浅谈BIPV光伏建筑应用方向与设计要求

进入21世纪的十多年间，能源短缺和环境恶化日益突出。开发可再生能源代替传统能源是解决以上问题的唯一途径。太阳能由于其储量巨大、使用清洁、分布广泛等优点，近年来成为了最受瞩目的可再生能源。世界各主要国家都将光伏产业作为研究的重点之一，并相继推出各自计划。如美国加州全面推动百万屋顶计划，欧盟可再生能源白皮书计划，德国的太阳能上网补贴计划等。 　　在我国，得益于国家政策的扶持，太阳能光伏产业的产业应用也得到快速发展。分别由国家发改委能源局和国家住房和城乡建设部牵头开展的金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用项目，以及2012年底推出的分布式发电计划，还有新能源发展配额目标已写入“十二五”规划。 　　我国未来必将重点发展BIPV 　　目前，我国的太阳能产业规模已位居世界第一。应当看到，对于经济活跃地区的东部沿海经济带，城市化后能源短缺，建筑积聚，土地少，不利于发展大型地面光伏电站，但却十分适合发展BIPV。虽然单个BIPV项目虽然规模小，但是滴水汇海，和对电力短缺的就地补充，而且解决了长距离传输对光伏电站损耗的困扰。 　　国内光伏应用经过多年发展后，不管是产业发展导向，还是实际政策效应，由今年开始已逐步从大型地面电站应用向分布式发电模式过渡，基于建筑的分布式发电进入黄金十年发展周期。 　　BIPV发电模式，将以其“低空间成本、低输变电成本、低综合安装成本”的优点和以下特点，成为我国太阳能应用的重点发展方向。 　　建材型光伏产品经过多年产业进步，目前已经成熟并能够满足当前市场需求。 　　在价格方面，建材型光伏产品（如光伏幕墙用薄膜组件、光伏瓦），与其它同类高档材料相比已经具备明显的可比较性和可行性，而在尺寸、色彩、强度、电力安全、建筑美学等方面亦能够符合建筑应用的特殊要求，产品的透光度、色彩、结构均可按照建筑要求进行定制化生产。 　　工业厂房的附加型（BAPV）应用，由于同建筑结合度不高，将逐渐淘汰。 　　大量工业厂房屋顶都采用彩钢结构而非混凝土结构，这使得屋顶的承重和使用年限方面都风险很大。众所周知，彩钢结构的屋顶使用寿命至多只有15年（从光伏项目建设开始已不足15年），而光伏发电签订的协议却是25年，两者完全不匹配。 　　而民居屋顶为混凝土结构，可有效避免此问题。工业企业屋顶光伏应用原则是高能耗、自发自用余电上网。进入“十二五”以后，沿海发达地区产业结构转型决定了这类企业将越来越少，高能耗工业企业也不是国家鼓励发展的方向，加之由于工业屋顶对于业主稳定性、承重要求等多方面限制，工业屋顶资源紧缺的问题已经突现，这也造成今后在工业企业屋顶上大规模推广应用光伏空间日益减少。 　　民居屋顶应用可以有效避免工业屋顶应用中的多项关键制约因素，从项目可行性和业务模式等多方面分析均更可行。企业与屋顶业主签订的购电协议需长达25年，而民居的产权清晰并且稳定，不存在光伏厂房应用项目在此方面的业主运营、变化、重建等不确定风险，因此其业务模式风险小，电费收入稳定，是积极探索与推动我国光伏应用示范的良好项目类型。 　　商用建筑以其发电效率高、装机容量大、使用损耗小、留存时间长、示范效应好等优点，将是各省市的重点示范方向。 　　由于不同朝向对发电量影响较大，所以屋顶项目是BIPV效率最高的位置，而商用建筑就是以大屋顶而着称，而且多为闲置屋面。比如义乌小商品市场等商用建筑屋面面积超过万余方，装机容量超过1MWP，是BIPV项目中的巨无霸。 　　另外，大大型商业一般都靠电源照明，而且营业时间多为白天且无间歇，可以不用蓄电设备，减少投资，而且无需长距离传输，就地使用损耗小。 　　再者，商业建筑一般为永久性建筑，设计使用年限一般为50年，开发时间短，实际电站的存续时间可以等同或超过光伏电站的设备使用年限，而且人流集中，更适合新产品和新技术的推广。 　　政府也会采取一定的强制和鼓励措施大力推进商用建筑的示范工作，对开发商的强制措施包括大型商业建筑需要达到建筑绿色认证设计和运营二星或三星要求，对开发商的奖励措施包括在获得国家绿建补贴的同时，地方政府也可配套奖励基金，并且在土地出让、项目审批、税收上给予一定的奖励举措。对职能部门可以制定发展目标，鼓励职能部门积极协调开发商与电站投资运营商之间的联系，促进商用BIPV的发展。 　　BIPV设计中的注意点 　　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。 　　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。