光伏建筑发电量提升的技术分析

赵德强

摘 要：太阳能光伏技术在国际范围内得到高度重视，光伏技术应用已经进入到国计民生的各个领域，其中光伏建筑是光伏技术应用的一个重要方面。光伏建筑一体化发电系统，投资小、建设快，随着技术不断进步以及设备原材料价格降低，光伏建筑将是未来并网发电的主流。光伏建筑一体化的建设实践证明，光伏不是建筑的饰物，而是通过与建筑的完美结合，新生出集安全性、功能性于一体的现代化可再生能源综合体，将建筑物从能源消耗者变成能源提供者。该文拟从实践和技术角度，谈一谈关于光伏建筑发电量提升的一些粗浅思考。

关键词：光伏建筑 发电量 提升

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0042-02

光伏建筑能否真正得到应用和推广，发电量既是核心指标，又是分水岭。一方面，准确预测光伏建筑的发电量，对于光伏建筑立项、规划和建设有着极为重要的指导意义；另一方面，持续稳定较高的发电量，对于项目持有人也是较好的经济回报。因此，怎样有效提升光伏建筑的发电量，是摆在所有技术人员面前的现实课题。换言之，不能有效解决发电量提升问题，光伏建筑就只能停留在科研及示范工程阶段。

1 问题的特殊性

建筑物是较好的光伏技术应用载体，简单说，在建筑物外体加装光伏组件就可以将建筑物从能源消耗者变成能源提供者，建成城市可再生能源站。但是，光伏建筑不同于地面电站，也不同于一般的工商业屋顶，其复杂性体现在：第一，光伏建筑的美学要求较高，如何处理建筑物审美的社会需求与光伏建筑发电量高低之间的关系；第二，光伏建筑发电量受建筑本体限制较大，如何解决在有限空间、确定朝向的条件下，发电量最大化的问题；第三，光伏建筑的装机规模一般较小，体量较小，供能不足，很大程度上严重制约了项目持有人对发电量提升的主观意愿。

2 光伏建筑发电量提升的技术切入點

随着太阳能光伏电站设备成本的降低与技术日趋成熟，光伏建筑发电效能的经济性已经基本可以满足自发自用的实际需求。在此基础上，进一步促进发电量提升，必将产生更有意义的现实价值。

2.1 采光与发电量

光伏建筑不同于地面电站，也不同于一般的工商业屋顶。常规地面电站有相对宽松的建站空间；工商业屋顶光伏电站的建设，常规是在已建成的建筑物屋顶。光伏建筑，是在建筑物建设规划期，就要考虑光伏发电系统与建筑物的融合问题。

基于这一特性，在建筑物外表面架设光伏组件，如光伏屋顶、光伏幕墙等，建筑物的采光性设计与光伏电站设计需同步进行，统筹考虑。光伏组件是一种新型高科技玻璃，外片玻璃多采用超白玻，它起到减少光污染，增加光吸收的作用。

建筑物采光是建筑师不可回避的重要问题。屋顶及外立面架设玻璃材质的光伏组件，集遮风挡雨、保暖发电等功能于一体。非晶硅薄膜电池本身是可以透光的，透光率为1%～30%，通过激光打点技术去掉一些P-N结，牺牲一定的发电性能来换取建筑屋顶的透光性。提高10%透光率，相应的电池效率降低约20%，这种比例呈线性相关。超过30%的透光率，则玻璃电池片的发电效果将趋于忽略值。

选取采光率与发电量的平衡值，是光伏建筑需要解决的首要问题。

2.2 方位与发电量

光伏建筑的光伏系统，在设计环节需充分考虑倾角、位置和间距问题。光伏组件支架有固定和追光两种方式。一般情况下，光伏建筑的光伏组件会采用固定安装方式。现阶段，较多光伏建筑舍弃追光系统，很大程度是经济成本的考虑，并非技术制约。

光伏系统与建筑物结合，在建筑结构外表面安装架设光伏组件提供电力。光伏组件的方位划分为屋顶、遮阳系统、幕墙三类，设计者可以正六面体建模估算。参数一般取值：顶部取0.9～1，正南取0.7，东西侧取0.5。

光伏建筑所在区域的气象资料，如太阳能总辐射量、年均气温、年度连续阴雨天数、雾霾程度，特殊天气如风暴、雷电、降雪量等。

2.3 审美与发电量

光伏建筑的审美需求是不可回避的社会人文因素。这一因素，很大程度会影响技术人员的价值判断。现阶段，暂无法有效调和传统审美与发电量之间的关系，背光面、遮挡区客观上不具备较好的发电条件。背光及遮挡区域，在分布式系统设计中，技术人员会首先考虑并回避，但在光伏建筑方面，建筑物朝向很难完美切合对称性要求，很大程度要牺牲发电量，这是目前不得不面对的事实。

局部遮挡，不仅影响光伏组件的输出，也会影响光伏组串的输出。局部遮挡对电压电流均有影响。长期多次出现反冲，电池也会受到损坏，影响使用寿命，直接影响预期发电量。所以，光伏建筑项目也需要进行遮挡分析，长期处于遮挡状态下的建筑，目前还不适合设计光伏系统。

2.4 设备选型与发电量

参照并网光伏发电系统效率计算公式，系统总效率=光伏阵列效率+逆变器转换效率+交流并网效率。这一公式在光伏建筑设备选型中也有现实指导意义。

常规光伏建筑装机容量一般小于1MWp。光伏建筑由建筑本体和光伏系统构成，光伏系统包括光伏组件、汇流箱、逆变器（微型）、变压器等。在影响光伏系统发电效率的因素中，太阳辐射、温度、组件、线缆、逆变器等因素，均会一定程度影响输出。所以光伏系统的PR值会在不同的时间段内出现差异。要提升发电量，设备性能一定要可靠，尽可能使用同一批次组件，具体设计时，还需要考虑不同气候条件下设备性能最大化的问题。理论研究与现场数据也证明，不能仅仅抓住电站PR值一个指标，既要综合考虑其他参数，又要在技术上分析PR值的参数取值范围。

光伏建筑的组件选型可以充分利用柔性组件、双玻组件，以此应对建筑屋面结构多样性带来的挑战。建筑物外表面的多样性的基本事实一定程度上限制传统标准规格尺寸及平板光伏组件的应用，但柔性技术、半片技术、膜技术以及双玻技术等组件技术的发展与应用，极大地提高了组件的空间结构适应性。与此同时，新的应用场景也得以开发，如光伏百叶窗、光伏阳台护栏等，新材料新技术与新应用场景的开发，是提高光伏建筑发电量的另一途径。

2.5 运维与发电量

定期清洗、定期检修，做年度检查。光伏建筑不同于大型地面电站，定期清洗，既是建筑物审美的需求，也是提升发电量简单直观的方法。在玻璃幕墙、遮阳棚、光伏屋顶配套加装自扬水清洁系统，或者配套清洁机器人，也将成为光伏建筑的发电量提升的配套设施。

太阳能资源总体并不均匀，这既体现在全年并不平均，也体现在一天之内并非均匀值。挖掘现有光伏建筑的发电潜力、改善运行状况、提升发电量，引入储能设施是较好的思路之一，既要关注发了多少电，也要关注用了多少清洁能源。

3 结语

有资料表明，我国建筑能耗占总能耗约30%，利用太阳能发电技术，推广光伏建筑是节能建筑发展的必然趋势。伴随光伏建筑应用技术的日趋成熟，提高能源利用效率，有效开发清洁能源，已经成为社会的广泛共识。围绕光伏建筑特性，立足光伏发电技术，一方面，从设计端入手，探讨发电量提升的方法；另一方面，从应用端入手，探讨发电量提升的方法。着力解决影响发电量提升的技术瓶颈问题，使得光伏建筑得到更加广阔的应用。

参考文献

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