太阳能光伏建筑一体化关键技术问题刍议

太阳能光伏建筑一体化关键技术问题刍议

陈润强

中国能源建设集团西北建设投资有限公司 陕西西安 710000

摘要：太阳能光伏建筑一体化是建筑节能的一种典型形式。本文分析了光伏发电的基本原理特性，介绍了光伏建筑一体化的定义、类型，结合光伏电池特性与建筑施工的工艺要求，论述了光伏建筑一体化施工中应该注意的关键技术问题，对提高其发电效率及降低光伏建筑一体化初期投入成本具有现实意义。

关键词：光伏组件；太阳能光伏发电；光伏建筑一体化

1、光伏发电系统原理

在光伏发电系统中光伏电池组件是收集太阳能的核心部件，从其组成结构来看与普通二极管一致，同样是由P、N型2种半导体组合而成，所以特性也与普通二极管相同，属于非线性元件。光伏发电的原理就是利用光伏电池板的光生伏特效应将光能转化为电能的过程，当外部光源包括太阳光或者其他形式的光源直接或者间接照射到光伏电池组件上时，此时光伏电池组件便开始吸收光能，在吸收光能的过程中会产生一种电极性相反的光生电子空穴对（空穴与电子）。由于空穴是正电特性，而电子是负电特性，由于两者极性相反在光伏电池组件内建场的作用下，光生电子和空穴被分离，于是带负电的光生电子在N区附近聚集，带正电的穴积在P区附近聚集,P区与N区电压不一致，形成电压差，该电压差也就是光伏电池组件的“光生电压”，将光伏电池组件与外电路接驳形成完整回路时便产生了电流获得了电能，于是就达到了光能转换为电能的目的。

2、光伏建筑一体化

2.1、光伏建筑一体化定义

太阳能光伏建筑一体化技术其本质就是将太阳能光伏发电组件集成或结合到建筑上的技术，不仅具有外围护结构的功能，而且还可以产生电能供建筑使用，太阳能光伏建筑一体化并不是单纯地将太阳能光伏电池阵列安装在建筑物的屋顶或者外立面上组合成光伏发电系统，而是涉及建筑物的前期规划、勘察设计、工程施工、竣工验收的全过程，并且以节能环保、安全美观、经济适用为出发点，将其作为完整建筑工程体系的一个子单位或者分部工程,纳入到建设工程基本建设程序中，与建设工程项目施工的全过程保持着高度一致性与同步性的一种工程项目建设设计理念与工程名称。

2.2、光伏建筑一体化类型

建材型、建筑型及安装型是目前光伏发电系统与建筑相结合的主要形式。

2.2.1、建材型光伏发电系统

建材型光伏发电系统是太阳能光伏电池组件与建筑建材的结合物，两者组成了一个有机整体，利用这种复合光伏组件替代传统建筑屋面瓦、外墙砖等。该复合材料不仅具有建材基本特性及功能，而且还可以将太阳能转化为电能，可谓一举两得。如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材等都属于建材型光伏发电系统。

2.2.2、建筑构件型光伏发电系统

建筑构件型光伏发电系统是由各个光伏电池组件经过串并联连接的方式组合成型或者独立成型作为建筑构件的光伏构件。建筑构件型光伏组件可用于框架结构建筑物外围护墙板、幕墙、屋面板,把整个维护结构、墙体外立面或者屋面做成光伏阵列，可以吸收各种形式的太阳光照。目前，研制成型的大尺度彩色光伏模块，不仅可以美化建筑外观，而且充当着遮阳板、防雨棚及防护栏板的角色，既能实现光电转换,又具有一般建筑构件的使用功能。

2.2.3、安装型光伏发电系统

安装型光伏发电系统是指把包括平面板或曲面板在内封装成型的光伏电池组件按照一定倾斜角度架空安装在各种建筑物包括成片开发的住宅楼、商业写字楼、综合体及酒店的屋顶或墙面,再与系统控制器、储能装置、末端负载等装置相连组成离网型光伏发电系统;如果光伏发电系统不经过储能装置而直接通过并网逆变器将发出的电能转换成相位、频率等符合市电要求并接入到市政公共电网中即可组成并网型光伏发电系统。

3、光伏建筑一体化应用的关键技术问题

3.1、光伏电池的非线性特性

根据光伏电池输出特性可知当温度超过一定值时，光伏电池组件输出功率与温度呈负相关关系，即随着温度的升高光伏电池输出功率反而减小。因此,在实际工程应用中为了克服这一问题通常采用降低光伏组件表面温度的方法来提高光伏建筑一体化的发电效率。对于光伏幕墙系统，建筑施工中可以在玻璃幕墙上部顶端和下部底端等位置设置百叶窗，通过加速空气自然对流来达到降低光伏幕墙表面温度的目的，即所谓的“呼吸式太阳能光伏玻璃幕墙”。此外还可以在光伏阵列模块背面设置吸热装置和安装管路水流系统，该系统包括水箱、管道等主要机电设备以及支吊架、导轨、螺栓、管夹等管道支承件，通过水在管路中的循环流动带走热量,这样不仅可以降低光伏电池组件的温度，提高光伏发电效率,而且还有效地利用了余热获得热水，具有更好的节能效果。从环保节能的角度出发该方法与呼吸式太阳能光伏发电系统相比显然更加合理，但是该方法由于增加了相关机电设备，成本造价相对更高，并且对于建筑物的空间也有一定要求。在光伏建筑一体化系统的实际应用中需要根据项目具体情况与现场实际施工环境条件择优选择性价比最好的方案。

3.2、光伏电池的最佳安装倾角

倾角也叫倾斜角，是太阳能光伏电池组件安装成型后与水平地面之间的夹角，该倾角直接影响着光伏电池组件的输出功率，理想状态就是此安装倾角是光伏组件在全年中发电量最大时的最佳安装倾角。为了追求光伏电池组件输出功率最大化，必须保证光伏组件处于最佳安装倾角的位置，一年中该最佳安装倾角与当地地理纬度有关，当纬度较高时，倾角也相应大，在实际施工前要充分调研当地历史气象数据及相关地理信息，对搜集的历史数据进行统计分析，利用计算机相关辅助软件计算出最佳安装倾角。确定最佳安装倾角对于提高屋顶型光伏发电系统及成片规划建设的光伏电站发电效率具有显著的效果，可以提高光伏发电利用率，降低初期投入成本。

3.3、阴影与遮挡

工程实际应用中，安装光伏组件前必须对周围环境包括树木或建筑物高度及相对于本建筑物方位朝向进行考察，谨慎选择光伏组件的安装位置，尽量避免阴影与遮挡。相关实验测试表明阴影会影响光伏电池的性能，即使小部分的阴影遮挡也会导致严重、不成比例的能量损失。相关研究已经结果表明，阴影遮挡对光伏电池组件的输出电压和输出电流影响较为明显，当阴影遮挡面积达到50%以上时光伏电池组件输出功率将会降到原来的1%。

3.4、不均衡连接损失

光伏方阵是由一片片单体光伏组件所组成，各个组件之间也具有个体差异性，其输出电压、电流等性能参数也不可能完全一致，组成系统中的连接附件包括电线电缆、连接插头插座等构配件，其接触电阻也不尽相同，这样就会导致最小输出电流的组件会限制各串联光伏电池组件的输出电流,而最小输出电压的组件会限制各并联组件输出电压，由于各组件输出特性的不均衡性就会导致连接损失产生，即各个单体组件的输出效率之和高于方阵总效率。所以为了尽量减小连接损失，必须严格把关光伏方阵的选型，方阵组装前尽量选择型号规格参数一致的组件，并对每个单体组件的输出特性参数进行测试并做相关测试记录，根据测试记录比对分析进行筛选，然后分类整理组合，把输出特性相同、相近的组件进行组合。

4、结论

随着节能环保观念不断深入，国家相关法律法规的颁布实施，绿色建筑不仅是未来建筑行业发展的趋势，而且也是工程设计、施工企业的追求目标。光伏组件的产量化发展，相关技术不断成熟导致光伏发电系统成本造价越来越低,将其与建筑相结合组成的光伏建筑一体化系统兼顾建筑美学的欣赏价值与节能环保经济的实用价值，相信光伏建筑一体化必将引领未来建筑业发展的潮流。

参考文献：

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[2]李芳，沈辉,许家瑞.光伏建筑一体化的现状与发展[M].电源技术，2007,31(8):659-662.

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