绿色建筑中光伏建筑一体化系统的设计及应用探讨

2023-02-14谭骏跃

智能建筑与智慧城市 2023年12期

谭骏跃

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）

1 引言

建筑行业的发展需要对大量的资源与能源利用，研究发现我国建筑行业使用的能源在社会终端能耗占比达到46.7%，所以我国积极探索低能耗建筑，政府也在发展绿色建筑过程中制定了战略目标，完善了法律规范。关于绿色建筑设计当前主要是采取太阳能光伏发电实现，光伏建筑一体化系统的研究也在增多，旨在满足光伏发电需求与建筑的基本功能，以下展开相关分析。

2 设计一般规定和具体要求

2.1 一般规定

光电屋顶、光电采光顶、光电遮阳板、光电幕墙都是光伏建筑一体化系统的主要组成部分，并且每个单独的系统都可以与建筑集成。光伏建筑一体化系统设计要分析结构特点，明确这一系统在建筑中的安装位置，进而保证光伏组件满足建筑的使用需要，还可以达到节能要求，并且保证使用的安全性，避免出现电力系统导致的运行安全问题。除此之外，结合我国相关规范要求，在开展光伏建筑一体化设计过程中，应综合考虑太阳能、周边电网设施等因素，并有效开展设计评估，要点如下：①系统的安装不得低于建筑物自身或者周边建筑日照标准；②避免周边景观与植被对光伏组件的采光遮挡；③避免对建筑与周边建筑造成辐射污染[1]。

2.2 建筑专业设计要求

光伏组件的安装一般要求建筑物冬季时全天的日照至少3小时，并且在安装时采取安全防护措施，也需要考虑建筑的防水与排水需要。此外，在方案的设计中需要兼顾美观性。一方面是建筑物产生的光影效果。当在设计中采用普通光伏组件时，通常选用布纹钢化玻璃，虽然其具有良好的使用性能，但会出现阻挡视线等问题。同时，光伏建筑屋顶对于光伏组件的安装，也具有相对较高的要求，例如在电池板背面位置，应当采用光面超白钢化玻璃，目的是在保障光伏系统以及建筑功能正常使用的基础上，实现成本节约[2]。

2.3 结构专业设计要求

在专业结构设计中明确光伏建筑一体化系统类型，其根据光伏建筑一体化系统分为并网光伏系统和独立光伏系统，在设计工作中，应当充分考虑是否带有储能装置的情况，或者可按照系统装机容量的大小进行选择，如可选小型、中型、大型等系统，不同类型的系统对光伏组件有不同的要求，影响主体结构和构件设计的选择性。在实际设计时，应满足《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2010）。

3 设计方案与原则

3.1 设计方案

在具体光伏建筑一体化系统设计方案中，相关人员为保障系统与建筑相适应，且与外部环境相适应，则需在设计初期，通过收集当地气候参数等数据，再对建筑的使用功能、系统运行需求、电网条件等进行综合分析，以此实现设计方案比选。与此同时，在设计建筑物时同步分析光伏组件的使用数量、安装位置和倾角。采用一体化系统设计方案对建筑物有很大影响，所以设计人员要协调有关要素，要点如下：①深入分析当地太阳辐射值与月平均温度，根据收集的相关参数得到光伏板表面吸收的辐射量；②相关设计人员需要对建筑结构以及电力负荷等进行全面考察，准确计算光伏组件安装数量，合理确定光伏系统的型号、参数等，然后结合实际制定相应的安装方案，保障光伏系统最大安装容量符合建筑功能需求；③针对光伏系统的直流汇线箱、逆变器等数据采集系统进行优化设计[3]。

3.2 设计原则

在光伏系统中电气设计是建筑重要环节，需要结合建筑系统设计技术规定以及建筑电气规范，深入分析建筑物功能结构、电网条件、负载特点，设计原则如下。①结合建筑实际特点，对光伏组件的选用进行科学分析，如按照建筑内电气系统的分布，合理优化光伏组件的方向、布局、组合形式等，确保光伏发电效率得到进一步提高。②准确计算建筑内的用电负荷情况，合理明确光伏系统的装机容量，以符合建筑用电要求。③分析交流配电柜、光伏汇流箱、直流配电柜以及光伏系统防雷接地保护，也可以起到优化设计供配电系统的效果。为了让光伏建筑一体化系统安全、稳定地运行，设计人员也要遵循有关原则，实现建筑结构和电气设备结合[4]。

4 光伏建筑一体化设计

1）光伏屋顶

光伏组件与屋面结合主要是将光伏组件设置在屋面和光电屋面，这种设计方案可以用于不同种类的屋面，比如为了固定光伏支架与光伏组件可以在斜屋顶上方安装导流板，之后采用外挂瓦片屋顶的方法。光伏组件被直接用于光伏屋面，在设计建筑时要保证设置的倾角合理，以此减少光伏组件表面的积雪和积水，并且提升设计效果的美观性[5]。

2）光伏组件结合建筑立面

这一结合形式与光伏组件和建筑立面充分结合，让建筑外立面更加节约电能，具体包括以下类型。①垂直光伏幕墙。将垂直光伏幕墙独立设置在承重结构，并且垂直光伏幕墙承担全部荷载，将其设置在建筑表皮可以设计成不同造型，当前在展馆、写字楼等建筑立面中较多的使用。垂直光伏幕墙应用质量与气候环境设计有关，可以保证高温时段发挥烟囱效应，减少室内的太阳辐射，而低温时段，产生的温室效应可提高围护结构的保温能力，实现节能降耗。②结构式光伏幕墙。这是建筑立面的主要部分，其组成部分包括光伏组件、玻璃。结构式光伏幕墙和建筑立面分离，可以选择不同类型并且透光效果好的光伏组件，进而满足发电需求，呈现较好的视线。③倾斜式光伏幕墙。建筑受周围环境影响较大，为了让光伏幕墙吸收更多的太阳辐射，可以将建筑立面设计为锯齿状，并且在锯齿立面视线以上部分设置光伏组件，避免遮挡视线[6]。

5 光伏建筑一体化系统实际应用

广东省某市的住宅小区为绿色建筑项目，根据自然环境、技术实力、合同规定应用光伏建筑一体化系统。建筑电气设计中明确整体思路、系统原理，实施中严格遵守技术要求，并且确定了主要设备和安装位置。该项目配套了会所设施，其中会所建筑面积5450㎡，建筑高度15.7m，包括地上3 层、地下室2层。建筑包括办公区、模型展示区、娱乐室和游泳池。该会所设计达到了国家绿色建筑的技术规定，并且会所配备了一台500kVA 的变压器。基于绿色建筑节能环保要求，本项目光伏发电量达到了建筑用电量的2%，同时结合成本控制要求，进而设定太阳能光伏发电量为5kW。

5.1 光伏建筑一体化系统

本项目所在地年均温度为24.3℃，年均太阳辐射量为1437kW·h/a 时。设计人员在方案设计过程中选用单晶硅光伏太阳能电池组件，长1680mm、宽1150mm、高60mm，每块单晶硅组件功率236W，太阳能电池峰值功率达到5640W，组件使用寿命为25a左右，采用高防护等级组件。结合本次案例实际，对单晶硅光伏组件共计安装24块，电池板安装布置总面积为48㎡，系统光伏组件选择可透光型光伏建筑一体化双玻组件。在设计朝向时分析了当地气象资料，确定倾角朝向为南偏东30°，本系统设置于建筑屋顶，位于室外泳池以及休闲凉亭附近，为设计出美观的建筑，采用平铺安装方式，有助于提升凉亭建筑的采光效果。同时对该系统的构成，则分为多个部分，如光伏组件、交流配电箱、监控系统、直流汇线箱等，主要安装目的是满足值班室的照明需求[7]。

5.2 并网逆变器的技术要点

在光伏建筑一体化系统运行中离不开并网逆变器，本项目光伏系统采用低压并网技术，光伏阵列产生的直流电经并网逆变器，进而得到交流电。之后交流电传输到值班室内的公共照明配电箱。技术要点如下：首先，由于同期控逆变器内置了电网保护装置，并且通过实时采集相位信号和外部电网电压，在闭环控制条件下系统开始输出电压，让相位同步外部电网；其次，随着外部电网停止输电供电也停止，恢复电网供电时，持续检测电网信号，再运行逆变器，一般2s～90s 即可重新运行；其三，为保证转换效率，选择最大功率跟踪技术，当日照强度和环境温度波动，光伏电池输出电流和电压出现非线性关系变化，导致输出功率随之改变，这一阶段逆变器开始调节光伏组件的发电电流与电压，在最大功率输出工况下支持整个光伏系统[8]。

5.3 防雷设计要点

防雷设计中主要选择防直击雷和防感应雷，光伏组件的金属支架与避雷带连接，防雷引下线与其他金属构件连接。此外，防感应雷设计中，直流汇线箱和交流配电柜部位设置防雷保护装置。

5.4 监测系统设计

逆变器在光伏建筑一体化系统运行中具有不可替代的作用，监测系统可以自动采集日照、温度等参数，还能对控制器和风力传感器中的数据加以采集，之后根据采集的数据评估系统运行情况。如果自动检测系统运行效率不高或者出现故障，维护人员得到信号提示，集中管理每个逆变器，高质量开展系统维护工作。本项目将大屏幕显示器安装在会所大门入口，传输光伏建筑一体化系统发电信息，包括直流电和交流的电压、直流电和交流的电流、实时发电量、历史发电量，最后根据发电量评估节能效果，业主方分析光伏建筑一体化系统运行效果和经济效益[9]。