)構(gòu)中，溫度不易散去，電線電纜的壽命也受到影響，因此對BIPV建筑系統(tǒng)中電線的要求更高。綜上可知，在建筑光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需統(tǒng)籌考慮各個(gè)部件，使其使用壽命或與建筑本身協(xié)調(diào)一致，或做到易于更換。

2 建筑光伏的光伏特性

(1)組件排布及容量設(shè)計(jì)

建筑光伏中的光伏系統(tǒng)最大裝機(jī)容量主要受方陣安裝條件和建筑配電容量兩方面的限制，也就是說應(yīng)取兩者中的較小值。建筑配電容量的限制，主要是基于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性對建筑配電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響。在Q/GDW 480－2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中，要求分布式電源總量原則上不宜超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%，光伏發(fā)電只是抵消基荷和一部分腰荷的用電，這在很大程度上保證了光電建筑不會(huì)對上級(jí)電網(wǎng)反送電，從而消除因光伏出力的不穩(wěn)定性造成用戶側(cè)電壓的波動(dòng)。

(2)電氣設(shè)計(jì)

建筑光伏系統(tǒng)中，若光伏電站安裝于集中大面積的水平屋頂上，從成本上考慮，仍建議采用集中型并網(wǎng)逆變器；對于BIPV系統(tǒng)，由于光伏組件安裝角度多樣，電池組件安裝地點(diǎn)分散，一般建議采用小功率逆變器或者使用組串型逆變器。

所有建筑內(nèi)使用的電纜均應(yīng)為阻燃型電纜。在某些應(yīng)力較大的場合，應(yīng)使用鎧裝電纜。當(dāng)用于光伏發(fā)電的電纜需與建筑配電電纜敷設(shè)于同一槽、孔、橋架內(nèi)時(shí)，宜選用與建筑配電電纜相同材料的電纜。在人手可觸及的電纜敷設(shè)場合，電纜外皮的溫度不應(yīng)高于70℃。在嚴(yán)寒的環(huán)境中，室外敷設(shè)的電纜要求耐低溫。當(dāng)電纜布線需穿墻時(shí)易造成“冷橋”，應(yīng)做特殊斷橋和保溫構(gòu)造處理。

對于以低壓380V接入市電的系統(tǒng)，對配電網(wǎng)影響最大的因素就是配電網(wǎng)末梢電壓的升高，尤其是出現(xiàn)逆功率時(shí)，這種電壓的升高會(huì)更加明顯。電壓升高超限會(huì)對用電設(shè)備造成損害，如果采用不可逆并網(wǎng)方式，應(yīng)設(shè)置逆功率保護(hù)。

(3)監(jiān)控通訊設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化項(xiàng)目的通訊通常采用無線和有線兩種方式。無線主要包括：Zigbee和GPRS用于RS485、WIFI用于以太網(wǎng)；有線主要包括：雙絞線用于RS485和以太網(wǎng)、同軸電纜用于以太網(wǎng)和視頻信號(hào)、光纖用于以太網(wǎng)。

對于光伏建筑一體化項(xiàng)目，通常設(shè)置監(jiān)控的位置主要有智能型光伏匯流箱、逆變器、多功能表和環(huán)境監(jiān)測儀。對于需升壓的項(xiàng)目還包括微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)一般用于變電站。站內(nèi)的每臺(tái)高壓開關(guān)柜都是一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)將繼電保護(hù)功能和監(jiān)控功能等集成在一起，實(shí)現(xiàn)就地?cái)?shù)據(jù)采集和就地控制，并提供遠(yuǎn)動(dòng)通道。

(4)防雷接地設(shè)計(jì)

建筑光伏系統(tǒng)應(yīng)采取防雷措施，其防雷等級(jí)分類及防雷措施應(yīng)遵守國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB50057《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

防雷分為防直擊雷和防感應(yīng)雷。防直擊雷的基本措施是安裝避雷針；防止感應(yīng)雷的基本措施是：在接線箱內(nèi)及配電盤內(nèi)安裝避電器AC220V(內(nèi)設(shè)切斷裝置)；在太陽能光伏方陣的主回路內(nèi)安裝浪涌保護(hù)器。

光伏接地應(yīng)充分利用建筑的接地系統(tǒng)。如無特殊要求時(shí)，應(yīng)盡量采用聯(lián)合接地。通常對各部分的接地電阻要求為：防直擊雷的設(shè)施要求接地電阻不大于10?；電氣設(shè)備的接地電阻不大于4?；通訊信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的接地電阻不大于1?。

方陣自身應(yīng)將所有組件的金屬邊框和金屬支架有效連接在一起形成等電位體。由于組件邊框的外層氧化鋁是絕緣的，因此通常用黃綠接地線將組件的接地孔與金屬支架連接。

(5)建筑光伏的通風(fēng)降溫

晶體硅太陽電池的發(fā)電效率隨著溫度的升高而降低，因此它靠近幕墻的部分需考慮通風(fēng)降溫的問題；非晶硅光伏組件的發(fā)電效率受溫度的影響很小，因此通風(fēng)降溫的問題并不突出。

對于光伏板的降溫設(shè)計(jì)可使用雙層墻系統(tǒng)，或?qū)⒐夥M件產(chǎn)生的熱量收集起來，用水或空氣循環(huán)散熱，這樣產(chǎn)生的熱水可供人使用，產(chǎn)生的熱空氣冬天可用于加熱房間溫度。

(6)消防設(shè)計(jì)

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的防火問題也越來越突出。調(diào)查結(jié)果顯示，引起火災(zāi)最多的原因是電弧，其次是防火措施不到位，由于分?jǐn)嘌舆t引起火災(zāi)的概率較小，發(fā)生火災(zāi)的部件主要是光伏組件和匯流箱，交流側(cè)很少發(fā)生火災(zāi)。

雖然國內(nèi)尚未聽說光伏發(fā)電系統(tǒng)引起火災(zāi)的情況，但是一旦發(fā)生火災(zāi)，由于光伏方陣的直流電系統(tǒng)難以解列，火災(zāi)將會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重后果，因此防患于未然就顯得萬分重要。對于光伏電站火災(zāi)的防范主要從火災(zāi)發(fā)生的原因入手。

光伏系統(tǒng)的具有數(shù)百伏的直流電壓電，易發(fā)生電弧。電弧發(fā)生主要有串聯(lián)回路電弧、并聯(lián)回路電弧和對地產(chǎn)生電弧三種情況。串聯(lián)回路的電弧是最經(jīng)常發(fā)生的，通過斷路器斷開回路是最好的滅弧手段；對地產(chǎn)生電弧的原因是絕緣失效，因此對地絕緣電阻或?qū)Φ芈╇娏鞯谋O(jiān)測是防止對地電弧的有效手段；直流側(cè)并聯(lián)回路的電弧目前還沒有更好的滅弧手段，但只要采用雙層絕緣的直流電纜，并聯(lián)回路的電弧也很少發(fā)生。但如果串聯(lián)回路的電弧不能及時(shí)消除，會(huì)引發(fā)并聯(lián)回路電弧。

三 結(jié)論

在建筑光伏一體化系統(tǒng)中，既要考慮到其作為光伏發(fā)電裝置的特點(diǎn)，如組串、陰影遮擋、交直流電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，同時(shí)也要考慮到其作為建筑的一部分，應(yīng)具備的建筑屬性，如建筑的遮光、防寒保暖等建筑屬性?？傊?，建筑光伏一體化并非是建筑與光伏組件簡單的“堆砌”，而是建筑特性和光伏特性在建筑光伏中的有機(jī)結(jié)合，建筑光伏系統(tǒng)充分發(fā)揮了光伏方陣的建筑特性和綠色電力特性，為節(jié)能建筑和光伏電力發(fā)展提供了一條創(chuàng)新之路。

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