太阳能光电建筑应用技术要点解读

中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 ■ 张昕宇 何涛 徐伟

2011年12月26日，财政部发布了《关于组织实施2012年度太阳能光电建筑应用示范的通知》(财建办[2011]187号)，要求各省市财政部门和建设主管部门组织2012年度太阳能光电建筑应用集中示范区和太阳能光电建筑一体化示范项目的申请工作。

从2009年以来，中国建筑科学研究院作为住房和城乡建设部制定可再生能源建筑应用示范项目的测评单位，完成了一些光电建筑项目的检测工作。2011年，中国建筑科学研究院参与了住建部科技司太阳能光电建筑应用系统认证体系研究和民用建筑太阳能光伏系统远程监测体系建设项目，完成了示范数据远传和系统监测工作，同时中国建筑科学研究院主编的国家建设工程标准《可再生能源建筑应用工程评价标准》已于2011年通过送审稿评审，即将发布实施。结合以上实际的工作，通过对太阳能光电建筑应用示范项目的测试、评价及系统数据远传和监测工作，为了更好地推进2012年度太阳能光电建筑应用示范工作，特建议从技术角度做好以下几个方面的工作：

一 光伏发电系统的装机容量确定

与建筑结合的光伏发电系统装机容量的确定不同于光伏电站，通常光伏电站根据目标发电量确定系统装机容量，与建筑结合的光伏发电系统的装机容量应根据建筑物的耗电量合理的确定，即光伏系统发出的电量刚好被建筑物消耗掉，在此条件下光伏发电系统的容量是合适的也是经济的。建筑变配电系统通常分为照明和动力两个独立的回路。通常照明的电压等级为220V，动力电的电压等级为380V。照明又分为一般照明和应急照明，通常应急照明需要不间断供电，应急照明系统通常配有蓄电池，采用光伏发电系统，可以考虑适当增加蓄电池的容量。如果光伏发电系统与照明回路并网，其装机容量应与应急照明及白天需要照明区域的用电量相匹配，并网部分的照明回路是否单独供电应结合建筑物的实际情况进行。如果光伏发电系统与动力回路并网，其装机容量应与白天需要运行的动力设备等用电量相匹配。

二 太阳能光伏组件与建筑结合方式

遮挡对光伏组件的发电效果是有影响的，相对于薄膜电池，遮挡对晶体硅电池的发电效果影响比较大，可能会引起局部组件阵列电流异常，严重时会导致组件损坏，应引起重视。采用光伏发电系统，需要合理的设计建筑物的间距，光伏组件阵列设计时应进行详细的计算，确保光伏组件阵列不被自身遮挡，同时也不被建筑物的附属物如烟囱、通风孔等遮挡。

根据光伏组件与建筑结合的方式分为BIPV和BAPV，其不同点是BIPV组件是建筑物围护结构的一部分，同时具备结构功能和发电功能，而BAPV是安装在建筑物表面上，只具备发电功能。在BIPV系统设计时应兼顾光伏组件的建筑材料功能和发电效果，根据《建筑安全玻璃管理规定》（发改运行〔2003〕2116号)要求，建筑物需要以玻璃作为建筑材料的下列部位必须使用安全玻璃：(1)7层及7层以上建筑物外开窗；(2)面积大于1.5m2的窗玻璃或玻璃底边离最终装修面小于500mm的落地窗；(3)幕墙(全玻幕除外)；(4)倾斜装配窗、各类天棚(含天窗、采光顶)、吊顶；(5)观光电梯及其外围护；(6)室内隔断、浴室围护和屏风；(7)楼梯、阳台、平台走廊的栏板和中庭内栏板；(8)用于承受行人行走的地面板；(9)水族馆和游泳池的观察窗、观察孔；(10)公共建筑物的出入口、门厅等部位；(11)易遭受撞击、冲击而造成人体伤害的其他部位(指《建筑玻璃应用技术规程》JGJll3和《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102所称的部位)。 BIPV在以上部位使用必须满足《建筑安全玻璃管理规定》的要求。在某些工程设计时，为了确保建筑物的效果，需要设计一些异型的建筑做法，如采用BIPV组件作为建筑材料，这部分组件并网会引起光伏发电系统效率的严重降低，此时需要牺牲一部分发电量。

光伏组件在工作时会引起发热，导致组件的工作温度升高，会影响发电效率，如作为建筑材料使用时同时会影响建筑物的采暖空调负荷，如果不考虑通风，冬季组件发热会起到降低采暖耗能的效果，而在夏季组件发热会增加空调负荷。因此在选择光伏组件作为建筑材料使用时，应采取适当的措施，合理的通风，确保组件具备较高发电效率的同时降低建筑物的采暖空调负荷，有许多软件可以模拟不同通风方式的效果，在光伏系统设计时可以采用。

对于BAPV组件，其安装固定的方案应合理的选择，安装支架应选择耐久可靠的材料，由于支架材料选用不合理及安装方式错误，我国沿海某光伏发电项目运行仅一年多的时间，支架就出现了锈蚀的现象。

另外，无论是在新建建筑或既有建筑上安装光伏组件，应确保光伏组件处于建筑防雷系统的保护范围内。

三 光伏发电系统的电能质量

光伏发电系统电能质量的好坏决定了系统是否可以并网，与建筑结合的光伏发电系统通常是低压侧并网，国家相关标准对于低压侧并入电网的电能质量做出了规定，部分摘录如下：

1 供电电压偏差

根据 GB12325-2008《电能质量 供电电压偏差》中规定：20kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%；220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%，- 10%。

2 供电电压允许波动和闪变

根据GBl2326-2008《电能质量 电压波动和闪变》规定，电压波动限值应符合表1的要求。

表1 电压波动限值

电力系统公共连接点，在系统正常运行的较小方式下，以一周为测量周期，所有长时间闪变值Plt应满足表2的要求。

表2 闪变值

3 供电三相电压不平衡

根据GB／T15543-2008《电能质量 三相电压不平衡度》中规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。低压系统零序电压限值不做规定，但各相电压必须满足GBl2325的规定。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度的允许值为1.3%，短时不超过2.6%。

4 公用电网谐波

根据GB／T14549-93《电能质量 公用电网谐波》中规定，公用电网谐波电压的限值应满足表3的要求。

公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过表4规定的允许值。当公共连接点出的最小短路容量不同于基准短路容量时，可以根据GB／T14549-93《电能质量公用电网谐波》的附录B对谐波电流允许值进行换算。

表3 公用电网谐波电压的限值

表4谐波电流分量限值

5 频率偏差

我国电力系统的标称频率为50Hz，根据GB/T15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》中规定：电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz。

光伏发电系统的发电质量必须符合国家标准要求，才能并网。是采用多个逆变器单独并网还是多个光伏阵列采用一个逆变器并网，其电能质量都必须符合要求。逆变器直接影响光伏系统电能质量，应选用高效、适合我国电网要求的逆变器。光伏系统的逆变器和控制系统还应具有过电压保护、防雷击、防孤岛效应等安全功能。

四 光伏系统的监测与评价

根据通知要求，光电建筑应用示范项目必须建立数据远传与监测系统，即要求在系统监测的基础上实现数据远传，太阳能光伏系统的监测参数根据功能大致可以分为两类，一类是用于监视系统是否安全可靠运行，一类是用于评价系统的发电效果。为了确保系统安全可靠运行，需要对光伏组件的直流电压、直流电流、逆变器输出电压、输出电流、谐波、频率、电压波动、电压不平衡度等参数进行监测，为了评价光伏发电系统的效果，需要在上述测量的基础上测量太阳能辐照量，逆变器输出功率，功率因数等参数。根据中国建筑科学研究院主编的国家标准《可再生能源建筑应用工程评价标准》的规定，不同类型太阳能光伏系统的光电转换效率应符合表5的要求。此处光伏系统的光电转换效率为光伏发电系统将太阳辐照转换成电能的效率，包含了逆变器转换效率和交流并网效率。

表5 不同类型太阳能光伏系统的光电转换效率ηd(%)

光电建筑应用还涉及到产品选型，系统安装及调试运行等方面，实施光电建筑项目时需要统筹考虑，以满足建筑用能需求为中心要务，确实发挥光伏发电系统的作用，达到真正实现降低建筑能耗、减少温室气体排放的效果。