光伏建筑一体化探讨及应用案例分析

王 凯

（新疆风电工程设计咨询有限责任公司，乌鲁木齐 830063）

0 引言

目前我国面临着严重的环境问题和能源问题，而我国的建筑能耗是相同气候条件发达国家的2～3倍。建筑节能是提高住宅舒适度、降低运行费用的基础，而建筑节能中的65%主要由建筑围护系统承担，因此，节能是建筑外围护结构行业的重要责任。将太阳能同建筑围护结构结合起来，利用安装在建筑物围护结构外表面的太阳能发电装置来提供电能，不仅可以扩大清洁能源的生产，而且不占用城市地面空间，已被越来越多的国家所采用。

1 光伏建筑一体化的概念

光伏建筑一体化（BIPV）技术是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力的技术。根据光伏方阵与建筑结合方式的不同，可分为光伏方阵与建筑的结合、光伏方阵与建筑的集成两类，如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。

光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不需要占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级应用形式，它对光伏组件的要求较高，光伏组件不仅要满足光伏发电的要求，而且还要兼顾建筑的基本功能要求［2－3］。

2 光伏建筑一体化发电的工作原理

光伏建筑一体化发电分为并网型与离网型两种方式。

2.1 并网型光伏发电系统

并网型光伏发电系统由光伏组件、并网逆变器、控制装置组成。光伏组件将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能供给负载使用，并馈入电网。

光伏建筑一体化发电并网系统结构示意图如图1所示。

2.2 离网型光伏发电系统

离网型光伏发电系统由光伏组件、逆变器、控制装置、蓄电池组成。以光伏电池板为发电部件，控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。当蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充；当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电。

图1 光伏建筑一体化发电并网系统结构示意图

光伏建筑一体化发电离网系统结构示意图如图2所示。

图2 光伏建筑一体化发电离网系统结构示意图

3 光伏建筑一体化的优势

目前我国建筑能耗占总能耗的1／3，光伏发电与建筑结合是降低建筑能耗的有效方式，光伏建筑一体化具有诸多优点［4－5］。

1）光伏建筑一体化的使用，造成建材成本的一部分变成光伏电池的组成部分，从而节省了光伏电池的生产成本。如传统玻璃幕墙作为光伏电池的构成部分，节省了购买光伏电池封装材料的成本。

2）由于每天都有大量的太阳光照到建筑物的外表面上，将建筑物的外表面做成可以用来发电的材料，既高效地利用了太阳辐射，也无需额外用地或加建其他设施，节省了土地资源。这对于人口密集、土地昂贵的城市建筑尤为重要。

3）光伏与建筑一体化发电首先让该建筑物使用，即可原地发电、原地使用，可节约电站送电网的投资和减少输电损耗。对于并网的BIPV，也可将多余的电力输送给公共电网，以缓解周边用电需求；若阴雨天发电不足时，可从公共电网取电，弥补用电需要。

4）在夏季用电高峰时，此时BIPV正好可利用夏季强烈的太阳辐射，并转换成制冷设备所需要的电能，从而缓解电力需求高峰时期的供需矛盾，具有极大的社会效益。

4 达坂城西部歌城光伏项目

4.1 项目概况

达坂城西部歌城小镇位于乌鲁木齐市达坂城区的北郊，地处达坂城盆地。项目占地总面积约为47 hm2（不含人工湖部分），总体布局主要划分为五个板块：酒店及特色民宿板块、文化艺术中心及艺术家会所板块、文化体验核心板块、生态宜居板块、城市公园板块。达坂城西部歌城小镇内建筑占地总面积约为98 900 m2，园区内建有生态停车场，其中机动车停车位3 660个，非机动车停车位2 500个。

4.1 资源分析

根据Meteonorm气象软件，项目所在地年均辐射值为5 187.6 MJ／m2，且多年来的平均辐射值相差不大，太阳能资源稳定。

项目所在地1年12个月平均总辐射量如表1所示。

表1 达坂城地区各月平均总辐射量 MJ／m－2

4.2 方案介绍

按照建筑屋顶面积的80%可以被利用计算，园区的可利用屋顶面积约为8万m2。如果按照1万m2屋顶面积安装1 MW光伏组件来计算，园区的光伏发电安装容量约为8 MW，其中酒店及特色民宿板块具备先期开展光伏发电规划的基础条件。达坂城西部歌城光伏幕墙和屋顶光伏组件安装示意图如图3和图4所示。

图3 达坂城西部歌城光伏幕墙示意图

图4 达坂城西部歌城屋顶光伏组件安装示意图

4.3 经济效益分析

目前屋顶光伏组件的投资约为8.5元／W，8 MW总投资约6 800万元，年平均利用小时数为1 150 h。该新能源规划项目建成后，每年将为当地提供绿色电力9.2 GWh，相当于年节约用煤3 000 t，每年减少CO2排放量约8 222 t。该项目的建成，每年将给当地带来140万元的税收，可至少解决当地100人的就业问题。在项目建设过程中，还能带动当地原材料市场的繁荣，以及促成当地整个光伏产业的产业链的形成。

5 结语

随着世界能源短缺加剧、环境污染日益严重，世界各国都在寻求可持续发展的能源战略，光伏建筑一体化具有很大的发展空间。城乡建设领域是太阳能光电技术应用的主要领域，利用太阳能光电转换技术，解决建筑物的照明、采暖等用能需求，可以代替常规的煤、水等能源，对我国发展低碳经济具有重要的推动作用。我国光伏产业正以每年30%的速度增长，光伏建筑一体化即在建筑设计上增加了清洁、绿色的概念，又为城市的电力供应提供了选择和保障，具有很大的应用价值。

［1］ 郝国强，李红波，陈鸣波.光伏建筑一体化（BIPV）并网电站的应用与发展［J］.上海节能，2006（6）：66-70.

［2］ 梁祥莹.基于太阳能光伏技术的节能建筑系统的设计与研究［J］.应用能源技术..2009（2）：6-9.

［3］ 郝斌，李现辉.太阳能光伏建筑一体化探讨［J］.建设科技，2009，20（10）：32-34.

［4］ 施韬，沈佳燕，蒋金洋.光伏建筑一体化研究及应用现状［J］.新型建筑材料，2011，（11）：38-41.

［5］ 李芳，沈辉，许家瑞，等.光伏建筑一体化的现状与发展［J］.电源技术，2007，（8）：659-662.

［6］ 杨洪兴，韩俊，孙亮亮.香港太阳能光伏建筑一体化的研究与进步［J］.新材料产业，2008，（9）：25-31.