光伏建筑一体化技术应用与展望

2015-01-01珠海兴业绿色建筑科技有限公司余国保罗多王晓丹陈征邬超姚莉

太阳能 2015年3期

珠海兴业绿色建筑科技有限公司 ■ 余国保罗多王晓丹陈征邬超姚莉

0 引言

1991年光伏建筑一体化(BIPV)的概念被正式提出，简单地讲，就是将光伏组件或材料作为建筑物的一部分，同时发挥其发电功能[1]。BIPV可广泛适用于住宅、商业大楼、学校、医院、机场、铁路站台顶棚、公交车站的顶棚，以及工厂车间的屋顶，同时作为建筑结构的功能部分，取代部分传统建筑构件如屋顶板、瓦、窗户、建筑立面、遮雨棚等[2]，也可制作成更多功能的光伏建筑组件，如与光热系统结合给其控制部分供电等。BIPV的出现，实现了光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡，由集中电站向分布式供电模式过渡，该技术可进一步结合发电侧运行优化和用户侧需求预测管理技术，必将成为最具前景的建筑节能技术之一。国外对光伏建筑一体化的研究已有较长时间，特别是德国、美国、日本及欧洲等一些发达国家，已开始对BIPV实行政策引导和财政补贴制度[3]。

表1 部分国家BIPV发展计划和政府资助情况[3]

我国在2006年6月实施的GB/T 50378-2006《绿色建筑评价标准》中也明确提出：将可再生能源发电作为绿色建筑评价的最优选项；2009年7月21日，三部委联合发布了《关于实施金太阳示范工程的通知》，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动等方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展；2014年《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》发布后，各地区积极制定配套政策和实施方案，有力推动了分布式光伏发电的多种方式利用，截至2013年底，我国分布式光伏发电累计装机容量突破300万kW[4]，目前世界上最大屋顶电站项目为位于湖南湘潭九华工业园的兴业太阳能电站项目，装机容量突破50 MW[5]。

BIPV的优点相当明显：1)使用清洁能源，减少燃煤发电的使用量，减轻了环境污染；2)发电就地使用，减少发输配电过程的损耗；3)具有保温隔热及采光通风功能，可降低空调和采暖负荷；4)充当建筑物的外围护结构，节约了外装材料，也节省了宝贵的城市用地资源[6,7]。

1 应用形式

各种不同光伏系统对应不同的应用场所和用户需求，例如，离主电网较远的偏远山区一般优先使用离网的独立系统，而在离主电网较近的城市或郊区则一般选用并网系统(见图1、2)，因此国内外BIPV多为并网型。此外，随着技术水平的不断提高，近年来出现了有别于前两种情况的建筑智能微电网，适用于对电网稳定性有特殊要求的场合[1]。对于建筑光伏系统的设计而言，并非是各自孤立解决建筑设计和光伏电气的技术问题即可，主要还包括结构、电气安全性和散热性等技术方面，以及多项学科耦合的技术问题解决，比如散热和电气性能问题等。

图1 带储蓄电的BIPV系统原理图

图2 并网发电的BIPV系统原理图

国内外建筑光伏工程与它初诞生时相比，技术应用的广度和深度都有了较大发展，不仅体现在建造数量的增加，也表现在建造水平的不断提高，主要应用形式越来越丰富(见表2)[8]。图3～10展示了兴业太阳能近年来开发的各类BIPV工程。

2 BIPV的技术要点及现状

BIPV的核心技术内容包括：1)光伏阵列的安装结构和工艺设计，包括各类预埋件、压码等的开发和防水、防潮、防雷、电气安全及散热通风等方面的施工工艺研究；2)建筑一体化的光伏构件设计与开发，包括FRP、中空、真空及PVT等新型光伏构件的开发；3)结合建筑发、用电预测和储能系统的BIPV建筑微电网系统开发，以及硬件开发，如某些特殊的并网逆变器的开发[2]。

表2 光伏建筑一体化的表现形式及建筑要求[8]

图3 青海科技馆光伏百叶工

图4 兴业园区光伏瓦屋面、光伏长廊及光伏雨棚

图5 兴业园区光伏栏杆

图6 威海市民文化中心光伏采光顶

图7 西安凤城光伏廊桥工程

图8 湘潭经济技术开发区的50.8 MW屋顶电站工程

图9 兴业太阳能湖南产业园的光伏幕墙发电工程

图10 兴业太阳能珠海产业园的光伏幕墙发电工程

太阳能光伏建筑一体化不是光伏和建筑的简单“相加”，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计、同步施工、同步验收，与建设工程同时投入使用，同步后期管理。

BIPV的设计分为3个层次，其原则是：首先，应考虑光电建筑的结构和电气上的安全性、光伏构件的重要物理性能指标等，包括电池及玻璃材料的选择，荷载的计算，绝缘性能、温度系数、热斑耐久性、耐候性及湿热交变下的性能研究；其次，考虑建筑材料的替代和建筑功能的实现，比如透光、通风、防水防潮、抗渗透、抗风压、隔热、防雷及降噪等功能的实现；最后，考虑建筑一体化结合的美观[9]。

BIPV设计之前必须综合考虑的因素包括：1)光伏阵列的布置与建筑物外观的协调一致；2)建筑物纬度、方位及环境干扰，包括日照分析；3)预埋及其他光伏建筑一体化的措施，通风散热措施；4)电气设计(防雷、走线及逆变器选型)、电气计量、配电系统设计及电气安全；5)BIPV的使用降低了建筑总负荷和辐射热比例，但可能增加了对流换热，全年通风策略需更加科学合理，中央空调总冷负荷的计算及机组选型需基于BIPV工程；6)维修通道的设置[2]。

光伏建筑一体化工程的设计施工需遵从相近的标准和规范，但具体到BIPV的应用，现有的参照标准或规范中，某些条文已不足以充分指导BIPV的开发和应用：

1) BIPV 光电屋顶的屋面平行于地面或坡度较小时，风荷载往往不是主要考虑的，需主要考虑承重荷载，而建筑玻璃幕墙的风荷载是主要虑的。GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》对于光伏屋顶风揭系数的选取没有明确的规定，因此亟需针对性地进行风洞试验，归纳结果并指导形成新的条文[1,10]。

2)热应力的存在导致BIPV对玻璃的要求提高，目前还没有关于用于建筑物的双面太阳电池玻璃要求的国家标准。参考夹胶玻璃的相关技术规范及太阳电池组件国家规范，提出对光电玻璃的性能要求，桡度要求应当更高，具体取值目前还没有数据支撑，因此亟需试验证明[11,12]；同时也要确保组件在挠度变形值范围内，其物理性能及发电性能不会受到影响。

3)幕墙光伏玻璃组件的结构性能和防火必须满足JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》的要求；使用的建筑玻璃BIPV 组件必须符合JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》对挠度变形值的要求[12,13]。

4) BIPV光伏玻璃组件耐撞击性应符合GB/T 21086-2007《建筑幕墙》耐撞击性能分级标准(需注意PVB和EVA封装组件的实验结果不同)。

5)由于BIPV组件不但需满足建筑组件的相关标准，还需满足其作为光伏组件的标准，国际上目前还没有专门针对BIPV 组件的统一标准，在其应用过程中基本采用地面用光伏组件的国际标准。在北美，BIPV组件除进行常规光伏组件的测试外，还需进行防火耐燃、耐冲击及抗风压测试。双玻璃光伏组件通过IEC 61215及IEC 61730等规范，经过湿热、湿冷、热循环、户外暴晒等测试，产品须保持正常稳定的发电性能。IEC光伏组件的测试标准局限性是其仅考虑到光伏组件的可靠性，却未全面地考察光伏组件在长期使用过程中的安全性，且对于现在新型的BIPV 组件，IEC 缺乏相关测试标准。虽然全球著名研究机构已开展 BIPV 的户外测试试验与安全可靠性相关研究，但是诸如组件安全可靠性、组件用高分子材料等保证产品长期耐久性的技术标准依旧处于空白[14,15]。

6) BIPV建筑的设计须满足GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》对于遮阳、节能和传热系数的规定[16]，仍需满足GB/T 50033-2013《建筑物采光设计标准》对于采光的规定。

7)光伏组件的防雷接地要求应满足GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》相关要求。应尽量避免将光伏电站建在易遭雷击部位，避免避雷针的投影落于光伏组件上。太阳能的接地与建筑共用接地体，接地电阻值应满足其中最小值要求[17]。

8)光伏组件需通过GB 15763.3-2009《建筑安全玻璃第三部分：夹层玻璃》的霰弹袋冲击测试，也是BIPV组件需达到的等级。要将光伏组件大规模应用在建筑外围、门窗等部位，还需进一步提高光伏建筑一体化应用技术，完善维护的及时性，完善应急处理、表面破裂、漏电保护等不确定因素的解决方法，目前尚无相关技术标准规范[18]。

BIPV工程质量首先依赖于产品质量，以及与建筑同步设计、同步施工、同步验收、后期运行维护。BIPV工程涉及面广、实践性强、专业分工多及系统形式多样化，部分光伏制造厂缺乏BIPV设计和施工技术，对幕墙和屋顶等建筑知识更是知之甚少，工程仓促上马后经过短期使用很快出现故障，不但造成国家资金的大量浪费，也打击了投资方对BIPV 的信心，影响整个行业的健康发展。比如，国内某火车站主站房光电屋顶采光带采用了铜铟镓硒太阳能中空玻璃光伏组件，竣工后不久，产生了钢化玻璃自爆，光电板发花、脱落等问题(见图11)，暴露出光伏构件产品设计不成熟、工程施工经验不足等现状，因此亟待加强这些方面的科研[19]。此前，国家发改委发布《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，对于分布式发电采取0.42元/kWh的补贴，因此为确保发电收益和后期的良好运行，BIPV的合理设计、施工质量变得更加重要。由珠海兴业承担的863子课题“建材型光伏构件制造与测试关键技术及装备”，正是为克服建材型光伏构件设计和施工知识的不足，研发高性能的真空玻璃和FRP板的光伏构件，建设相应的屋顶示范电站，并在此基础上着手制订构件开发和生产相关规范和标准，以期为BIPV工程探索出一条从产品设计、生产、性能检测到施工的可靠技术路线，该项目目前正在有条不紊地进行。