太阳能光伏建筑一体化设计与施工概述

太阳能光伏建筑一体化设计与施工概述

赵旭阳 马潇洋

陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西  西安   710000

摘要：随着可再生资源的减少和生态环境的不断破坏，对清洁能源的需求越来越迫切，太阳能光伏系统通过组件将太阳能转化为电能，以满足工厂和居民的日常用电需求。太阳能建筑一体化设计(BIPV)是将太阳能产品和结构应用到建筑中，利用建筑的结构特点充分利用太阳能，从而实现太阳能建筑的一体化。既有利于保护生态环境，又起到美化建筑的作用，是未来太阳能光伏发电技术发展的重要方向。摘要:本文主要分析了太阳能建筑一体化的基本概念、优缺点以及系统构建、设计要点和分析要点，为太阳能建筑一体化的发展提供微薄之力。

关键词：太阳能；光伏发电；建筑施工；设计

引言

随着全球气温的上升和能源资源的减少，节能减排和生态环境保护已经成为全世界追求的共同目标之一。电能是日常生活和工业生产中不可缺少的基本能源，但传统的发电方式不仅消耗大量化学燃料，而且排放大量污染物。因此，新能源的使用可以解决不可再生能源的问题，实现自然资源的利用。最常见的自然资源是风能、太阳能和水能。

太阳能与建筑一体化是近年来的一种流行趋势，它不仅实现了能量的收集，而且充分利用了建筑的外部空间。

1太阳能光伏建筑一体化综述

1.1太阳能建筑一体化的基本概念

太阳能建筑一体化是指太阳能产品与建筑的结合，利用建筑特点对太阳能系统进行整合，从而实现太阳能和建筑的有机结合。但太阳能建筑一体化不是简单的叠加，而是兼具两者特点的新产品。在建筑设计过程中，应将太阳能系统的特点和要求作为建筑设计要素的重要组成部分，在不影响原有建筑功能的前提下，确保太阳能系统作为建筑构成的一部分而存在。

1.2太阳能光伏建筑集成发电系统组成

光伏系统的结构组成图主要包括光伏阵列、逆变器和变流器。太阳能光伏建筑集成发电系统主要包括光伏矩阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

1.2.1光伏阵列设计

设计光伏方阵时，需要从与建筑的融合和采光本身两个方面入手:①保证最终安装的光伏方阵的墙面颜色和板材尺寸与建筑本身基本一致，避免最终建筑的美观性下降；②安装时应考虑采光量、朝向和倾角。

1.2.2光伏模块设计

在选择光伏组件时，还会考虑光伏组件在建筑物上的型号、功率和布局。

1.2.3光伏发电系统的设计

系统设计主要是确定系统类型，根据建筑功能和太阳能光伏性能要求，确定选择并网系统还是独立系统，确定系统中的控制器和逆变器。

1.3太阳能建筑一体化设计的优势

（1）方案设计过程中，光伏发电与建筑充分融合，结构合理，在满足建筑和发电要求的基础上，降低整体工程成本；

（2）将太阳能与建筑空间和结构巧妙结合，最大限度地利用建筑空间；

（3）光伏系统安装和建筑施工同时进行，一步到位，避免后期施工对用户使用和原建筑本身结构的影响

2光伏建筑一体化设计要点分析

2.1在系统配置方面---集成设计

太阳能建筑一体化设计是在建筑设计中系统地应用太阳能主动技术和太阳能采暖、太阳能热水、太阳能空调、太阳能公共照明、光伏发电等各种可能的被动措施，通过对建筑所在区域的场地、气候、建筑建材等进行分析，确定实现光伏发电的具体技术方案和光伏系统所需的材料、型号、功率。

2.2满足建筑功能和光伏效率

将光伏发电与建筑本身相结合，既增加了建筑的外观和美感，又解决了发电场地的问题，实现了太阳能的转化。然而，在BIPV发展初期，由于技术的不完善和原材料配额的限制，在建筑与光伏系统相结合的设计中，不仅会对建筑的功能和结构造成一定程度的破坏，还会满足一定的光伏转换效率，因此，光伏建筑的一体化需要得到重视和解决。通常，商业建筑设计侧重于公共空间、服务空间和辅助空间。光伏建筑一体化技术最适合的区域是建筑公共空间，通常对照明没有更多要求，甚至允许全室内照明。在该地区实施光伏建筑一体化建设时，可以通过布置方案在建筑顶层进行，利用电池的布置将轻质幕墙玻璃应用到建筑外墙，这是行业进步的结果。

2.3光伏发电效率和支持系统

光伏建筑一体化设计过程中，首先根据项目所需的发电量计算确定发电效率，根据建筑结构和光伏发电需求确定最终的支撑系统，包括光伏发电矩阵、光伏组件和发电系统。设计光伏阵列和光伏组件时，需要从两个方面入手:①保证最终安装的光伏阵列的墙面颜色和板材尺寸与建筑本身基本一致，避免降低建筑的美观性；(2)需要考虑其采光能力、安装方位和倾角以及自身功率、型号等。

3光伏建筑一体化施工工艺

3.1安装光伏电池阵列

3.1.1固定安装

安装太阳能电池组件时，应优先考虑整个安装的便利性和安全性。部件安装在北半球时，安装方式朝南，倾角接近当地纬度[3]。安装电池模块后，根据不同月份或季节的不同太阳能高度调整倾角，提高系统的发电量。

3.1.2单轴跟踪

在安装传统太阳能光伏组件阵列时，采用单轴跟踪的方法，可以将整个光伏系统的日平均发电量提高到原发电量的1.2倍左右。在单轴跟踪模式下，当单轴与地面保持同一水平，即其角度为0°时，称为水平单轴跟踪模式。当单轴旋转轴与地面的夹角为光伏项目所在区域的纬度值时，这种模式称为极轴单轴跟踪模式。

3.1.3双轴跟踪

双轴跟踪器，也就是能在两个俯仰角都能跟踪云顶的跟踪系统，可以很好的利用太阳能。在双轴跟踪器中，地球位于不同的地理位置，增加功率时就不一样了。

3.2电缆敷设

在该系统中，从太阳能模块到逆变器和控制保护单元之间的DC输入连接的电缆采用镀锡铜线或铝线。

在太阳能电池组件的连接过程中，需要引出两根电缆，分为正极和负极，因此在连接前必须确定极性，以避免正负极反向连接。

从联箱到变频器的接线应在联箱内并联，并在电缆上标明元件串的序号，接线时应使用铵标和图纸。

交流输出侧供电电缆采用铜芯PVC绝缘电缆，逆变器输出电缆接至并网配电柜并做好标记。

3.3并网逆变器的安装

目前，光伏发电系统中最常用的逆变器有两种，即组串联逆变器和集中式逆变器。组串联逆变器具有体积小、安装方便的优点，不仅可以作为系统中的单个组，还可以将多个逆变器连接到不同的MPPT通道，从而可以输出最大功率。

安装变频器时:①在设备运输过程中，减少对设备的剧烈碰撞和磨损，从而减少对设备的损坏；②安装前，必须开箱检查变频器的型号和规格是否与设计方案一致，并检查变频器的完整性，防止设备损坏；③安装设备时，必须与后壁保持至少1m的距离。

4结束语

随着全球科技的快速发展和工业水平的大力提高，传统能源和全球生态环境都受到了严重的危害，为了有效促进节能减排和保护全球生态环境，合理有效地开发和利用可再生能源已经成为世界各国共同研究和关注的问题之一。前不久，“钢铁侠”马斯克宣布光伏屋顶将成为斯特拉未来的主要业务之一，全球能源巨头杜克能源(DukeEnergy)向可再生能源投入近4000亿元的消息震惊了光伏界，充分展示了太阳能光伏在能源时代的重要性。中国也加大了分布式电网的发展力度，对光伏建筑一体化给予了一定的政策倾斜，同时出现了大量的光伏材料供应商。因此，大力发展BIPV是适应国家能源战略调整，实现未来电网智能化的必要手段。

参考文献

[1]王立乔，孙孝峰.分布式发电系统中光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2014：78-90.

[2]沈文忠.太阳能光伏技术与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2013：202-224.

[3]李清然.分布式光伏发电系统对配电网电能质量的影响研究[D].北京：华北电力大学，2016.

[4]窦海林，王波，张靖宇.光伏建筑一体化技术研究进展[J].江西建材，2017（1）：54-55.