光伏建筑一体化应用分析

光伏建筑一体化应用市场与方向光伏建筑一体化的专业名称为BIPV，即BuildingIntegratedPV。是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。光伏建筑-体化(BIPV)不同于光伏系统附着在建筑上(BAPV:BuildingAttachedPV)的形式。随着国家大力支持开发新能源，太阳能光伏发电产业化应用越来越广泛，目前应用较为广泛的是地面光伏电站、地面分布式电站、民居屋顶分布式电站，智能微网、独立系统、太阳能小产品应用等方向。目前只有光伏建筑一体化处于示范性阶段，未进行大规模的应用，随着示范性作用和光伏产品价格的降低，越来越多的公司和投资方开始关注光伏建筑应用，会越来越成熟，且存在这巨大的市场潜力。BIPV建筑光伏的样式目前的应用分为平屋顶、斜屋顶、幕墙、天棚等等形式都可以安装。光伏的安装方式1.平屋顶，利用屋顶的规则及不规则构造进行光伏匹配，利用透光型组件和柔性组件作为屋顶的采光带或者覆盖；连接方式通常为粘接、卡入和植根方式，目前平顶类屋顶且较空旷屋顶、或者采光带、采光天窗均可均采用此方式。2.遮阳光伏，带光伏功能的这样部件，机能起到遮阳作用，又能利用阳光发电。3.斜屋顶，南向斜屋顶具有较好经济性：此类屋顶通常为瓦式屋顶或者彩钢板屋顶，瓦式屋顶通常为民居或者小型居住性屋顶，瓦式屋顶采取瓦下生根固定支架安装，南北朝向只安装至南侧屋面，东西朝向两侧均可安装；彩钢板屋顶通常为工业大型屋顶或者养殖棚或者大型停车棚等，彩钢板屋顶采取彩钢板专用固定卡件，卡件与固定支架连接，再将组件安装至支架上。4.光伏立面幕墙，光伏幕墙要符合BIPV要求：除发电功能外，要满足幕墙所有功能要求：包括外部维护、透明度、力学、美学、安全等，组件成本高，光伏性能偏低；要与建筑物同时设计、同时施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约；光伏阵列偏离最佳安装角度，输出功率偏低；发电成本高；为建筑提升社会价值，带来绿色概念的效果。此类大致应用于大型商用建筑或者办公楼等建筑，此类安装方式不仅仅能够带来绿色环保效益，对于楼宇的装饰和美观度也大有提升。光伏墙面光伏阳台和光伏窗户5.光伏天棚：光伏天棚是利用建筑屋顶切具有采光要求的屋顶嵌入式安装，可以应用与大型商业性建筑、体育场馆和公共性建筑顶棚兼顾美观和采光需求的屋顶。技术方面一，安装技术：根据屋顶不同方位的光伏部件有不同的安装方式。1，平顶型柔性光伏组件：转换效率可达12.6%，质量轻重量为2.6kg/㎡、安装简便，对屋形和位置适应能力强，可以实现极小的安装间隙。安装方法，柔性光伏组件原理是将裁好尺寸的铜铟镓硒电池片用PVB封装胶封装于背板柔性衬底和高透膜之间，其弯折半径不可小于50CM。首先在安装的表面铺设钢架固定钢板，将柔性组件柔性组件粘接钢板上，要求钢板起伏平缓，折弯半径不得小于50cm，必要时可将柔性组件用螺丝固定，螺丝开孔须在组件边缘地带。（对于有散热通风要求的屋顶需要在钢板下安装多孔装散热架）透光屋顶的安装为保证全玻幕墙安装质量，根据《建筑幕墙》JG3035标准、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102、《吊挂式玻璃幕墙支承装置》JG139，结合本公司幕墙安装施工的实践经验，制订本规范。屋顶透光组件的安装首先在屋顶支撑梁根据透光组件尺寸安装预埋件，然后在预埋件上安装玻璃槽，然后填注密封胶。连接线路，安装方式和步骤和常规的屋顶采光玻璃无异。屋顶采光型方案既可以采用常规不透明组件和玻璃间隔安装，也可以采用全玻晶体硅组件或透光非晶硅组件进行安装，安装方案灵活，难度较小。注：对于对采暖保温有要求的场所需考虑带中空玻璃的透光非晶硅组件作为首选。遮阳光伏：遮阳光伏安装在楼宇层间，类似于空调罩，通过安装带有一定角度的光伏配件，达到午时遮阳且光伏发电的效果，可以利用南向建筑面的全玻或者常规进行安装，此应用可以根据建筑实际情况选择晶体硅常规组件，也可以选择晶体硅全玻组件和非晶硅透光组件。玻璃幕墙应用：嵌入型：幕墙的侧面或者玻璃用带有光伏组件玻璃代替，带光伏的组件兼有采光、滤光、保温和隔热的功效，并且可以做成彩色玻璃，在美观上达到较好的效果。中空性：中空组件的密封性质是隔热性的最好表现隔音性：将组件和玻璃用空气隔离成两个刚体，会使声音的传递间断并被吸收防结露：中空组件间隔铝条存在着部分干燥剂，可以吸收空气中的水分子，防止凝露产生侧面光伏幕墙的安装方式一：固定安装，利用点支撑安装，中空组件采用爪件安装，中空组件之间采用密封胶进行密封，安装的结构简单，保证了建筑的美观。侧面光伏幕墙的安装方式二，隐框安装隐框安装利用如图所示进行安装，安装完成后在接缝出打胶，使表面平整。安装方式三：明框安装明框安装在中空组件外加一层压板进行固定，不用胶进行打缝，平整度上不如暗装形式，而且压条易积灰尘。电池组件形式及规格需要多样化。组件形式包括传统的单晶硅电池、多晶硅电池、微晶薄膜电池、非晶薄膜电池和软膜电池，还有太阳能光伏瓦等衍生产品。晶硅电池组件可以根据建筑形式排版多种规格尺寸，还可以根据建筑采光及美学要求制作不同透光板块。薄膜电池组件现在也有许多厂家可以进行不同尺寸调整，还有厂家可以经行半成品的任意尺寸切割，这些都是为了适应建筑设计的要求。而且还发展出了直接做成传统建材样式的光伏瓦、软膜电池等。这么多种类的电池，在设计中如何选择至关重要首先，是满足建筑要求，在地面光伏电站中使用的光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h（2,400Pa）风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求即可。而BIPV光伏组件不仅需要满足光伏组件本身的性能要求，同时要满足幕墙的四性实验要求（抗风压性能、平面内变形性能、气密性能和水密性能）和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。其次，选择晶硅电池时，如果部分位置有遮挡，就要考虑晶硅组件的热斑问题，这时的旁路二极管没有起作用，虽然阴影的程度没有达到二极管的反向导通电压，这时产生的热斑效应虽然不足以对组件造成破坏，但长期处于这种状态的电池组件会遭到明显的损坏，所以在立面太阳光入射角不佳和有阴影的位置尽量考虑薄膜电池组件。晶硅电池组件与薄膜电池组件电压差距较大，而且不同厂家生产的组件电压也不相同，需要根据实际情况配置电气部分。散热问题接线盒需要小型化和多样化接线盒作为电池与其他设备连接的必要设备，再与幕墙结合时，建筑对它的要求就是隐身，所以接线盒的设计就逐渐小型化，并且隐藏在板块缝隙或外装饰条内侧。电缆短接头小、板块组合需多组化光伏发电效率的提高即使是0.1个百分点也是科研人员花费大量精力、时间和金钱才能得到，但是线缆传输过程中的损耗却有近1个百分点，所以如何减少线缆及其他设备的损耗是BIPV设计中注意的要点。幕墙上应用一定要考虑室内外的美观，所以线路必须做到室内外均不外露。另外板块通过串并联的结合增加电池板的分组，减少个别板块损坏对整个系统的效率的影响。控制器和逆变器需结合，逆变器需要小型化，模块化。现在控制器和逆变器很多都是结合在一起设计的，这样便于经行设备检修，减少当机率。另外由于个别板块损坏会导致整串功率受到影响，损失较多装机容量，有时还会应为日照条件变化导致过多逆变器负荷参与工作导致效率下降等因素，制约了大型逆变器的效率的提高，所以现在需要考虑逆变器的模块化设计，现在已有厂家采用智能化休眠技术，使逆变器的最高效率提高到98.6%，欧洲效率提高到97.6%，而且采用低电压50~500kW容量自由组合，并且支持热插拔，可以在不停机的情况下安装维护，另外完善的网络通信功能易于监控整个系统的运行情况，是今后ＢＩＰＶ的一个较优方向。另外，微型逆变器为每块组件单独工作，更利于提高整个系统的效率，特别是板块种类较多和使用位置较复杂时是较优选择，但目前这种方案造价较高，需要综合考虑。减少蓄电池的使用。光伏组件本身只有发电作用，是不具备储电作用的。并网是组件发的电直接并到国家电网里，不需要储能的，通过防逆流装置可以做到安全无缝使用。离网是单独使用的，在光线不强或是夜晚没有阳光的情况下，还需要电能的话，就要靠蓄电池部分提供电能。白天光伏组件发的电为蓄电池充电，可供夜间使用，这样就要投入较高成本来配置蓄能设备。目前光伏用蓄电池，主流是免维护铅酸蓄电池，优点价格便宜、成本低，维护简便，缺点是容量较低，寿命短。还有一种是锂电池，优点是维护简便、容量高，缺点是由于刚被使用在光伏行业，因此成本很高，暂时还替代不了铅酸蓄电池。还有一种储能装置，就是超级电容，优点是容量可以做到很高，但缺点是仍处于研发阶段，不成熟。所以离网系统由于蓄能环节的高投入和高维护不是今后的发展方向，所以我们设计时尽量减少蓄电池的使用。型材便于检修和线缆隐蔽BIPV光伏组件的安装要比普通组件的安装难度大很多。一般BIPV组件安装高度较高、安装空间较小。考虑到安装方便，可以将光伏组件和结构做成单元式结构，方便安装并提高幕墙的安装精度。比如可以采用单元式光电幕墙代替明框幕墙和隐框幕墙。笔者还针对隐框和明框幕墙开发了采用了外侧通渠式隐线系统，解决了光伏电池组件布线的难题。室内侧设计了内开式隐线系统，解决了光伏系统线路检测和检修的难题，使BIPV在应用中光伏组件的连接线全部隐藏在幕墙结构中。我们今后的设计中需要进一步提高这方面的要求。继续提高组件效率，提高产品的弱光性能。BIPV系统常用的晶体硅电池转换效率（多晶硅13～16.5%；单晶硅16～18.5%）还需要进一步提高。BIPV系统用的薄膜电池（铜铟硒和铜铟镓硒11～13%；碲化镉8～11%；砷化镓和聚合物10～14%）由于弱光性能优良，相对效率较好。幕墙上的应用需要电池组件具有良好温度系数和弱光性，对红外和紫外线具有良好的吸收和转化作用，光伏板块在幕墙立面上使用，节省了幕墙传统面板的使用，而且反射率低，没有光污染，具有良好地经济和社会效益。今后研发主要控制的经济指标为光伏建筑一体化的价格2015年降至14元/瓦（现综合测算成本约为16元/瓦）6。系统发电效率达到80%以上。继续提高与建筑的结合程度建筑幕墙是技术、艺术和功能的综合体，所以在材料色彩和规格上建筑师都有较高的要求，所以我们需要进一步提高光伏与建筑的结合度，开发出更多建材型组件，提供美观实用的光伏产品，进一步提高建筑的品味。应用直流化、集成化目前光伏电池发电都是直流电，所以应用中尽量考虑实用直流负载，减少成本与损耗。另外光伏与保温材料一体化集成、光伏与电致变色一体化集成、光伏光热一体化集成、PV-LED一体化集成也是以后的应用方向。电池组件规格和色彩多样化，并提高工业化和模块化生产水平：传统晶硅电池虽然稳定性好，但价格昂贵，且电池本身不透明，采光需要靠调整电池的间距实现，所以可以经过深入的研发提高工业化率降低造价，也可研发新型封装方法及材料丰富晶硅组件颜色。多能互补形式：嵌入式led夜间发光与白天发电相结合。光伏夹层驱动冬季热新风系统或功能型换风系统建材型光伏产品（如光伏幕墙用膜组件、光伏瓦）市场化方面目前由于收益和光伏电站相差较大还未实现商业投资模式，多以示范项目、节能建筑、特色建筑进行推行。但随着光伏组件的成本和应用化的趋势，越来越多的建筑开始应用特色化光伏应用产品，相对于传统光伏电站来比较，光伏一体化建筑有其自身的优点。1，不占用土地,不需要假设输变电线路2，与建筑集成，美观实用，提高市场认可度3，替代安装，节省建筑材料4，原地发电、就地消耗应用理念的探索，以两个BIPV案例为例：广东金刚玻璃科技股份有限公司是一家玻璃深加工企业，它同时也生产光伏玻璃和光伏组件。该公司技术负责人郑鸿生为记者算了一笔账：目前光伏建筑材料的造价在35元/瓦左右，以中等规模200千瓦计，总造价为700万元。以广州的气候条件为例，一年可发电22.4万千瓦时，25年的使用寿命，一共可发电560万千瓦时，按照目前居住类每千瓦时0.44元价格计算，收益仅为246万元。显然，以未进行项目补贴和上网电价补贴的情况来看，这是个赔本的买卖，不能吸引开发商的兴趣在所难免。但也有例外。北京锋尚房地产开发有限公司开发的锋尚国际公寓便