光伏建筑一体化应用技术与案例

丁世磊 贾艳刚,2 王宝华 刘峰 奚俊婷 刘海洋 邵绍峰 韩玉强 刘志璋

（1. 中电电气(南京)太阳能研究院； 2. 东南大学）

一 引言

当前全球范围内绿色经济低碳技术正在兴起，抢占未来发展制高点的竞争也日趋激烈。目前中国建筑能耗占总能耗的1/3，总建筑能耗继续保持快速增长态势，预计到2020年中国建筑能耗或将高达11亿t标准煤，中国建筑节能迫在眉睫[1]。建筑节能技术已成为全世界关注的热点，也是当前国内外节能领域的一个热点研究课题。

目前，建筑光伏并网系统是世界光伏应用的主要形式和当今光伏产业发展的潮流，研发太阳能在建筑中的综合利用技术，探究太阳能技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义[2]。

光伏建筑发展是从示范到推广，从屋顶光伏到与建筑集成，进而发展为光伏建筑一体化。一些发达国家，如美国、德国和日本在光伏建筑一体化方面已经有了一定的设计经验和技术。而在国内光伏建筑一体化的设计研发起步晚，尽管中国是光伏产业大国，但两头在外的尴尬局面严重制约了光伏建筑一体化的研究和应用发展[3]。在实际应用方面，由于研发和实际经验不足，面临诸多问题，如建筑的阴影分析、组件的配置、排布与系统发电效率之间的关系。如何保证组件与建筑之间良好的匹配度，简要讲，就是如何既能达到光伏系统效率最优化，又能满足建筑外形美观和功能实用的要求。

本文将通过详细分析，研究定位在光伏建筑一体化阴影分析、组件最佳倾角与系统发电效率、双峰最大功率点跟踪、系统结构设计、节能变压器等技术要点。由于光伏建筑一体化是多学科、多层面参与合作的系统工程，因此这些问题的解决需要建设部门、高校研发机构、企业、房地产商等共同参与与努力，借助多方优势，快速提高国内光伏建筑一体化研发设计的水平，为光伏建筑一体化的发展做出贡献，为国家的节能减排做出应有的贡献。

二 研究与应用

光伏建筑一体化是融合了光伏系统、建筑、美学、电学接入等多学科交叉的综合技术。设计人员从整体概念出发，综合考察光伏系统发电效率、光伏组件与建筑之间的融合和系统的美观性等因素，考虑如何既能达到效率最大化，又能满足建筑外形美观和功能实用要求。

光伏建筑一体化在国内起步晚，市场处于发展初期，在技术和工程等方面遇到诸多问题。作为重大建筑项目，京沪高铁南京南站具有自身的特点和特殊的意义，在光伏建筑一体化设计中，除了要考虑当地最佳光伏组件倾斜角度和光伏方阵的前后间距，以及当地的风压、雪压，作为整个建筑物大系统中的一个子系统，还需考虑如何使光伏系统与建筑物尽可能完美的结合。光伏建筑一体化又被称为建筑物的“第五立面”。未来的京沪高铁南京南站周边地区将会高楼林立，对光伏系统在“第五立面”上如何进行合理的布置，如何保证光伏系统效率，从而保证业主的利益是一个很大的难题。

下面以南京南站屋顶光伏并网示范工程为依托，围绕光伏建筑发电系统设计要点阐述工程研发设计中采用的技术方案和创新成果。

1 南京南站概述

京沪高铁南京南站除京沪高铁经停外，还接纳沪汉蓉铁路、沪宁高铁、宁杭城际、宁安城际等多条铁路，以及多条连接南京市区和禄口国际机场的地铁、长途客运车站等，是未来南京和华东的重要交通枢纽。该建筑设计创意依托南京六朝古都之底蕴、紫金与玄武之灵气，雕梁画栋、飞檐斗拱、气势磅礴，尽显中国传统建筑的恢弘气势。京沪高铁南京南站效果图如图1所示。

在建筑物上引入光伏发电系统，先要清楚建筑的特点。跟光伏系统有关的京沪高铁南京南站的建筑特点为:建筑中轴线南偏东28.4¡；无站台柱雨棚两侧各约30m位于主站房挑檐下方；纵横交错的主桁架和次桁架形成了近4m深方格屋顶。

图1 京沪高铁南京南站效果图

为了便于后续分析，我们将京沪高铁南京南站无站台柱雨棚区域划分为基本站台屋顶、主桁架屋顶和方格屋顶，如图2所示。

图2 京沪高铁南京南站雨棚屋顶区域划分

2 技术创新与应用

(1)光伏建筑一体化阴影分析和最大辐射量可视化分析

与地面光伏电站不同，在光伏建筑一体化系统中，涉及到建筑周围环境的影响，必须研究安装建筑物的阴影情况[4]。同时要实现最大发电量，需解决光伏方阵最佳倾角的问题。针对这些问题，研发设计团队以光伏和建筑两方面的理论为基础，结合专业化的计算模拟软件，对上述技术难题进行攻关，找到了一种简洁有效的解决光伏建筑一体化阴影分析和光伏方阵最佳倾角的办法。

① 阴影分析

江苏省DGJ32J 87－2009《太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程》第4.3.1条规定“安装光伏组件的建筑部位宜满足冬至日4h日照不受遮挡的要求”。京沪高铁南京南站的建筑特点决定了该工程阴影分析的难度和复杂程度。针对该项目，我院采用计算机三维仿真技术，建立了完整的京沪高铁南京南站计算机三维模型，对雨棚屋顶的阴影情况进行了细致的仿真分析，可分析出全年任意时刻、任意区域的阴影情况。

图3～图6为阴影分析的部分代表图。从图3和图4可以看出，东西两侧雨棚屋顶、方格屋顶以及主桁架屋顶在夏至日9～15时的阴影相对较对称。图5和图6中，东侧雨棚、方格屋顶的西部以及主桁架的东侧阴影非常严重，初步认为不适合安装光伏组件，但还需做进一步的太阳辐射分析。

图3 夏至日9～15时阴影累计图

图4 夏至日9～15时阴影累计图（局部）

图5 冬至日9～15时阴影累计图

图6 冬至日9～15时阴影累计图（局部）

②光伏方阵太阳能辐射量的可视化分析

辐照强度依赖于纬度、太阳位置和气象条件。当安装地点确定后，光伏方阵安装倾角的选择是必须要解决的问题。在并网发电系统中，要求系统的全年日均发电量最大，即要求光伏方阵倾角调整至接收到全年最大太阳辐照量[5,6]。

通过阴影分析基本可确定适于安装光伏组件的区域。尽管有些区域有阴影，但阴影过程很短，该区域的太阳辐射量很高，兼顾到建筑物的整体效果，故这些区域适合安装光伏组件。

对于光伏建筑一体化来说，目前业界一般采用图7所示估算各不同朝向的光伏方阵的效率。以当地最佳倾角和最佳朝向为100%作为标准，各不同朝向的光伏方阵的效率均会有不同程度的降低。但图7仅用于估算，未考虑遮挡等情况对不同朝向光伏方阵效率的复杂影响。

图7 不同朝向光伏方阵效率估算图

根据Hay J E[7]提出的天空散射辐射各向异性的模型，可计算出朝向赤道不同倾角的方阵面上所接收到的太阳辐照量。结合该理论和实际辐照情况，采用专业的可视化光伏系统设计分析软件，对不同地区、不同朝向的光伏方阵做出精准的太阳辐射量计算。依据南京地区近15年的气象数据，得出了某一时段各不同朝向面所接收的太阳辐射量，结果发现同一时段内朝向东南和西南的面上的太阳辐射并不相同。

③各屋顶太阳辐射量分析

为了得到更科学详尽的适合组件安装的区域，在上述阴影分析模型的基础上，我们对京沪高铁南京南站各区域的太阳辐射进行了更加细致的辐射分析。图8给出了南京南站各区域太阳辐射示意图。

图8 屋顶辐射仿真及区域编号

由于接收太阳辐射最大量的光伏组件方阵朝向西南方向，但在建筑领域中，为了减少阳光对室内的直射，降低空调等设备的能耗，建筑的门窗一般朝向东南。由图8可以看出，主站房下方的无站台柱雨棚区域的辐射量非常低，主桁架西侧的辐射量也非常低。

各区域较南京地区最佳倾角的不同辐射量比见表1，表中列出方格屋顶和主桁架屋顶未受主站房挑檐影响的区域、基本站台屋顶的全部区域。从分析各区域的输出效率比可对系统安装区域进行评估。

(2)具有双峰跟踪的并网逆变器

在光伏电站中，经常会由于建筑物的部分或附近环境中存在高大物体遮住光伏电池板的一部分，如树木，邻近建筑等，这种部分被遮住的现象会引起光伏电池板整体发电量的下降，并造成两个以上的局部峰值功率点。如果系统长期工作在较低的局部峰值功率点，系统将损失大量电能[9]。世界各大光伏系统公司推出了各种主电路拓朴结构及不同控制方式、不同功率等级的产品。据德国汉诺威太阳能研究所报道，同样阵列容量在同样气象条件下，由于采用了不同构造的逆变器，每年送向电网的发电量可相差一倍之多。由此可见，并网逆变器系统技术对于光伏并网发电的重要作用。

表1 屋顶各区光伏方阵辐射量比

研发团队采用理论模拟与实验试制相结合的方法，研究多个局部功率点跟踪技术，通过采用最新算法实现了对双峰局部最大功率点跟踪，使得系统实时判断并一直工作在最大的局部峰值功率点处，实现发电量最大化。此外，除考虑功率优先级策略、双峰最大功率点跟踪外，并网逆变器的技术设计还需结合远程监控等技术优势，使得实时监控成为现实。现已将研发成果应用于产品和工程中，所开发的并网光伏逆变器已取得权威认证证书。

(3)光伏组件的选型与布置

① 电池组件的选型

太阳电池是利用半导体p-n结的光生电动势将太阳能直接转换成电能的器件。作为光伏建筑一体化的核心组件，太阳电池的选用关系到电池效率的发挥以及建筑功能的实现，关系到系统安全、高效地运行。电池的特点决定了其应用的范围，晶体硅太阳电池适合用于辐射条件好的位置，以充分利用有限的建筑面积。所以晶体硅太阳电池一般都采用有利于在全年范围内尽可能多接收太阳辐射的情况。结合前面的技术分析，我们在工程设计中选用由赵建华博士研制的高效晶体硅太阳电池[10]，光伏组件的转换效率17.75%，保证了光伏系统较高的发电量。

② 组件排布分析

具体的光伏组件排布需根据阴影的动向进行，以尽可能降低阴影对光伏方阵的影响。同时需结合屋顶的檩条布置进行合理的支架布置，以降低光伏方阵的荷载，更好地应对极端天气情况。

根据前面的阴影分析可知，方格屋顶主要受到主桁架产生的阴影的影响，主桁架为南北走向，因此阴影变化为东西向移动。

方格屋顶采用尺寸为1580mm×808mm×50mm的光伏组件，如横向排列(即光伏组件长边为东西走向)，则阴影在单块光伏组件上停留时间较长，对光伏系统不利；若竖向排列(即光伏组件短边为东西走向)，则阴影在单块光伏组件上停留的时间相对横向排列较短，有利于光伏系统性能的提升。

同时，京沪高铁南京南站雨棚采用的是YX-65-400镀铝锌压型彩钢直立锁边板(图9)，板间距为400mm；而光伏组件长边为1580mm，加上20mm的通风散热间隙，共1600mm(为400mm的4倍)，模数相匹配。

在光伏建筑一体化项目中，由于安装区域的不规则，有时需要特种光伏组件。针对特种组件串并联对系统效率的影响，我们设计试验，分别研究特种组件的电压、电流、功率等参数对系统效率的影响。分析数据表明组件功率相近时，有助于得到最优系统效率，即设计光伏发电系统时，将功率相近的组件串并联，同时在设计优化组件排列与连接时，受阴影影响相同的组件串联成一路。

(4)光伏组件固定系统

支架作为光伏系统方阵的主要支撑骨架，其设计关系到系统的安全稳定运行。考虑到施工属于多方协作的复杂体系，这就要求光伏组件支架系统的安装要快速、便捷和安全。

图9 平屋顶(方格屋顶及基本站台屋顶)光伏组件布置

南京南站雨棚的初步设计屋面是采用压型钢板(图10)，但此种屋面安装支架时需用螺钉穿过屋面板，然后安装固定光伏组件。螺钉中部的黑色部分为橡胶圈，起到防水密封的作用。虽然这种安装方式能达到防水等级的要求，但安装较复杂。

图10 压型钢板与组件固定

因此设计时建议采用直立锁边的屋面。京沪高铁南京南站雨棚屋顶为0.80mm厚银灰色YX-65-400镀铝锌压型彩钢直立锁边板。通过转接件固定在屋面板的锁边部位，然后再安装支架，不需要用螺钉穿透屋面板，从而提高屋面防水性能，简化安装工序。

(5)非晶合金并网接入系统

光伏建筑一体化要实现并网接入离不开升压设备。接入系统采用中电电气在行业内首推的第二代非晶合金三相三柱变压器。该变压器和普通干变外型尺寸相当，占地小，可与开关柜顺利对接；采用美国杜邦公司制造的NOMEX纸绝缘系统，绝缘耐热等级高达C级，可长期120%负荷运行；产品损耗低，节能效果显著，空载损耗降低70%。节能减排是未来变压器行业的发展方向，在光伏建筑一体化设计中采用节能变压器进一步保证光伏建筑并网发电系统的绿色节能理念。

在目前节能减排的号召下，京沪高铁南京南站屋顶光伏并网系统关键技术研究与应用的成功实施，对于在城市积极推进光伏建筑发展和建筑新材料使用，加大城市节能减排力度，推广光伏建筑一体化具有重要意义。

三 结束语

本项目依托京沪高铁南京南站屋顶光伏并网示范应用工程进行研发设计，取得了一系列应用成果。首先提出了阴影三维模拟和最大辐射量可视化分析方法，简洁可视化为复杂工程的开发设计提供了便捷的分析手段，节约设计时间近1/4。拥有自主知识产权的双峰最大功率点跟踪技术，系统效率最大能提高50%。该项技术应用于并网逆变器，增加系统的发电效率。统筹设计组件的选型、功率相近的串联和“串流并压”；简化安装和防水直立锁边屋面设计。在光伏建筑一体化设计中的整体优化策略，属于国内先进水平。选择性能优异的电池和良好节能的非晶合金变压器，节能损耗降低70%，保证了项目的整体节能效果，为该项目的应用树立了良好的典范。

本项目规划总装机容量10.67MWp，年平均发电量不低于923.01万kWh，与相同发电量的火电厂相比，每年节省标煤3138t，每年可减少烟尘排放量约16.6t，二氧化硫约60t以及废水230.1t。所获得的研发设计成果对光伏建筑一体化工程设计应用具有很大的提升，对提高我国光伏建筑一体化的技术水平、形成建筑节能产业具有重大意义。

将太阳能光伏系统与建筑系统有机结合起来，不仅可节约城市用地，而且可提供清洁电能，同时减少二氧化碳等温室气体的排放，减少烟尘排放和灰渣堆积，提高城市的环境质量，提升人们的生活水平。光伏建筑一体化是未来光伏应用中最重要的领域之一，其发展前景十分广阔, 并且有着巨大的市场潜力。光伏建筑一体化关键技术的研究和工程技术的应用将带动光电建筑应用, 拉动太阳能光电产业的发展，促进建筑节能减排，具有良好的经济与社会效益。

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