太阳能光伏建筑一体化系统设计分析
2023-10-12屈志浩曾文明赵嘉睿刘佳伟
张 扬 屈志浩 曾文明 赵嘉睿 刘佳伟
建筑是人类生活与工作的主要场所，每天需要消耗大量的能源。同时，建筑还会排放出大量的二氧化碳气体，据调查统计，在社会能源消耗当中，建筑能耗的占比最高，在40%以上，而在二氧化碳排放量方面，建筑排放量更是超过50%，不利于社会可持续发展。在此背景下，现代建筑领域逐渐开始对太阳能、风能等可再生资源进行了应用，其中，太阳能是最常见且分布较广泛的能源，已应用到屋顶、墙体等结构中，有效降低了建筑对传统能源的消耗量。
1 光伏发电的原理
半导体是现代电子领域比较常见的材料，具有良好的光电特性，即被阳光照射后，材料内部会生成相应的电荷载流子。结构内部较为纯净的半导体通常称之为本征半导体，当其温度处于0 K，且外部没有任何激发的情况下，共价键可约束所有电子。而处于室温环境，或是受到外部激励后，共价键的约束会明显降低，部分电子挣脱约束，变成可以随意移动的自由电子，这些电子移动后，所产生的空位叫做空穴，相邻原子的价电子会填补这些空穴，进而产生新空穴。空穴与自由电子不断生成的过程中，原有空穴与自由电子会不断复合，以使材料内部重新处于平衡状态。若电子数量超过空穴数量，则称为N 型半导体材料，反之则称为P 型半导体，两种材料独立应用时，均呈电中性。而两种材料联合使用时，N 型的电子会逐渐向P 型移动，从而出现P-N 结界面。在P-N 界的周边，N 型侧的电子数量越来越少，而P 型侧的电子数量则越来越多，并对空穴进行填补，因而P-N结界面的N 型侧呈正电荷，而P 型侧则呈负电荷，两者共同构成了内建电场。太阳光照射到P-N 结界面时，由于两侧电子或空穴数量的提升，所产生的内建电场强度也会越强，加快了电子与空穴的移动速度。随着P-N 结界面的两侧电荷不断积累，材料内会出现较大的电势差，从而产生电流[1]。材料获取的光照越多，结界面的面积越大，因而会产生更多的电流。
2 太阳能光伏建筑一体化系统的设计
2.1 设计条件
2.1.1 气候条件
太阳能光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）系统运行时，光电转换效率与很多因素有关，如光照时间、辐射量、气候条件等。其中，光照时间与辐射量是最基础的因素，只有保证充足的光照时间与较高的辐射量，才能使BIPV 系统正常发电。而温度、降雨等气候因素是主要的影响因素，温度过高会影响光伏阵列的运行效率，从而降低发电量，因而通常情况下，环境最佳温度应控制在25 ℃以下。而降雨会影响光线的传输，降低半导体材料接收太阳光的数量。
针对气候条件对光伏发电的影响，美国国家航空航天局设计了一种水平面太阳辐射量的计算公式，具体公式为：
式中：Ht为总辐射量；Hb为直接辐射量；Hd为散射辐射量[2]。
2.1.2 建筑条件
不同的建筑条件，将会使BIPV系统具有不同的运行效率，因而设计BIPV 系统时，应以建筑条件为核心，注重系统整体的设计，合理对装置进行布设，选择最佳的连接方式。其中，针对建筑的结构形态，不仅可以确定BIPV 系统的具体形式，还可以明确最佳的光伏板集成方式，从而为BIPV系统的设计与开发提供支持。
现代城市中，建筑数量越来越多，两座建筑间的距离越来越近，使得两座建筑间必然不会出现一定的遮挡，若选择硅光伏系统，受到阴影遮挡，将会导致被遮挡处无法发电，并影响与其他区域光伏板的连接，进而严重干扰整个系统的发电水平。
所以，设计BIPV 系统时，应针对建筑的遮挡情况，选择最佳的光伏阵列，以保证整个系统的发电效率。此外，还应针对建筑能耗水平，选择最佳的BIPV 系统规模，并判断系统是否需要并网，将多余的电能传输给市政电网，或者从市政电网中获取适量电能。
2.1.3 电网条件
光伏发电根据运行模式可以划分成3 种类型―独立发电、并网发电及混合发电，每种发电模式具有不同的特点，因此在选取光伏模式前，应该准确了解区域的电网条件。若无电网覆盖，仅可选取独立发电或是混合发电模式；若有电网覆盖，则可以根据具体情况，随意选择任意一种发电模式。
2.2 系统选型
2.2.1 独立光伏发电系统
所谓的独立光伏发电系统，指的是只利用太阳能进行发电的装置，该系统通常应用在市政电网无法覆盖的区域。需要注意的是，由于该系统发电源只有太阳能，当阴雨天气或夜晚时，系统无法正常发电，因而发电能力较差。这类光伏系统中，结构最精简的为直联系统，内部并无储能装置。
对于安装了储能装置的系统来说，则应用较为广泛，常见于市政路灯、通信及居民生活等诸多方面。这类系统的能量利用率并不高，供电稳定性较差，因此在使用该类型的光伏系统时，需要配备相应的蓄电池，以确保整个供电系统稳定运行[3]。
2.2.2 并网光伏发电系统
该系统以并网逆变器为媒介，与市政电网连接到一起，当系统产生电能后，将其传输给市政电网，由市政电网重新分配。该类型系统主要由5部分构成―光伏阵列、逆变器、控制器、DC/DC 变换器及继电保护元件。
光伏阵列，用于将太阳能转化成电能；逆变器，主要对阵列产生的直流电进行转化，使其变为相应的交流电；控制器，根据整个系统的运行情况，自动对电流波形、功率予以调节，以确保整个系统稳定运行；DC/DC 变换器，用于直流电与直流电的转换；继电保护元件，用于保护整个系统。
2.2.3 混合光伏发电系统
这类光伏发电系统与上述2 种系统的主要区别是安装了独立的备用发电装置。主系统发电量较少，或是蓄电池内电能储量不足时，则自动跳转到备用发电装置，由其继续发电，以此驱动负载稳定运行。同时，备用设备产生多余电能后，还可在逆变器的作用下，将其传输给蓄电池。
2.3 整体设计
2.3.1 光伏屋顶
屋顶是建筑的主要结构，位于建筑的最上方，面积较大，且与太阳光的夹角较大，是光伏系统与建筑结合最佳的区域。
相对于传统屋顶，光伏屋顶对防水性、透光性等方面具有更高的要求。根据屋顶的类型，可将其划分成水平光伏屋顶和倾斜光伏屋顶:
1）水平光伏屋顶。光伏屋顶呈水平状，可通过2 种方式布置。一种为支架布置法，该方法布置比较灵活，可根据实际情况随意调节光伏板的倾角、间距等，使整个光伏系统不会出现阴影，提升系统运行效率。同时，该布置方法结构比较简单，所需成本较低，易于大规模推广。但是，建筑的整体性较差，并且影响建筑的美观性[4]。另一种为嵌入式布置法，即直接将光伏板嵌入屋面中，不仅能够用于发电，还可以作为屋面结构，因此能够节约屋面建设材料，但屋面自洁性较差，应定期安排人员清理。
2）倾斜光伏屋顶。倾斜光伏屋顶也可采用2 种布置方法：一是铺设法，即直接将光伏板铺设到屋顶表面，光伏板用于发电，屋面用于遮挡雨水、阳光等；二是嵌入法，与水平光伏屋顶嵌入法基本相同。
2.3.2 光伏墙体
现代建筑建设过程中，可将BIPV系统与外墙结合到一起，一方面提升外墙的美观性，另一方面用于转换太阳能。
光伏幕墙主要由5 层结构构成。其中，最外两侧为玻璃基片，用于固定内部结构，与玻璃基片黏结的是聚乙烯醇缩丁醛酯（Polyvinyl Butyral，PVB）胶片，用于玻璃基片与晶硅片的黏结。最中间为晶硅片，即太阳能电池板，用于将太阳能转化为电能。当太阳光照射到光伏幕墙上后，一部分辐射被吸收，并通过晶硅片的转换后，转变成一定量的电能，而另一部分则被幕墙反射回去，有利于调节室内温度，以降低空调系统的能耗量。
2.3.3 光伏遮阳板
建筑建设主要是为人类构建出良好、舒适的内部空间环境，而要想达到这一要求，应在确保采光良好的基础上，尽可能多地减少透过窗户的太阳辐射。所以，BIPV 系统中，还应设计相应的光伏遮阳板。阳光照射到遮阳板上后，一方面，可将太阳能转化成电能，用于建筑电力系统的使用；另一方面，可根据室内空间温度，结合光伏板接收到的太阳能辐射量，自动调节遮阳板的角度，以此对室内温度进行控制。
2.4 阵列设计
斜面太阳辐射，计算斜面太阳辐射量是影响BIPV 系统运行的重要因素之一，因而在光伏阵列设计时，需要确定合理的斜面太阳辐射量。对于斜面太阳辐射量来说，应满足直散分离的原理，即总辐射量等于直接辐射与散射的总和。
需要注意的是，大地表面接收的辐射量没有地表反射分量。确定朝向赤道斜面上的太阳能辐射量时，计算公式为：
式中：Ht为总辐射量；Hbt为直接辐射量；Hdt为天空中的散射量；Hrt为大地的反射量。
若具体地点位置已知，可通过查询相关资料获取当地太阳辐射的相关数据，并以此为基础，通过相应的公式确定上述几个指标。
计算Hbt时，可引入参数Rb，即直接辐射量与总辐射量的比值，即：
式中：φ为地点的纬度坐标；α为斜面的倾角；δ为太阳的赤纬坐标；hs表示水平面日落时角；hs'为斜面上日落时角，可由式（4）推导得出：
确定Hdt时，选择Hay 模型。该模型指出，在天空散射当中，主要由两部分构成，一部分为太阳光的散射，另一部分为其他穹顶的散射，因而可通过下述公式推导Hdt值，表达式为：
式中：H0为大气层外水平面上的太阳能辐射量，可由式（6）推导得出：
式中：Isc为太阳常数，一般可设置成1367 W/m2。
确定Hrt时，可通过式（7）推导得出：
式中：Hh为水平面总辐射量；ρ为地表的反射率，具体可根据现场具体情况而定，如表1 所示[5]。
表1 地表反射率表
3 结语
综上所述，现代建筑工程建设过程中，应提高对太阳能光伏建筑一体化系统的重视程度，并根据工程现场的气候、建筑及电网条件，选择合理的光伏发电系统，合理对光伏屋顶、光伏幕墙、光伏遮挡板进行设计，并确定最佳的斜面太阳辐射量与列阵倾角，以使太阳能在建筑工程领域发挥出最大的作用。同时，需要注意的是，为了使太阳能光伏建筑一体化系统在现代建筑领域发挥出更大的作用，未来还应逐渐融入更多光伏发电功能，以向用户提供更好的服务。
