光伏建筑一体化(二)

（二）光伏系统设计1光伏建筑一体化不是光伏发系统与建筑物的简单叠加，而建筑从开始设计之时，即将太能系统包含的所有内容作为建物不可或缺的设计元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个件融人到建筑之中，二者互相机结合，形成了多功能的建筑件，成为建筑物不可分割的一分。这需要从技术和美学两方人手，使建筑设计与太阳能技有机结合在一起，统一设计、工、调试。北京南站光伏建筑一体化系统不仅要保持建筑的整体性与统一性，同时还要特别突出视觉和艺术的统一，将光伏发电系统与建筑物的结构相结合形成统一的整体。建筑设计也要考虑光伏系统和建筑造型相结合的问题，服从建筑的整体设计理念，在不破坏原建筑形式美的基础上重新组织建筑的形式和秩序，充分发挥光伏材料的视觉特色和形式美，将光伏材料的形式和特色与建筑有机的结合，使两者在美观性上达到和谐统一。深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站(1)•考虑建筑物的周边环境，尽量避开或远离遮荫物。(2)•兼顾建筑物的前提下，确定最优的太阳能电池组件朝向及倾角。(3)•考虑太阳能电池组件的通风，尽量保证通风良好。(4)•根据建筑形态及组件大小确定组件布局方案，进而确定逆变器。(5)•合理设计尽量减少电缆长度。光伏建筑一体化系统除了考虑整体性与美观性外，还要从技术性方面考虑。如果说美观性主要从建筑方面来考虑，那么技术性主要从光伏系统来考虑，也就是说光伏系统有其本身的技术原则要遵守，主要考虑以下原则。应考虑太阳能电池组件在屋面安装时对屋顶荷载的影响，包括太阳能电池板自身荷载和抗风、抗冰雹冲击能力等工程应用问题，保证光伏系统与建筑安全可靠。此外，当选用光伏建筑一体化组件时，除了具备发电功能外，还需考虑光伏组件的结构功能，如防水、保温等功能，坚固耐用，保证光伏建筑一体化系统安全可靠。主要环节内容备注组件要求与平板太阳电池不同的是，应兼有发电和建材的双重功能；满足绝缘、抗风、防雨、透光和美观的要求，还具有强度、刚度，便于施工安装及运输等。根据工程需要，开发研制多种颜色太阳电池组件，是建筑物与周围环境趋于协调满足建筑性能要求的屋面瓦、外墙、窗户等和具有矩形、三角形、菱形和梯形等不规则形状，还可将之制成无边框，能透光的结构形式容量确定并网光伏系统不受蓄电池容量的限制，在确定太阳电池方阵容量时，只要按负载的要求和投资实时计算不必像独立系统那样经过严格的优化设计，一般家庭太阳电池方阵容量为1~5kwp方阵倾角独立光伏系统方阵尽量朝向赤道方倾斜，与水平面间的倾角要经过严格计算，使光伏发电达到最大和均衡；并网光伏系统中，只考虑其方阵输出的最大性在实用中，方阵的朝向应服从于建筑物外观的需要，一般0°~90°为宜计量电表家庭并网系统中，太阳电池方阵发电共用户负载，多余部分输入电网；用户所消耗的电能，由方阵和电网同期提供。鉴于政府对开发新能源实行优惠政策，因此，光伏发电上网电价要远大于用户电价，经常以“买入电表”和“卖出电表”来分别计算光伏器件该并网光伏系统的关键设备是将太阳电池方阵所发出的低压直流电，经逆变器、控制器变换成交流电，方能并网连接。对于电能质量（电压、波动、频率、谐波和功率因素等参数）均有严格规定，以保证电网、设备和人员安全还应配备并网检测保护，对过（欠）压、过（欠）频率、电网失电（防“孤岛效应”）、恢复并网、直流隔离、防雷及接地、短路、断路器和功率方向等进行处理1.光伏屋顶设计（1）组装要根据屋顶的面积、倾角，选择适当组件型号和系统功率，同时确定其安装方式（2）光伏屋顶一般采用并网发电系统，这样既解决太阳能发电系统少投资，又能确保一年里全天候用电，是一种比较经济、实惠的方式。经过实测，屋顶朝向正南，其倾角为35°正好符合光伏系统的安装方向和倾角。根据屋顶实际尺寸，选择160Wp组件（1580mm×808mm×50mm）16块，系统功率160Wp×16=2560Wp，组件排列成4行×4列，并与屋面保持40mm距离，以便于空气流通、降低夏季组件的温度，避免温度过高而影响组件功率。在屋顶上预埋固定件，共计16只M16不锈钢螺栓。通过L型连接件将固定组件的角钢固定在螺栓上。并可以上下、前后调节，以确保16块组件处在同一高度和同一水平线上。安装时，预先将4块组件配装成一个整体，且牢固连线，将其固定与4只M16预埋螺栓上。用同样的方法完成其他连接件。与此同时调整好组件的高度和上下边距离，保证形成一个整体。整个屋面整齐、美观，实现了光伏与建筑完全一体化预期的目标。L型连接件组件安装方式：用自攻自钻螺栓（或长螺栓）或其它结构件，把支架固定在屋顶支撑结构上，并做好屋面防水。斜屋顶的组件的一般平铺在屋顶上。自攻螺栓普通螺栓组件安装方式：在屋顶采用生根或不生根筑起水泥条或水泥带，并在其中预埋地脚螺栓用于固定组件支架。在大多数情况下，太阳能板会产生大量的热量，太阳能板的温度增高一度，其效率会相应的减少0.3%~0.5%。同时期间产生的热量也会损坏太阳能板，从而缩短其使用年限。让空气在太阳能板周围流通起来，大量的热量就可以被驱散开来，从而将光伏系统效率提高。常规结构SOLARWALL结构优点：可以很容易安装光伏组件在SOLARWALL上，安装时间短。可防止组件连续安装时，组件板之间以及组件列顶部温度过高。光伏建筑一体化分为建筑附加系统（上图，又称“后装式光伏建筑一体化”）与建筑构件系统（右图，又称“预装式光伏建筑一化”）。前者是加在原有或新建的建筑物的表面；后者是作为建筑物的一部分，如屋顶、阳台（遮阳棚）、天棚、墙体等，与建筑主体同步设计、同步施工安装、同时投入使用。同一个屋顶的不同光伏系统的对比2.光伏幕墙设计3.材料选型太阳电池方阵安装在建筑幕墙上，则组成光伏幕墙。一般情况下，其立柱和横梁都是采用断热铝型材，除了满足JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》和JGJ3035-1996《建筑幕墙》之外，刚度高一些好，同时，电池方阵要能够便于更换。建筑师在进行光伏幕墙的材料选型时，应持慎重态度，无论哪块墙面都应有针对性。同时是面对屋顶形势，构思架设还是贴附于建筑等方面，不仅要美观，还要考虑光电转换效率高低。（1）一般结构：光伏幕墙所产生的电能，经转换成蓄电池组要求的充电电压和充电电流。向蓄电池充电时，其容量按用户要求的无阳光天气连续供电日数进行设计；输出电能变换器，蓄电池组中直流电能转换成负载要求的电压、电流及电能形式，向负载供电。有些国家由于光伏幕墙发出电量，经过逆变器后并入电网，可不设蓄电池组。所以备用蓄电池组，是在阴雨天（太阳光少）的情况下，也能保证一段时间连续供电。由于输入和输出电能逆变器互相独立，其设计比较简单，光能的波动对供电质量几乎没有影响。2.光伏幕墙设计（2）光伏建筑产能公式：Ps=HAηK；式中，Ps为光伏建筑年生产电能（MJ/a）；H为光伏建筑所在地区年总辐射能（MJ/m2a），可参照有关表查取；A为光伏建筑面积（m2）；η为光电池效率；K为修正系数；K=K1K2K3K4K5K6；各分修正系数值如下：K1为太阳电池长期运行性能修正，为0.8；K2为灰尘引起太阳电池板透明度的性能修正，为0.9；K3为太阳电池升温导致功率下降修正，为0.9；K4为导电损耗修正，为0.95；K5为逆变器效率，为0.85；K6为光伏模板朝向修正数值。2.光伏幕墙设计光伏幕墙朝向太阳电池方阵与地平面的倾角0°30°60°90°东（%）93907855南-东（%）93968866南（%）931009168南-西（%）93968866西（%）939078552.光伏幕墙设计太阳电池板朝向与倾角的修正系数K6（3）应用举例已知信息：室内用电负载的设备一台，日均耗电640W.h/d；8W荧光灯6只，平均照明3h/d；标称功率60W，彩电平均收看2h/d；幕墙所在地，北京；具体选型，为某集团提供的单晶硅太阳电池板；光伏方阵与地平面的倾角为90°；幕墙方向朝南。要求：根据信息计算幕墙所需光伏组件数量，以满足使用要求。2.光伏幕墙设计计算过程：负载用电量计算：根据室内负载用电要求，日均耗电量为：Pd=640W.h/d+8W×6×3h/d+60W×2h/d=904W.h/d以全年工作280d计算，年耗电总量为Pd=904W.h/d×280d×3600W.s/a=911W.h×106W.s/a=911×106J/a光伏幕墙全年产能至少应与室内负载消耗的电能相等，则可得：Ps=Pd=HAηK或K=Pd/HAη查图可知北京地区全年太阳能总辐射能约为:H=5000MJ/(m2.a)=5000×106J/(m2.a)；单晶硅太阳电池板效率η=12%；K=K1K2K3K4K5K6=0.8×0.9×0.9×0.95×0.85×0.68=0.355；则A=Pd/HηK=911×106J/a/5000×106×0.12×0.355J/m2a=4.3m22.光伏幕墙设计选用某集团的太阳电池板8块，其规格为：1003mm×760mm，则实际电池板面积为1.03m×0.76m×8≈6.3m2＞4.3m2满足设计要求2.光伏幕墙设计（4）安装与维护1）基本条件：安装地点，要选择光照比较好，周围无高大物体遮挡阳光的地方，当工程面积较大时，安装场地要适当宽阔一些，避免碰损太阳电池板；太阳电池板总应朝向赤道，在北半球其表面朝南，在南半球其表面朝北；充分地利用太阳能，并使太阳电池板全年接受太阳辐射量比较均匀，一般有个倾斜角度放置，即指电池方阵表面与地平面的夹角；光伏方阵安装时，当方阵倾角不同时，各个月份光伏板的表面接受太阳辐射量差别很大。资料表明，方阵倾角可以等于当地的纬度，只是往往会使夏季电池方阵发电过量而造成浪费，而冬天则因光照不足而造成亏损。大体来讲，南方地区的方阵倾角可比当地纬度增加5°~10°太阳能幕墙（屋顶）布线要合理，防止因疏忽而渗水、受潮、漏电，进而腐蚀太阳电池，缩短其寿命。2.光伏幕墙设计（4）安装与维护2）常规性检查含光伏幕墙、屋顶，每年至少两次，时间最好安排于春、秋两季。首先仔细查明各组件的透明外壳及框架，判断有无松动和损坏。最好用软布、海绵和淡水对其表面进行擦拭以清洁除尘，早晚各一次为好，避免在白天较热时用冷水冲洗。除了定期维护外，还要经常观察除垢，遇到狂风、暴雨、冰雹和大雪天等天气应及时采取有效防护措施，待合格后方可正常使用。2.光伏幕墙设计太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过正负23°27′太阳电池类型适用性能斜屋顶平屋顶墙面窗户遮阳围栏有金属框架的标准组件，表面玻璃、不透明背板高适应低适应低适应不适应低适应不适应无金属框架的标准组件，表面玻璃、不透明背板高适应高适应高适应不适应高适应低适应透明度占一定比例的双层玻璃组件低适应低适应高适应高适应高适应高适应两面受光的透明双层玻璃组件低适应低适应低适应不适应不适应高适应玻璃表面，背面为占一定比例透明TPT薄膜不适应不适应低适应高适应不适应高适应配合客户要求，组件设计为不同形状高适应高适应高适应高适应高适应高适应3.材料选型3.材料选型0102030405060转换效率热量光伏组件安装位置及转换效率比较1.常规组件常规组件：单晶硅，多晶硅，非晶硅2.双玻璃光伏组件3.PVSkylightLaminateSkylight[‘skailait]n.天窗组件尺寸