李瑛杰

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

建筑節(jié)能是現(xiàn)階段綠色建筑發(fā)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(xiàn)階段能源緊缺問題。光伏建筑一體化（BIPV）作為太陽能發(fā)電的一個重要應用，其主要是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑整合，通過太陽能發(fā)電的方式來滿足建筑用電需求，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的一種重要手段[1]。隨著城市化進程的發(fā)展，建筑規(guī)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(jié)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(yǎng)低碳用能、生態(tài)發(fā)展觀念有著十分重要的作用。

1 光伏建筑一體化系統(tǒng)概述

1.1 BIPV技術發(fā)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(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)，并且得到政府大力支持，其目的在于補助私人研究者開發(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)鏈，部分國家針對太陽能光伏發(fā)電應用的計劃詳見表1。

表1 各國光伏發(fā)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(fā)展研究，在2009年財政部與住建部聯(lián)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]?！痹诖吮尘跋?，我國太陽能光電建筑的推廣與應用迎來了全新的發(fā)展機遇。隨著我國城市化進程的加快，建筑規(guī)模不斷擴大，為BIPV技術的推廣提供了便利。

1.2 光伏發(fā)電原理及組成

（1）工作原理

光伏發(fā)電是在光生伏特效應上產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)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(fā)電量有效，為了獲取更多的電能，通常是將電池板進行串聯(lián)，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(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中，控制器主要是控制電池組的充放電，進而實現(xiàn)太陽能一電能一化學能一電能一光能的轉化[3]。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

根據(jù)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(tǒng)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?！癇IPV”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(fā)電系統(tǒng)。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(qū)?？偨ㄖ娣e為189583.75㎡，地下建筑面積為25735.10㎡。1#樓及2#樓采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，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(jù)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(fā)電系統(tǒng)安裝容量約183×575=105.23kWp。項目太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用單晶雙玻575W光伏組件，參數(shù)信息詳見表2。

表2 單晶雙玻575W光伏組件參數(shù)信息

光伏發(fā)電系統(tǒng)參照《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》GB50797-2012、《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應用技術規(guī)范》JGJ203和《建筑太陽能光伏系統(tǒng)設計與安裝》10J908-5，根據(jù)《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》GB50797-2012第6.6.2條光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)初始年發(fā)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(fā)電量為：8.48×0.85=7.21萬kWh。

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

由此可見，太陽能光電系統(tǒng)利用清潔能源的同時，還能節(jié)約投資成本，有助于推動節(jié)能減排，進一步落實國家綠色發(fā)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(qū)位條件適建設光伏發(fā)電站，可為光伏發(fā)電站提供充足的太陽能。太陽能光伏發(fā)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(xiàn)輸配電線路最優(yōu)化的設計原則，目標在于提升系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性，充分發(fā)揮示范作用。

（1）光伏電站總體方案設計

對于光伏建筑系統(tǒng)而言，其主要由五大部分組成，即電池組件、并網(wǎng)逆向器、系統(tǒng)保護部分、在線系統(tǒng)、輔助模塊，各個段元之間的匹配設計與公共電網(wǎng)的接入合理是光伏電站規(guī)劃設計的關鍵部分。因此，需根據(jù)項目區(qū)域實際的配電網(wǎng)條件，合理分配接入光伏電站的電能，以此來補充并網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)中，配置得有相應地監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可實時檢測電站中的運行情況與外界環(huán)境參數(shù)，當數(shù)據(jù)采集器檢測到系統(tǒng)中出現(xiàn)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(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

（2）系統(tǒng)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(fā)電單元，同時也是系統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)電能的高效穩(wěn)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(fā)電量。由于氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)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(fā)電量。通過分析數(shù)據(jù)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(wǎng)逆變器部分

電站系統(tǒng)中逆變器的作用在于實現(xiàn)交流電的轉換，并且還具有保護電源系統(tǒng)的作用，是電站建設的核心關鍵部分。逆變器選用德國生產(chǎn)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(tǒng)運行的高效性，需確保系統(tǒng)的功率輸出平穩(wěn)。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(tài)。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(wǎng)中的直流電壓，并且可以并網(wǎng)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(shù)據(jù)進行橫向比較，保證并網(wǎng)逆變器的直流電壓始終沿功率變大的方向變化，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行[5]。

②公共電網(wǎng)跟蹤系統(tǒng)

在并網(wǎng)逆變器的作用下，可確保輸出端電能參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)一致，是確保公共電網(wǎng)并聯(lián)運行的關鍵部分。并且光伏發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)中的參數(shù)變化情況實時調整電能輸出參數(shù)，確保輸出參數(shù)的一致性。

3、系統(tǒng)保護部分

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

4、在線監(jiān)控系統(tǒng)部分

在并網(wǎng)光伏發(fā)電項目中，具有數(shù)據(jù)采集功能與遠程通訊功能，可實現(xiàn)對變電站的實施監(jiān)控，為電站的運營管理提供了依據(jù)。本項目設置了兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負責監(jiān)控周圍兩棟建筑的并網(wǎng)逆變器運行情況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息后，通過遠程通訊的方式將數(shù)據(jù)傳輸至控制器中，由于控制其與局域網(wǎng)相互連接，操作人可通過局域網(wǎng)在計算機中監(jiān)視逆變器的運行狀態(tài)。

2.3 光伏電力系統(tǒng)設計

在本工程項目建設過程中，主要是與建筑中的局域網(wǎng)進行連接，項目中所產(chǎn)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(fā)電有可能出現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)中，以供其他負載使用。此外，建筑太陽能光伏發(fā)電的推廣應用也使人們意識到自然資源的重要性與經(jīng)濟價值，對人們培養(yǎng)低碳用能、生態(tài)發(fā)展觀念起到十分重要的作用。