BIPV光伏发电在工程中的应用

BIPV光伏发电在工程中的应用

明玉欣

中工武大设计研究有限公司湖北省430000

摘要：近年来，太阳能光伏建筑一体化（BIPV）技术受到了越来越多的关注。光伏发电技术就是利用太阳能电池板直接接收太阳光照射，再通过半导体材料将光能转换成电能，输送到建筑用电负载的过程。文章对BIPV光伏发电进行了详细的介绍，并对其在工程中的应用进行了阐述。

关键词：BIPV光伏发电；工程应用

1前言

太阳能被认为是未来最有发展潜力的新型能源。BuildingIntegratedPV（简称BIPV），是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。在BIPV系统中，太阳能电池板被集成于建筑物中而不是作为独立的系统安装在建筑物上。在全世界范围内，建筑物耗能都被认为是最主要的能源消耗之一。根据美国能源信息机构（EIA）的调查，建筑物耗电量占美国电力消费总量的72%。在中国，这个比例也占到了50%以上。AEO2009展望报告提出，建筑物耗电是未来电能消费的主要增长点。正是这些因素推动了BIPV技术的发展。本文主要介绍BIPV系统的优势，并对其在工程中的应用进行了阐述，以为相关工作的开展提供参考。

2BIPV系统概述

按照光伏组件和建筑物结合方式的不同，BIPV系统有3种实现形式：屋顶集成光伏发电系统，光伏幕墙系统和光伏窗。根据BIPV系统是否与主电网连接又可以分为并网BIPV系统和独立BIPV系统。BIPV系统不是简单的将太阳能电池板和建筑物叠加，而是通过建筑和能源领域的专业人士的共同协作，在达到绿色发电的目标的同时满足和实现建筑物本身的要求和功能。

与传统的光伏发电系统相比，BIPV系统有很多优势：

（1）可以降低占总能耗很大一部分的建筑物能源消耗。研究表明，BIPV系统可以使得建筑物负荷电力消耗下降33%～50%

（2）可以不通过输电网络直接将电能传送给负荷

（3）如果设计得当，可以增加建筑物的美感

（4）无需额外的土地来安装光伏发电系统，这对土地十分紧张且昂贵的城市地区来说很重要

（5）具有良好的经济性，这也是BIPV系统最主要的优势。目前，屋顶集成式光伏发电系统的经济回报周期已经小于20年

3BIPV建筑设计中需注意的几个问题

3.1建筑美学要求

目前光伏市场缺乏经过特别设计能集成到建筑物的光伏产品。大多数光伏组件都旨在最大化日光吸收。它们的外表显示出电池和连接线，在视觉上毫无美感。几十年来，建筑师一直寻求新的解决方案来定制光伏组件的颜色，使它们能融入建筑物表面。白色引起了特别的兴趣，它因典雅、通用、外表清新而被广泛使用。尽管存在这种需求，仍无人能实现真正的白色太阳能组件。CSEM开发了一种新技术，让白色太阳能组件外表不显示电池和连接线。它是能将太阳能红外光转换为电流的太阳能电池技术，能够结合在散射全部可见光谱的同时还能传递红外光的选择性散射滤器。基于晶体硅的任何光伏技术都可用于制造白色和有色的太阳能组件，能充分满足建筑美学要求。

3.2建筑结构与光伏组件电学性能的配合

BIPV建筑设计首先考虑电池板的电流、电压与光伏系统设备选型要求是否一致。而在现实生活中，建筑物外立面所呈现的几何图形往往形式各异，大小不等，要保证各组件有相同的电流和电压几乎不现实。因此，可以采用分区、分格的方式处理建筑物的几何立面，这样可基本保证BIPV组件的电学性能与标准值近似，同时为了获得预期的立面效果，也可以借助尺寸不一的电池片进行分格。

3.3BIPV的发展前景

现代社会中，人们对舒适的建筑内部环境的追求越来越高，导致建筑采暖、空调等能耗日益增长；舒适的环境和高涨的能耗就像一对矛盾，难以平衡。现在，BIPV技术的推出宣告这一切已成为过去时，这一解决方案可用太阳的能量为建筑带来绿色的电力，满足其能耗需求，有的还使用了炫彩设计，既便于安装，又为绿色建筑构建出无限的可能与活力。

4BIPV光伏发电在工程中的应用的关键技术及创新点

4.1工程概述

文章以某工程项目为例，工程项目总建筑面积0.95万m2，主体结构形式为钢框架结构，铝合金金属屋面，南楼地上1层，北楼地上4层、地下1层，建筑高度23.4m。光伏发电系统中的太阳能多晶硅组件就安装在铝合金金属屋面上。

4.2光伏组件轨道安装及固定

工程屋面采用厚1.2mm铝镁锰合金金属屋面，该材料具有良好的刚度和强度，屈服强度达185MPa，延伸率大于4％，重度仅为2700kg/m³，具有轻质高强、机械加工性能好的特点，同时具有很好的防腐能力，特别适合用于建筑屋面。在本工程中，我们根据屋面材质、拼版工艺的特点项目多方案选择，最终确定采用定制铝型材轨道、夹具安装来固定936块光伏组件。

4.3汇流箱安装

屋面光伏组件分接为78个组串，按区划分每6组串中先将其中2对进线用防水三通并联为1对，以满足直流汇流箱4路进线要求，接驳汇流箱后输出2对直流电源馈线接至对应逆变器。

4.4逆变器安装

系统设置13台逆变器，17kW被动式逆变器将光伏发电直流电逆变成三相交流电，自反馈闭环检测确保逆变器输出逆变电压、频率波形稳定，并可检测市网电压，如市网断电或电压波动较大，逆变器停止发电逆变输出，整个光伏系统断电，实现设备电气保护隔离；该逆变器还具有防逆流的功能，如市网电压瞬时过高，防逆流系统迅速阻断电流逆流，防止安全事故的发生。逆变器人机对话窗口还可实现实时参数状态显示、输入直流、输出交流端口参数、故障信息、实时功率显示、输出累积、发电量计量、当日、月度、年度发电量的柱状显示累计值、集成并网安全规范参数显示设置，便于发电合规并网。

4.5监测装置的安装

项目设置有并网发电监测装置1套，主要监控气象环境和逆变器运行状态。气象环境监测温度、风速、风向、辐照度四项参数，通过装于屋面支架上的采集传感器将数据集中到箱内的数据采集仪上，再通过RS485通讯线将数据传输到监控装置终端，显示屋面环境的气象参数。逆变器状态监控包括逆变器、前端各组件的工作状态、当天发电量、累积发电量、运行状态曲线、市网供电状态、光伏发电系统的工作运行情况。监控系统中设置气象参数便于系统进行发电监控分析，尤其是阳光辐照度和多晶硅组件运行曲线对比，如各串运行正常时两曲线的曲率一致，而且和辐照度的曲线完全吻合，以便于对组件整体的运行情况进行监控分析，及时发现系统运行问题。

4.6交流汇流防逆并网配电柜安装

逆变系统的13路17kW的逆变输出交流电经交流汇流防逆并网配电柜切换后接入0.4kV交流低压柜母排，与市电电网实现切换、并网发电功能，箱内设置有防逆流、防雷保护、短路保护、过流瞬断等保护并网单元确保交流汇流并网输电安全。

5结语

随着全世界能耗的不断上升，滥用化石能源导致的环境污染日益严重，人类在应对经济持续发展的同时，还要着重关注生态平衡的问题。我国BIPV市场潜力巨大，同时太阳能企业技术成熟、服务完善，大规模发展条件已经具备，时机已经成熟。社会要加强开发BIPV光伏发电在工程中的应用，从而进一步推动社会的发展。

参考文献：

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[2]徐文礼.光伏建筑一体化系统研究与设计[D].吉林大学，2012.

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