摘要:近年来,随着我国社会经济的快速发展,人们生活水平的不断提高,愈加关注节能话题。文章针对光伏建筑一体化缺乏全面、系统设计指导的现状,提出光伏和建筑有机融合的概念,包括功能融合、安全融合、信息融合;光伏建筑一体化光伏系统设计的要点,期待可以对光伏建筑一体化技术的应用和推广起到推动作用。
关键词:光伏建筑一体化;融合理念;光伏系统;设计要点
引言
光伏建筑一体化组件主要运用太阳能发电的形式,解决城市日趋庞大的能源消耗问题,我国新能源汽车人均保有量、单位建筑地下停车充电桩的增加,提升了城市区域用电负荷的高效性、灵活性。光伏建筑一体化以城市建筑为依附,一方面缓解了城市区域建筑群长时间高强度用电等情况,另一方面,由于光伏建筑一体化的发电率较高,可降低发电的成本,实现城市区域性供电调配,降低了城市对周边大型传统能源电厂的依赖。随着民众环保意识的不断提高、智能型城市的推广,光伏建筑一体化已逐步成为一种主流发电形式。
1光伏建筑一体化概念
光伏建筑一体化是将太阳能发电系统与城市建筑相结合的一种应用方式,可取代玻璃幕墙、外墙装饰建材以及屋顶瓦片等传统建筑材料,同时作为太阳能发电系统,为用户提供绿色、环保、清洁的电力,业界通常称为BIPV(BuildingIntegratedPhotovoltaic)。其中,涉及的建筑物包括各种民用建筑、公共建筑以及工业建筑等一切可以承载光伏发电系统的建筑物。根据光伏方阵或光伏电站与建筑结合的形式,光伏建筑一体化可分为两类:一类是光伏方阵与建筑的集成,如光伏幕墙、光伏瓦片等;另一类是光伏方阵与建筑的结合,如光伏方阵与钢构厂房屋面的结合形式。
2光伏建筑一体化优点
2.1建筑节能
光伏一体化建筑能为光伏系统提供足够的面积,不需另占土地,还能省去光伏系统的支撑结构。光伏组件核心部件为半导体发电器件,工作时无机械转动部件,不产生噪声污染,对环境无污染。同时,此类建筑电力产生可自发自用,减少了电力输送过程的费用和能耗,降低了输电和分电的投资和维修成本。BIPV系统发电输出期间为白天日照时段。发电系统除可以保证自身建筑用电外,一定条件下还可向电网供电,缓解高峰电力需求,具有极大的社会效益。同时,它能减少由一般化石燃料发电带来的严重空气污染,对于环保要求更高的今天和未来极为重要。由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上,易于吸收太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了室内空调冷负荷,节省了能源。
2.2经济效益
BIPV系统中可采用自发自用、余电上网的方式,并网接入电网,属于分布式能源的有效补充。光伏电站系统寿命及运营期长达20年以上,一个会发电的建筑可提供给用户长期的经济效益。同时,光伏建筑一体化屋顶电站形式采用光伏阵列替代了工厂厂房屋顶彩钢瓦,其主体材料使用镀铝锌钢材和铝合金,厚度和防腐能力远远超过彩钢瓦,可确保整个电站运营期内无需更换彩钢瓦,减少了后期运营成本和换瓦的相关成本。
3光伏系统和建筑的有机融合
3.1能融合
BIPV建筑使用的光伏组件或光伏构件必须满足建筑上使用部位的相关建材规范。满足建筑对于建材的功能、美学要求。还要兼顾这种建材的发电功能。明确项目空间环境,根据所在地的太阳能辐照资源等信息,尽量选择有利于光伏发电的倾角和朝向布置光伏方阵,尽量避开可能的遮挡,最大化获得发电效益。
3.2安全融合
使用满足建材规范的光伏组件或构件代替常规建材,可以满足建筑对于建材的安全要求,不会带来额外的安全风险。但是光伏方阵在充足日照下组串的开路电压可高达1000Ｖ,设计、安装、使用和维护不当会带来电击风险。因此在设计、安装、使用、维护阶段要严格按照规范进行工作,杜绝电击事故,还应注意防雷、消防设计。
3.3信息融合
BIPV建筑应建成智慧、安全、绿色、高效的现代建筑,应配备包含光伏监控系统、楼宇智能控制系统和综合能源管理系统的建筑综合管理系统。其中光伏监控系统采集光伏系统运行数据,如电压、电流、发电量、温度等;环境数据,如气温、湿度、太阳辐照强度、风速、风向等。可以预测光伏发电量,提供运维、故障诊断等信息。建筑综合能源管理系统收集、分析各类用电负荷、空调负荷运行数据。将光伏产能和建筑用能有机结合,统一调度,最大化利用清洁能源、降低建筑能耗。
4BIPV光伏系统设计要点
BIPV光伏系统应结合辐照资源、建筑条件与建筑电气统一设计,以保证电气安全、设计质量、提高光伏系统的效益。
4.1光伏组件选用
光伏组件作为建材,要满足相应的建材规范要求,比如作为幕墙建材使用时,光伏组件通常采用钢化玻璃夹层结构,需要满足玻璃幕墙标准的要求。为提高光伏发电收益,应根据2018年工信部公布的《光伏制造行业规范条件》等进行选择。BIPV的设计应根据建筑功能、设计理念、建筑条件等因素确定光伏组件可利用位置、面积,从而选择类型、尺寸、颜色和安装方式。
4.2逆变器选择
BIPV优先选用组串式逆变器,尽量增加MPPT输入回路数量,使光伏系统具备较好的最大功率跟踪优势,有效应对遮挡等不利因素。并网逆变器的功率和台数与光伏方阵的布置有关。选取逆变器时需要考虑额定功率、转换效率、最大可接入MPPT回路数量等问题。组串逆变器尽量靠近光伏方阵安放,减少线路损耗。
4.3并网和接入
要结合项目建设条件、容量规模、考虑发电系统造价,进行多因素综合评估,进行合理经济性分析后,确定安全可靠的方案。BIPV光伏系统一般应采用自发自用余电上网方式接入用户侧电网,光伏并网应符合就近分散接入,就地平衡消纳设计原则。根据项目条件,选择单点集中并网或多点分散并网方式。并网点的选择和电网条件、负载和线路损耗等因素有关。电网条件主要指建筑配电系统接受光伏系统的能力,及电网线路连接的可行性、合理性。
4.4消防
BIPV光伏系统需防止火灾隐患,设计、实施时要注意消防安全,应满足所在建筑部位相应的消防等级要求,和建筑消防统一设计、施工。
4.5防雷和接地
建筑光伏系统作为建筑电气设计的一部分,与建筑物的防雷和接地系统统一设计。防雷等级分类和防雷措施按国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057—2016)和《光伏发电站防雷技术要求》(GB/T32512-2016)相关规定执行。
4.6电缆
光伏系统中光伏组件串联、组串与逆变器连接,都是采用直流电缆,必须满足防潮、耐寒、耐热等要求。电缆安装过程中,电缆经常弯折、拉伸,更加速了电缆的老化,增加了维修成本,直接影响了光伏系统的使用寿命。所以BIPV光伏系统布线时必须采用光伏专用电缆,满足相关行业标准。
结束语
通过提出光伏建筑一体化有机融合理念,对分析BIPV建筑发电的特点以及研究BIPV光伏系统设计要点得出以下结论:光伏建筑一体化技术可以降低建筑整体建造成本、降低能耗,促进节能减排;光伏与建筑深度融合主要是功能融合、安全融合、信息融合;根据提出的BIPV光伏设计的要点,可以有效地指导建筑光伏系统的设计。
参考文献:
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