太阳能建筑一体化案例分析_周承伯

太阳能光伏建筑一体化案例分析阿特斯首席技术专家：周承柏2009年11月25日摘要一、太阳能光伏建筑一体化基本概念二、太阳能光伏建筑一体化重要性三、太阳能光伏建筑一体化的设计四、案例分析（洛阳中硅项目）目录摘要太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量,比目前人类的能耗量大3.5万倍；从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，光伏产业走过了半个世纪。在可再生能源中，太阳能光伏产业发展最快，也最具潜力。我国能源储量与世界对比在所有的能源门类中，太阳能光伏是最有可能与建筑完美结合的一种新能源！绿色节能建筑是建筑业应对生态危机的积极反应绿色建筑的定义:在建筑的全生命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)，保护环境和减少污染，为人们提供健康、实用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。——摘自我国《绿色建筑评价标准》绿色建筑最核心、最有生命力的价值在于：最高效率地利用能源、最低限度地影响环境的绿色原则。一.太阳能光伏建筑一体化基本概念所谓太阳能光伏建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合。光伏与建筑的结合有两种方式：一种是光伏系统以附加的形式与建筑相结合；另外一种是光伏器件以建材的形式与建筑相结合，即光伏器件与建筑材料集成一体，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电。1.1.太阳能光伏建筑一体化技术的特点光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）即建筑物与光伏发电设备高度结合集成，不仅能减少建筑物的能源消耗，还使“建筑物产生能源”。光伏发电不用单独占用地方。ＢＩＰＶ应用还具有美观、绿色、环保、节能的效果，为现代建筑提供了一种全新的概念。对于一个完整的ＢＩＰＶ系统，还应该有另外一些设备：负载、蓄电池、逆变器、系统控制、滤波保护等装置。当ＢＩＰＶ系统参与并网时，则不需蓄电池，但需有与电网的联入装置。1.2太阳能光伏建筑一体化应用技术适用对象：•适用于城建较严格，要求安装规范、美观、不损害市容市貌的单位、集体、小区等；•适用于在建筑设计之处，就将太阳能作为建筑的一部分考虑在内，与建筑一同设计；•适用于各种形式的建筑，例如：住宅小区、高层楼群、别墅等等；•对于物业管理来说，安装规范、便于管理；对于房地产商来说，可以作为楼盘销售的卖点；•可原地发电、原地使用，减少电能运输过程的费用和能耗；能够迅速地推广；•可以单独为某个小区设立售后服务点，专门为该小区服务，免去客户的后顾之忧。•能提供并网支持，尤其是在夏季有负荷的地区，创造了一种多样的且可恢复的能源系统；1.3太阳能光伏建筑一体化优点(1)：•由于所利用的区域是建筑的一部分，不需要增加安装部件的成本；避免了放置光电阵列额外占用宝贵的建筑空间，与建筑结构合一，省去了单独为光电设备提供的支撑结构；使用新型建筑维护材料，节约了外装饰材料，使建筑外观更有魅力；•依据用户的使用频率，光伏发电系统能够带来可观的经济效益；在电网用电高峰期，光伏系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，可缓解高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；1.3太阳能光伏建筑一体化优点(2)：•杜绝了由一般化石燃料发电所带来的严重空气污染，这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面和墙面上，直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过高，可降低空调能耗。•光伏发电系统能够减少大部分温室气体的排放，从而实现温室气体排放目标。1.3太阳能光伏建筑一体化优点(3)：二.太阳能光伏建筑一体化重要性随着经济建设和人民生活水平的提高，城市花园住宅已经成为潮流，同时能源危机和环境的恶化也在不断加剧，为此，既清洁又取之不尽的太阳能产品的开发和利用亟需普及，让太阳能产品助推城市花园化住宅实现既环保又节能，让未来住宅都太阳能化。它的广泛应用对于节约不可再生的矿物能源，保护环境，改善人类生存空间，实现经济社会的可持续性发展具有重要的意义。从世界能源现状来看，必须大力发展可再生能源，实现多种能源互补。太阳能光伏建筑一体化提出了“建筑物产生能源”的新概念。即通过建筑物，与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用太阳能资源产生电力。太阳能光伏幕墙，除了达到玻璃幕墙同样的美观效果外，还能利用太阳能光伏发电技术，产生新能源。太阳能光伏幕墙是将太阳能电池与各类建筑玻璃结合制成可以发电的建筑材料，产品包括各种晶体硅与非晶硅太阳能光伏夹层玻璃、光伏中空玻璃等。其不仅具有发电功能，还具有独特的美学效果，同时也满足作为建筑材料的各项功能。节能环保的太阳能建筑代表了建筑科技的发展方向。2006年中国大气二氧化碳排放达历史最高,这应该引起我们高度重视，我国应对气候变化问题,采取一系列措施,当然首先要节约能源,但更要注重发展可再生能源，特别是太阳能光伏利用。在城市发展光伏并网发电，特别是与光伏与建筑结合，是一种很好的解决方案。可以通过建筑发电，同时也不占用土地，而且可减少二氧化碳排放，这表明城市发展光伏建筑很有价值。可以预见，太阳能光伏建筑一体化将成为21世纪的市场热点，成为21世纪建筑节能市场的亮点。3.1设计原则光伏建筑一体化是光伏系统构成或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。3.2建筑设计BIPV的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用BIPV的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条件，即选用BIPV的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带来了新的挑战与机遇，画龙点睛的BIPV设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合；第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。三.太阳能光伏建筑一体化的设计3.3发电系统设计BIPV光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。（1）光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果；另一方面要考虑其受光条件。（2）光伏组件设计，涉入电池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）与布置（结合板块大小、功率要求、电池片大小进行）；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。（3）光伏发电系统的设计，即系统类型（并网系统或独立系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。3.4结构安全性与构造设计光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受风压变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定需对连接件固定点进行相应的结构计算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。3.5光伏建筑一体化（BIPV）对光伏方阵与光伏组件的要求（1）影响光伏发电的因素简单地讲，影响光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大气质量、大气透明度、日照时间等有关。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。（2）BIPV对光伏方阵的布置要求对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。（3）BIPV对光伏组件的要求BIPV将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。作为与建筑结合或集成的建筑新产品，BIPV对光伏组件提出了如下新的要求。●颜色与质感用于BIPV的光伏组件，其颜色与质感需与整座建筑协调。●强度与抗变形的能力当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用，因此需满足建筑的安全性与可靠性需要。光伏组件的玻璃需要增厚，具有一定的抗风压能力。●透光率在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。●尺寸和形状目前市场上大部分的光伏组件的为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于BIPV的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。4.1项目实施地概况1、建筑物概况：中硅研发楼光伏建筑一体示范电站项目建设于洛阳中硅高科技有限公司的研发中心研发楼，实施地位于东经112°，北纬34°30′。该建筑位于河南省洛阳市高新技术开发区，是国家硅材料工程技术研究中心的研发楼。建筑物为东西走向，楼顶面积18*82.5㎡，楼顶有五大块倾角为20度的采光顶，其中两块为两道楼梯采光顶，面积均为12*4㎡，其余三块面积分别为16.95*6㎡、18.9*6㎡、16.95*6㎡，如图示，这三块均采用BIPV形式。四.洛阳中硅BIPV案例分析项目由洛阳中硅公司投资，阿特斯公司承建BIPV光伏并网示范电站，电站容量14.08KW。本项目安装方式为建材一体型，中硅高科技有限公司为业主单位，阿特斯公司为设计建造方，于07年6月启动该项目，9月份完工并网发电。下图为建成后实景图：2、太阳辐射量A、洛阳地区水平面上各月平均太阳辐射量如下表：平均日照水平(kWh/m2/day)北纬34.5°东径112°一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月10年平均值2.683.063.695.175.365.545.074.693.733.282.902.48B、洛阳地区水平面及楼顶20PV阵列面上各月辐射量变化情况洛阳地区水平和PV面辐射情况0.01.02.03.04.05.06.0123456789101112月份辐射量kwh/m2d各月水平面上平均辐射量各月光伏阵列面上平均辐射洛阳地区10年太阳能辐射量的月变化表4.2光伏与建筑结合设计要求1、建筑设计需求建筑楼顶需要安装既能隔热、隔音，又能采光、发电的太阳能组件，所发的电采用内部用户侧并网的方式。在建筑屋顶上安装太阳能电池阵列的场合，斜面上安装，要考虑会不会因大雨而排水不畅，要不要增加排水管道。此建筑屋顶无防碍施工的障碍物，周围环境满足施工要求。太阳能电站电池阵列的安装高度应大于历史最大积雪高度，另外，为使20cm厚的积雪能靠重力自行滑落，太阳能电池阵列倾角设计在20－45度为宜。在太阳能电站与建筑物结合的场合，应做好防火、防水处理，阵列安装基础的自重、风压、积雪最大负荷设计，及基础预留防水螺栓等，并应根据建筑的走向和方位角合理排布逆变器直流输入的组件位置。通过对中硅研发楼建筑特点、环境条件、气候条件、安装条件、太阳辐射资源和防水等方面的调查，我们确定中硅研发楼完全具备了建造BIPV光伏并网电站的条件。合理设计的BIPV双玻组件具有美观、遮阳、采光、发电等多重效果！2、安全设计要求（结构、电气控制等）根据河南近30年气象站的数据，感应雷较多，直击雷较少见。项目设计屋面防雷与楼顶防雷网连接，钢架构强度满足各种条件下（阵列安装基础的自重、风压、积雪最大负荷设计）负荷要求，电气设计严格按照国家建筑电气相关法规。避雷带4.3组件设计1、组件排布:根据客户要求，光电幕墙阵列安装于三道屋顶采光顶的靠南侧,示意图如下：共安装光电板数量为40+48+40=128块2、组件设