分布式光伏系统在绿色建筑中的应用

2021-04-12陈浩龙

智能城市 2021年18期

陈浩龙

（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水 741025）

绿色建筑是近年来兴起的一种建筑类型，相较于传统建筑，绿色建筑加强了绿色节能材料的选用和智能化设计。节能环保是衡量绿色建筑的重要指标之一，建筑企业应高度重视绿色建筑的能耗比，创造生态宜居的人居环境。分布式光伏发电系统是太阳能发电技术的新发展，光伏发电作为一种以一次能源为光辐射能的新型发电形式，自绿色建筑兴起以来，在绿色建筑中得到广泛应用。随着分布式光伏系统技术的进一步发展，分布式光伏系统在绿色建筑中应用空间越来越广阔，推动了绿色建筑在节能环保方面的进一步发展。

1 分布式光伏发电系统的优势分析

分布式光伏发电系统是太阳能发电技术的一种，利用各种光伏组件进行光电转换，通过各种电力电子装置进行电能的变换，将其与公共电网连接，实现分散式发电与公共电网的并网连接。分布式光伏发电系统多使用小型太阳能发电设备，广泛分布在各类建筑物中。

1.1 建设成本低，经济效益好

分布式光伏发电系统分布在各个建筑物中，可根据建筑物附着面设计光伏系统的装机容量。将绿色建筑与分布式光伏系统一体化建设，光伏组件可安装在绿色建筑的屋顶、窗台等位置，其他配电柜、逆变器等设备体积较小，可装设在建筑物侧面墙壁或其他位置。目前，我国相关部门对于光伏发电系统的经济补贴政策，遵循“自发自用，余量上网”的原则，在满足绿色建筑用电需求的基础上，多余的电力可在并入公共电网后转化为经济效益。光伏发电系统具有建设成本低、经济效益好的优势，适用于绿色建筑。

1.2 配套公共电网，实现电网“削峰填谷”

分布式光伏发电系统产生的电力，能够在满足绿色建筑电能需求的前提下并入公共电网，供公共电网进行调配。在分布式光伏发电系统的支持下，绿色建筑日常需要的电力将得到自身补给，缓解公共电网在用电高峰期间的调峰压力。我国绝大多数地区都属于光照资源一、二类地区，在用电负荷较高的时期，分布式光伏发电系统产生的电力能够在这个阶段提供电力支持。

1.3 节能环保，对环境污染小

分布式光伏发电系统是利用半导体器件内“光生伏打”的物理现象，将太阳光辐射能直接转换为电能，没有机械损耗，是一种可持续利用的清洁能源。分布式光伏发电系统应用到绿色建筑中后，能够起到节能环保的效果，在发电过程中无须煤炭、石油的消耗，对环境的污染程度较小，且分布式光伏发电系统在运行期间噪声较小，不会影响绿色建筑物周围的居民。

1.4 后期维护简单，可靠性高

一般情况下，分布式光伏发电系统装机容量都较小，安装需要的空间要求也不高，在运行过程中，用户可自行控制分布式光伏发电系统，实现分布式光伏发电系统的自我调节，以免发生大规模的“孤岛效应”，安全性较高。

投入使用后，分布式光伏发电系统运行较为稳定，且产生的故障较少，绝大多数故障为简单型故障，用户可自行排除，对专业光伏运维技术人员的依赖度较低，能够保障光伏发电系统的可持续运行。分布式光伏发电系统投入使用后，具有可靠性高、维护简单、运行稳定的优势，能够满足绿色建筑对光伏发电系统的实际需要。

2 分布式光伏发电系统在绿色建筑中的应用

2.1 绿色建筑中分布式光伏发电系统的组成

应用在绿色建筑的分布式光伏发电系统是一套完整的系统，由若干部件组成。分布式光伏发电系统包含的设备为光伏电池组件、支架、直流或交流配电柜、并网逆变器等。在绿色建筑中架设分布式光伏发电系统时，装设的系统容量应结合绿色建筑的实际可利用的建筑物屋顶或墙面确定。

（1）光伏电池组件。

分布式光伏系统中最为主要的是光伏电池组件，是分布式光伏系统光电能量转化的枢纽。常见的光伏电池组件有单晶硅、多晶硅、非晶硅三种。其中晶体硅电池组件的转换效率较高，理论极限效率可达29.43%，被广泛地应用于大型地面电站和BAPV中。非晶硅电池组件的转换效率较低，但非晶硅电池组件具有柔性化、色彩化等特点，也应用于一些BIPV中。晶硅电池因制造工艺不同又分为单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，单晶硅电池组件光电转换效率略高于多晶硅电池组件，但单晶硅的造价较高。为考虑建设成本和建筑美观协调，当前绿色建筑分布式光伏系统建设中，BAPV项目多使用多晶硅电池组件，BIPV项目也采用非晶硅电池组件。

（2）汇流系统。

分布式光伏系统的汇流系统一般为直流汇流模块。汇流系统的作用在于可将光伏电池组件中较小电流的电能汇聚后调整为与逆变器匹配数量的电流等级，与并网逆变器连接，较大容量的分布式光伏系统一般还会装设汇流箱，汇流系统中一般均会装设防逆流二极管，避免夜间光伏系统不发电时电能倒流。

（3）并网逆变器。

分布式光伏系统中光伏电池组件是将光辐射能直接转换为直流电能，目前国家电网对于电能并网的最低要求为交流220 V/50 Hz，需要在分布式光伏系统中装设逆变系统。逆变系统主要的装置是并网逆变器，逆变器设备的作用为完成汇流系统中输入的直流电能和并网要求的交流电的转换。

（4）其他设备。

分布式光伏系统中还应装设的配电系统、防雷与接地系统、保护系统等。其中配电系统与公共电网相连接，将绿色建筑分布式光伏系统产生的多余电力通过双向电表输送到公共电网中，经过公共电网的配送，实现电力的合理调配。防雷与接地系统的装设保证了绿色建筑中分布式光伏系统不会因雷击或漏电产生各类安全隐患。保护系统保证了分布式光伏系统各类过电流、短路等电路故障造成的系统停止运行。

2.2 分布式光伏系统的安装方式

绿色建筑中应用的分布式光伏系统，在安装方面应结合绿色建筑的建筑结构进行。常见的在绿色建筑中应用较为广泛的分布式光伏系统安装形式包括BIPV和BAPV两种。

（1）BIPV系统。

BIPV是新兴的一种建筑方式，将分布式光伏系统代替原有的建筑材料融入绿色建筑，使绿色建筑具备分布式光伏系统的发电优势，并兼具了建筑材料的建筑功能。

BIPV一般表现形式为光伏幕墙、光伏采光顶、光伏屋顶等。光伏幕墙一般利用铜铟镓硒薄膜电池组件（CIGS）代替传统玻璃分布于绿色建筑中，由于CIGS薄膜太阳能电池的弱光效应，非常适合在绿色建筑中应用。在实际应用中，可以根据需要制作成不同的透光率的电池组件，可以部分代替玻璃幕墙，将CIGS薄膜太阳能电池应用于绿色建筑外立面和屋顶，避免了现有玻璃幕墙的光污染问题，能够替代建材，同时节能省电，已成为未来智慧城市利用光伏发电的主要方向。

CIGS也可应用于绿色建筑的采光顶中，晶硅电池组件也可应用于绿色建筑的采光顶中，主要将晶体硅电池组件中电池片单片之间的间隔定制化制作，将晶体硅电池组件中TPT背板采用钢化玻璃代替，晶体硅电池组件也兼具了发电与采光两种功能。光伏采光顶在绿色建筑中应用案例较多，如大连国际会议中心、桂林海洋农业公园等。光伏采光顶的造型独特，有吊顶式、叶片式、百叶窗式，赋予绿色建筑以美观性和艺术性。

（2）BAPV系统。

BAPV为安装型太阳能光伏建筑，方式较为简单，在绿色建筑的楼面屋面上加装支架，在支架上安装光伏组件，在室内装设各类光伏系统设备，便可以完成分布式光伏系统的安装。BAPV的安装形式具有安装简单、使用稳定维护方便的优势，是目前较为热门的一种安装形式。应用BAPV安装形式时，应注意结合绿色建筑的特点进行，降低BAPV对绿色建筑的不利影响。

①混凝土层面的安装。

现代的绿色建筑多为混凝土层面，在混凝土层面安装时应注意安装的光伏组件应不超过混凝土层面的承载力，防止光伏组件对混凝土层面造成破坏。安装光伏组件时，应在下面垫射软脚垫木板等，并做好相应的加固措施，减少因大风、雨雪天气光伏组件对混凝土层面造成冲击和破坏。

②斜度较大的屋面。

绿色建筑中为了美观，会在楼顶建设斜度较大的屋面，斜度较大为分布式光伏设备的安装制造了一些困难。施工人员安装前应对斜度较大的屋面进行角度测量，确定倾斜角度，再结合当地的气象参数计算光伏组件的安装倾斜角后安装。安装时应当特别注意使用安装支架将光伏设备固定在斜度较大的屋面上，防止风力、雷电造成的伤害。

③彩钢瓦屋面。

彩钢瓦是近年来兴起的一种建筑材料，相较于混凝土建造的屋面，彩钢瓦屋面具有安装简单、造价低的优势在一些对屋面强度要求较低的建筑中得到了广泛应用。钢瓦屋面的承载力较低，安装光伏设备时应进行平铺安装，尽量不加设支架，安装密度也不宜过大，防止超过彩钢瓦屋面承载力。

BIPV和BAPV在绿色建筑内的应用，推动了分布式光伏系统在绿色建筑内的广泛应用，发挥出分布式光伏系统的发电优势，降低绿色建筑的能耗，使绿色建筑具备更强大的节能、环保等功能。