太阳能光伏技术在建筑中应用

2013-11-29冯晓良

智能建筑电气技术 2013年6期

关键词：透光率电池板组件

李蔚 / 冯晓良 / 刘杰

(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014)

1 引言

太阳能作为可再生能源的一种，因其清洁环保、永不衰竭的特点，被业内人士称为“黄金电”。太阳能光伏发电是未来太阳能大规模利用的方式，成为太阳能资源利用的热点研究领域。

我国地处北半球，南北4oN～52.5oN，东西自73oE～135oE。全国各地的年太阳能辐射总量为931～2 334kWh/m2,中值为1 633kWh/m2。

根据《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006)5.2.18款说明：年日照时数超过2 200h为太阳能利用条件较好的地区，约占我国国土的2/3。

我国各地区的太阳能资源分布，可划分为五类地区，参见表1。

我国是太阳能资源相当丰富的国家，表1中1、2、3类地区占全国总面积的2/3以上，可以利用太阳能的良好条件。太阳能光伏发电具有安全可靠、能源质量高、无需消耗燃料、可方便地与建筑物相结合、维护费用低等优点，是未来太阳能大规模利用的重点研究领域。太阳能光伏发电系统如何与建筑有机结合，是光伏技术工程化应用必须要解决的问题。

2 光伏系统的组成及功能

太阳能光伏系统主要由太阳能电池板(组件)、蓄电池、控制器、DC-AC逆变器和各类用电负载等组成。其系统组成框图如图1所示。

图1 光伏系统组成框图

表1 我国各地区的太阳能资源分布表

太阳能光伏系统各部件的功能如下：

1)太阳能电池板(组件)

太阳能电池板(组件)是太阳能光伏系统将太阳光能转换成电能的核心部件，由多个太阳能电池经串、并联组成，其板面为钢化玻璃封装，使用温度为－40℃～＋60℃，使用寿命为20～25年。

2)蓄电池

蓄电池是太阳能光伏系统的储能部件，它将太阳能电池板所产生的电能储存起来，当用电负载需求大于太阳能电池板所发的电量时，将存储的电能反向释放以满足负载供电需求。

3)控制器

控制器对蓄电池的充、放电条件和系统的电能输出加以控制，保证系统正常、可靠地工作。一般需包含蓄电池过充、过放、负载过流和防反充等保护电路。

4)逆变器

如果用户终端为交流负载，则须使用逆变器设备，将光伏发电系统发出的直流电转换为交流电供用户使用。

3 光伏电池性能特点

太阳能电池板由多个光伏电池经串、并联组成，光伏电池主要包括晶体硅(单晶硅、双晶硅)电池和非晶硅电池。

1)晶体硅(单晶硅、多晶硅)电池

(1)组件尺寸：最小300mm×300mm

最大2 300mm×3 600mm；

(2)电池片颜色：蓝色、青铜色、灰色、黑色、棕色、红色及其他需求的颜色；

(3)电池片效率：单晶硅15%～21%、多晶硅14%～17%；

(4)常规晶硅组件功率：

150Wp/m2(5% 透光率)，140Wp/m2(10%透光率)，130Wp/m2(20%透光率)，120Wp/m2(25% 透光率)，110Wp/m2(30% 透光率)，100Wp/m2(35% 透光率)，90Wp/m2(40%透光率)，80Wp/m2(50%透光率)。

2)非晶硅薄膜电池

(1)厚度小，非晶硅薄膜层厚度约为0.3μm，而晶体硅片厚一般为200μm，因而原材料消耗少。

(2)冶炼硅需要消耗电能，晶体硅组件的抵能回收期需2.2年，而薄膜硅只需1.6年。

(3)薄膜硅的高温性能较好，电压和输出功率的温度变化系数远小于晶体硅。

(4)具有良好的建筑性能，其颜色均匀，无晶体光电池的分格图案，并且薄膜具有多种色彩，可为建筑师提供较多的建筑艺术设计选择。同时，薄膜电池具有透光性，透光率可以在1%～30%范围内选择，可一定程度的满足建筑设计要求。

(5)尺寸：长1245(mm)× 宽635(mm)× 厚7(mm)；重量：12.4 kg。

(6)转换效率：5%～8%；功率：50～70Wp/m 。

4 太阳能电池板的安装

1)安装方向

为了使太阳能电池板面更好接收太阳光照射，在安装时北半球应朝南略偏西，南半球应朝北略偏西。

2)安装角度

太阳能电池组件的输出功率与安装角度和装饰性外罩有关，如水平放置，将使输出功率减少15%～20%；再在电池上增加一个装饰性外罩，输出功率又将减少5%左右。太阳能电池板面与地面夹角应根据纬度不同进行调整，高纬度地区夹角大一些，低纬度地区夹角小一些，以最大限度地利用太阳光。

以北京、武汉为例，太阳能电池组件的安装方向为正南方时，其安装角度如表2所示。

3)占地面积

由于太阳能电池板较大，使用时须预留安装面积。以武汉为例，目前每100Wp(峰值功率)电池板占地面积约为1.2m2，如果排成阵列，则需预留占地面积约2.2m2。

表2 太阳能电池组件安装角度

4)基本要求

太阳能电池板安装时必须避开所有阴影，使太阳光不被遮挡，并且其支架强度应能抵抗当地最大风力和最大雨雪冰雹荷载。

5 光伏系统的建筑应用

5.1 太阳能照明系统

太阳能照明系统是一种常见的光伏系统应用模式，主要由太阳能电池板、蓄电池、逆变器、充放电控制器、节能灯具和灯杆等组成。通常应用于户外场所(如路灯、草坪灯、庭院灯等)照明和楼道照明(楼道灯)等。

5.2 太阳能、LED光源的结合

应用太阳能光伏系统给传统的灯具光源供电，并不十分经济。LED光源功耗低、寿命长、光效高、反应速度快、直流低压工作安全可靠、环保，是未来替代传统照明灯具的潜力产品。随着LED技术的不断发展和成熟，太阳能发电与LED照明的结合是未来研究的热点。

5.3 光伏建筑一体化(BIPV)

“光伏发电与建筑物集成化”(Building integrated/attached photovoltaic)的概念早在1991年被正式提出。其目标是将光伏器件与建筑材料集成化，按照光伏组件的安装方式，可分为建材型、构件型和与屋顶、墙面结合安装的支架型三种形式。建材型和构件型光伏系统的光伏板组件本身就是建筑的外围护结构(如屋面、墙面的面板)，同时具有发电的功能和围护结构的功能，无需另设外围护结构。光伏建筑一体化系统应在建筑方案设计时一并考虑，与建筑物本身同时规划、设计、施工和验收，其围护结构应同时符合《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102－2003)的相关要求。

光伏建筑一体化(BIPV)是将光伏系统应用于建筑的一种新能源利用形式，其载体是建筑，客体是光伏系统。为此，在选择光伏组件时，除满足电气性能外，还应符合如下要求：

1)颜色和质感：需与整体建筑相协调，使建筑更富生机，更环保。

2)强度与抗变形的能力：光伏组件的玻璃需要加厚，使其具有抗风压的能力；同时也要有一定的韧性，在风荷载作用时能有抗变形的能力，从而不会影响到光伏组件的正常工作。

3)透光率：在光伏组件与建筑物集成时(如光电幕墙或光电采光顶)，若需要制作光伏组件，则采用双层玻璃封装，并通过调整电池片之间的空隙来达到透光率要求。

4)尺寸和形状：BIPV形式不同，对光伏组件的尺寸形状要求也不同，所以需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。

6 BIPV的建筑设计

在BIPV建筑设计时应尽量不影响原有建筑的外观效果、结构安全、使用功能和寿命，主要从以下四个方面考虑：

1)对建筑物地区的气候条件及太阳能资源情况进行分析，充分考虑经济性，决定是否适合选用BIPV；

2)选用某建筑物作为BIPV建筑时，对该建筑物的周边环境条件，接收太阳能的具体情况，是否被其他建筑物遮挡等进行分析；

3)BIPV的设计要与建筑物的外装饰协调；

4)要分析光伏组件安装后，对当前建筑物的热环境有何影响。

光伏建筑一体化选用形式见表3。

表3 光伏一体化的形式

光伏建筑一体化工程中，采用合一式光电组件面板兼作玻璃墙面板时，面板和支承结构的设计应符合《玻璃幕墙工程设计规范》(JGJ 102-2003)。

BIPV的结构设计主要涉及以下两个方面：

1)光伏组件的结构安全。如高层建筑屋顶的光伏组件能否承受较大的风力、地震力、积雪荷载等，组件受力变形时是否会影响到光伏电池片的正常工作。屋顶的光伏组件在20年一遇的冰雹撞击下，不应破损。

2)固定光伏组件的连接方式的安全性。光伏组件安装连接时，应充分考虑在使用期内的多种最不利

7 BIPV的结构设计

情况，对连接件固定点进行相应的结构计算。支承结构应与主体结构或基础可靠连结，要对连结件进行承载力计算，并核算主体结构能否承受光伏系统传来的支承反力。

8 光伏阵列的发电量计算

8.1 计算公式

光伏幕墙与屋面产生的电能可按式(1)计算：

式中Ps—年产电能(MJ)

H—所在地区每m2太阳能与年总辐射能(MJ/m2)；

A—光电幕墙或屋面面积；

η—光伏电池效率，可按表4取值。

表4 光伏电池效率表

K—修正参数；K=K1·K2·K3·K4·K5·K6，其中：

K1—光伏电池长期运行性能参数，K1=0.8；

K2—灰尘引起的透明度参数，K2=0.9；

K3—光伏电池升温导致性能下降的参数，K3=0.9；

K4—导电损耗修正参数，K3=0.95；

K5—逆变器效率参数，K4=0.85；

K6—光伏电池阵列朝向和倾角修正系数，按表5取值。

表5 光伏电池阵列朝向和倾角修正系数

8.2 计算示例

已知：(1)室内用电负荷：设备一台，日均耗电640Wh；8W日光灯6盏，平均每天照明3h；功率为60W的彩电一台，平均每天收看2h。

(2)选用单晶硅光伏电板，与地面成60°角，朝南(北京地区)。

请设计满足上述用电需求的光伏电池板。

解：①负荷用量

日耗电量：

以全年工作280d计算，年耗电量：

②光伏幕墙年发电量应满足室内用电要求：

北京地区：H =5 000MJ/m2=5 000×106J/m2

单晶硅：η=0.14

③采用1 000mm×760mm光伏电池板，4块，实际面积为：

1.0 m×0.76×4 =3.04m2＞2.73m2

可以满足设计要求。

9 光伏系统的应用现状及前景展望

9.1 应用现状

近年来，我国光伏产业呈现快速增长态势，出现了一批具有国际竞争力和国际知名度的光电生产企业，初步形成规模化、国际化、专业化的产业链条。但目前国内市场需求不足以及过度依赖国际市场的局面，在一定程度上影响了产业发展。同时，欧债危机、欧盟反倾销增税等，给光伏产业带来不利影响。

为加快推进我国光电建筑应用，2009年3月财政部与住房和城乡建设部联合发布了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》及《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》。2013年8月发改委发布了《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，进一步完善了光伏发电项目的价格政策，给太阳能光伏产业带来了新的发展契机。

目前，光伏系统仍以硅基光伏电池为主，但光伏电池转换效率低、光伏发电系统成本较高，制约着光伏产业的发展。今后的目标是发展高效廉价的硅基电池，并通过创新技术研发新型实用电池，推动光伏产业的规模化应用。