太陽能光伏建筑一體化的分析與設計

郭 海

（福建九牧集團有限公司，福建 廈門 361004）

在全球能源日益短缺的今天，開發可再生能源已成為全世界面臨的重大課題。而光伏發電，尤其是光伏建筑一體化（BIPV）發電系統，就是利用安裝在建筑物或與建筑物結合在一起的太陽能電池（光伏電池）的光電效應，直接把太陽能這種可再生能源的輻射能轉變成電能的一種發電方式，它所生成的電能經過與其相配套的逆變控制器的轉換，直接滿足該建筑的用電需求。如果所生成的電能有富余，則會輸送給市政電網，如果電能不夠該建筑的使用，則直接從市政電網饋入（如圖1所示）。據統計，建筑物能耗至少占世界總能耗的 30%，BIPV將是未來光伏發電的最大市場，太陽能電源系統與建筑物的結合，將使太陽能電源向替代能源過渡，成為世界能源結構中的重要組成部分，從而根本改變太陽能電源在世界能源中的從屬地位。

圖1 光伏建筑一體化（BIPV）并網太陽能發電系統原理

太陽投向地球的能量資源是無窮大，永不枯竭的，從而使光伏建筑一體化的太陽能發電系統具有諸如清潔并減少溫室氣體排放、平衡電網負荷、降低電力輸送成本等優點。

太陽能光伏建筑一體化發電系統通常采用與公共電網并網的形式，包括設計條件、光伏組件設計以及逆變器、配套設備、硬件設施等在內的系統設計。

1 光伏建筑一體化的設計條件

1.1 設計步驟

光伏建筑一體化太陽能發電系統的設計步驟包括當地資源和情況的可行性研判、太陽能光伏組件及電池容量的計算、包括逆變器等在內的系統設計（如圖2所示）。

圖2 光伏建筑一體化太陽能光伏發電系統的設計步驟

1.2 設計要點

1）太陽能光伏電池板要與建筑物外形及周邊環境協調。

2）在不影響建筑物結構和造價允許的情況下，盡可能多的布置太陽能電池板。

3）如果太陽能光伏電池的發電容量不是非常大，就盡可能將控制器與逆變器結合為一體，具體情況見表1。

1.3 設置地點和建筑物的條件

廈門地處我國東南沿海地區，地點在東經118°04′04″、北緯 24°26′46″，平均海拔 201m，年平均氣溫在21℃左右，平均濕度76%，年平均降雨量在1200mm左右，每年5月至8月雨量最多，風力一般為3～4級，每年會受3～5個臺風影響，年日照輻射量在5000～6000MJ/m2范圍內，要滿足抗風壓（130km/h，2400pa）及抗直徑 25mm 冰雹（以 23m/s）的沖擊。

要根據現場條件、現有狀況可以鋪設多少太陽能電池板，并確定太陽能電池方陣的安裝位置，可根據場地的大小和每塊太陽能電池組件的尺寸進行布置，盡量在朝南方向單排安裝，如果一排安裝不下，可分幾排安裝，但在計算過程中要考慮建筑物、樹木的遮擋，以及電池板的傾斜角。本例中，通過現場實際勘察，廈門某小區共有6棟各6層的坐北朝南居民建筑物，小區雖有綠化，但沒有高的樹木，周圍也沒有其它高的建筑物或鐵塔，因此周邊環境不會對太陽能電池形成陰影。同時經測量每棟建筑物屋面尺寸分別為36m×12m，考慮到安裝以及將來的維護通道，每棟建筑物屋面的有效尺寸為 33m×10m。光伏發電系統所輸送的電能將與小區配電系統并網連接。

2 光伏建筑一體化發電系統中太陽能光伏方陣的設計

2.1 BIPV中光伏組件的技術要求

1）基本原則：滿足平均天氣和建筑物條件下，盡可能增大光伏板方陣的面積，從而發出更多電能。

2）合格的電池組件應該達到一定的技術要求：

（1）光伏組件在規定工作環境下，使用壽命應大于 20年（標準的環境是 AM1.5，太陽輻射量1kW/m2，環境溫度為25℃）。

（2）光伏組件在20年壽命期內，其功率衰降不得低于原功率的80%。

（3）光伏組件的電池上表面顏色應均勻一致，無機械損傷，焊點及互連條表面無氧化斑。

（4）組件的每片電池與互連條應排列整齊，組件的框架應整潔無腐蝕斑點。

（5）組件的封裝層中不允許氣泡或脫層在某一片電池與組件邊緣形成一個通路，氣泡或脫層的幾何尺寸和個數應符合相應的產品詳細規范規定。

（6）組件的功率面積比大于65W/m2，功率質量比大于4.5W/kg，填充因子FF大于0.65。

（7）組件EVA的交聯度應大于65%，EVA與玻璃的剝離強度大于30N//cm，EVA與組件背板材料的剝離強度大于 15N/cm（EVA膠膜是乙烯和醋酸乙烯脂的共聚物，是一種熱固性的膜狀熱熔膠，是電池封裝的黏結材料）。

（8）組件在正常條件下的絕緣電阻必須大于200M?。

表1

（9）組件的一些重要性能參數：轉換效率N≥85%；填充因子FF在0.5～0.8之間；36片電池片串聯的組件峰值電壓為17～17.5V；36片電池片串聯的組件開路電壓為21V左右。

（10）有著可靠的防雪、防結露、防過熱、防沙塵、防雷、抗雹、抗臺風和抗震等技術措施。

2.2 太陽能光伏方陣的最佳傾角的確定

在光伏建筑一體化發電系統設計中，光伏方陣的放置角度對光伏系統的接收到的太陽輻射有很大影響，影響到整個光伏系統的發電量。雖然光伏方陣的放置形式有固定式和自動跟蹤式，但自動跟蹤式的初期安裝和維護成本比較高，本文不做考慮。我國地處北半球，太陽能光伏方陣通常朝南安裝，但光伏方陣安裝的傾角不能估計，也不能籠統的定義為當地的緯度，需要通過計算確定，如果采用固定式的安裝方式，一旦完成安裝，光伏方陣就不能再進行調整。

對于負載負荷均勻或近似均衡的光伏建筑一體化光伏系統，太陽輻射均勻性對光伏發電系統的影響很大，對其進行量化處理而引入一個量化參數，即輻射累計偏差δ，其數學表達式為

式中，Htβ為傾角β的斜面上各月平均太陽輻射量；Htβ為該斜面上的年平均太陽輻射量，M(i)為第i月的天數。可見，δ的大小直接反映了全年輻射的均勻性，δ越小輻射均勻性越好。按照負載的負荷均勻或近似均衡的太陽能光伏系統的要求，理想情況當然是選擇某個傾角使得Htβ為最大值，δ為最小值。但實際情況是，二者所對應的傾角有一定的間隔，因此選擇太陽能電池組件的傾角時，只考慮最大值Htβ或取δ最小值必然會有片面性，應當在二者所應的傾角之間進行優選。為此，需要定義一個新的量來描述傾斜面上太陽輻射的綜合性，稱其為傾斜輻射系數，以K表示，其數學表達式為

式中，H為水平面上的年平均太陽輻射量。由于Htβ與β都與光伏電池組件的傾角有關，所以當K取極大值時應當有(dK/dβ)=0。求解上述三式，即可求得最佳傾角。通過上述方法的計算，可以求出廈門地區的太陽能電池方陣的安裝傾角為29.6°，為方便計算，我們取為30°。

2.3 太陽能光伏電池板的有效面積的確定

廈門處于北緯24°26′46″，光伏方陣也將安裝在屋面上，方向朝南，并與屋面成 30°安裝傾角。通過現場測量和計算，得到以下結果：①屋面的有效尺寸33m×10m，且電池方陣傾角30°；②即10/(cos30°)= 11.55，③所以太陽能電池方陣的有效尺寸是33m×11.55m。

表2

通過表2得到2009年廈門市太陽能年輻射量為5505.11MJ/M2，即 1529.20kW·h/m2r。

2.4 BIPV中光伏發電系統容量的設計

太陽能光伏系統容量設計的主要目的就是要計算出系統在全年內能夠可靠工作所需的太陽能電池組件的數量，同時也要協調系統工作的最大可靠性和系統成本之間的關系，在滿足系統工作的最大可靠性基礎上盡量地減少系統成本的投入。建筑光伏一體化（BIPV）太陽能發電系統的光伏發電量，通常使用以下公式進行計算:

年發電量(kW·h)=當地年總輻射能(kW·h/m2)×光伏方陣面積(m2)×電池組件轉換效率×修正系數，即P=HANK(N=單晶硅 13%，多晶硅 11%，本案例使用多晶硅)=1529.2×(33×11)×13%×0.8×0.92×0.92×0.95×0.85=39456.85(kW·h)(年發電量)

其中，當地年輻射量的數據取自表1，而K分別由k1，k2，k3，k4，k5，k6組成，k1為太陽能電池長期運行性能衰降修正系數，常為 0.8；k2為灰塵遮擋引起太陽能電池板透明度修正系數，常為0.92；k3為太陽能電池溫升導致功率下降修正系數，常為0.92；k4為導電損耗修正系數，常為0.95；k5為逆變器效率，常為0.85；k6為太陽能電池板朝向及傾斜角修正系數，常為0.93。

2.5 光伏組件的電路

（1）光伏組件的等效電路見圖3。

如圖3所示，當有太陽照射時，太陽能芯片ISC接收陽光，整個電池連接負載（R）后形成一個閉合電路，也就是電池向負載送電能，負載的電壓為U，電流I；而圖3說明了太陽能光伏方陣是由電池組件、旁路二極管、帶避雷器的直流接線箱構成。

圖3 太陽能光伏電池等效電路

圖4 太陽能電池方陣電路圖

2.6 BIPV中發電系統容量中的光伏方陣數量的計算

因為 BIPV中的發電系統，是在現有建筑物上盡可能鋪設太陽能電池板，在設計過程從常用太陽能光伏電池中選擇與現有建筑物（例如屋面）尺寸相匹配的組件。在本案例中，通過現場實測和計算，已經知道每棟建筑物屋面的太陽能光伏方陣的最大尺寸范圍是33×11m，通過計算和比較，選擇常規組件的尺寸為1485×665mm，峰值電壓為17.2V，峰值電流為6.31A，峰值功率110W的太陽能光伏組件。當然，也可以按照屋面現有尺寸重新加工太陽能光伏組件，但成本會高很多。

1）太陽能光伏方陣的總數量：

2）太陽能光伏方陣的組件的串聯數量：380/17.2≈22塊（市政電網電壓是 380V，每個組件的電壓17.2V）。

3）太陽能光伏方陣組件的并聯數量：負載總負荷/單片組件負荷=(15×2×6×3)/(6.31)≈86 塊。

A．普通居民家庭負荷通常是3KW，也就是15A的電流（如表3所示）。

B．該小區每棟樓有 3個單元，每單元每層 2戶家庭，共6層。

2.7 BIPV中的光伏太陽能電池組件外型尺寸的確定

通過上述太陽能光伏方陣的相關數據的計算，并參考電池組件的技術要求，就可以選擇電池組件的技術規格并安裝太陽能光伏組件。像本案例一樣，對于已有建筑是直接在樓頂架設太陽能電池板（太陽能光伏方陣），一是減輕對屋面的破壞進而降低安裝成本；二是進一步提高散熱能力，太陽能電池板與屋面或地面都是成一定的角度（本案例的傾角是30°），也就是在太陽能電池板的下面有一定的空間，從而更容易將太陽能電池組件所散發出的熱量散去，提高太陽能光伏組件的發電功率和發電效率。另外，如果是現有建筑，尤其是新建筑，除屋面外，在建筑的南側，甚至東側或西側的外墻都用太陽能電池板代替建筑外墻磚，就能更加提高太陽能光伏方陣的發電量。通過以上分析，擬選擇規格尺寸為1485mm×665mm的多晶硅電池組件作為本案例的太陽能光伏方陣。而通過計算可知六棟樓的年發電量為236,741.1kW·h/y。

表3

3 光伏建筑一體化發電系統中逆變器控制器的設計

3.1 逆變控制器的功能

對于BIPV系統，因需要向交流負載或市政電網供電，必須配備相應的逆變控制器，其主要有逆變、控制、保護功能，具體作用是將直流電變換為交流電，同時對所轉換交流電的頻率、電壓、相位、有功與無功、同步、包括電壓波動和偕波在內的電能品質等進行控制。而并網光伏系統的輸入電壓是每塊組件輸出電壓（一般為17V或35V左右）的整數倍，其額定功率應稍大于太陽電池方陣的輸出功率，整個系統還必須配備必要的檢測、并網、報警、自動控制、測量及顯示等一系列功能，特別是必須具備防止“孤島效應”的功能，以確保光伏系統和電網的安全。

3.2 逆變控制器的設計要求

BIPV的光伏發電系統將與市政電網并網運行，對逆變控制器提出了較高的技術要求：

1）要求逆變控制器輸出波形失真度不超過5%的三相正弦波電流。光伏系統饋入公用電網的電力，必須滿足電網規定的指標，如逆變控制器的輸出電流不能含有直流分量，高次諧波必須盡量減少，不能對電網造成諧波污染等。

2）要求逆變控制器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行。光伏系統的能量來自太陽能，而日照強度隨氣候而變化，所以工作時輸入的直流電壓變化較大，這就要求逆變控制器能在不同的日照條件下均能高效運行。

3）要求逆變控制器能使光伏方陣工作在最大功率點。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負載的變化有關，即其輸出特性具有非線性關系。而且在穩態運行時，電壓波動范圍應有限定，其偏差不超過額定值的±3%，負載調整率應≤±6%；在負載突變或有其他干擾因素影響的動態變化情況下，其輸出電壓偏差不超過額定值的±8%或±10%。這就要求逆變控制器具有最大功率跟蹤功能，即不論日照、溫度、電壓等如何變化，都能通過逆變器的自動調節實現方陣的最佳運行。

4）要求逆變控制器具有體積小、可靠性高、噪聲低等特點。對于戶用的光伏系統，其逆變控制器通常安裝在室內或掛在墻上，因此對其體積、重量均有限制。另外，對整機的可靠性也提出較高的要求。由于太陽能電池的壽命均在20年以上，所以與其配套設備的壽命也必須相當長。

5）在有些場合，要求在市電斷電狀況下，在有日照時逆變控制器能夠單獨供電。又由于逆變控制器由光伏發電系統供電，不消耗公網電力。在低日照強度下，逆變控制器應能保持穩定運行。現代的光伏發電系統在 50W/m2的日照強度下，即可以實現向公共電網供電；而且即使逆變控制器在額定功率10%的輸入情況下，也能保證90%的轉換效率。

6）光伏建筑一體化逆變控制器還必須具有一系列防雷擊、過電流、過熱、短路、反接、直流電壓異常、電網電壓異常等檢測、保護及報警功能。特別是電網突然發生故障時，逆變控制器必須將BIPV光伏發電系統能夠自動從主網解列或在極短時間內斷開（喪失主電網電壓、短路在0.1s、反向/逆向電流保護在0.5s、絕緣破壞或者孤島效應2s），以保障電網和太陽能發電系統的安全運行。

3.3 孤島效應的危害

由于光伏建筑一體化發電系統是直接將太陽能逆變后饋送給電網或用戶，所以需要各種完善的保護措施。對于通常系統工作時可能出現的方陣或功率器件過流、過壓、欠壓、過熱等故障狀態，可以通過逆變控制器里的硬件電路檢測，配合軟件加以判斷、識別并進行處理。但光伏建筑一體化發電系統，還需要考慮當市政電網因故障而跳脫時，就出現一個BIPV發電系統與用戶的負載形成市政電網無法掌控的自控孤島（如圖 4所示），如果孤島運行發生，太陽能光伏發電系統就必須同電網斷開，否則既會給維護檢測人員帶來危害，又會影響恢復供電后的供電質量。而如果控制系統能不斷地檢測電壓波形和相位等變化要素或者經常輸入周期性地頻率，就能檢測這些脈沖。

圖5 光伏建筑一體化的功率流向

光伏建筑一體化發電系統必須萬無一失地防止孤島效應的發生，因此，其逆變控制器必須具有反孤島效應的功能。國際能源委員會專門制定了標準IEEEStd.2000-929和UL1741特別強調了逆變控制器的反孤島效應功能，同時給出了逆變控制器在市政電網斷電后檢測孤島現象標準，并限定了逆變控制器在市政電網斷開時間（見表4），這些對于我們設計和選擇逆變控制器時又多了些技術要求。

表4

4 太陽能光伏建筑一體化發電系統附屬設施的設計

BIPV發電系統附屬設施主要包括交流配線系統、直流配電系統、以及運行、監控、檢測、防雷、接地系統等。

4.1 交流配電系統

裝設電隔離、漏電保護開關，以便維護和故障處理，同時為了防止雷擊，在交流電網輸出側裝設避雷器。另外，裝有智能化計量儀表、濾波器，經技術部門鑒定的電流、電壓、電量、功率因數等儀器，監測送入電網的電量特性，記錄系統的各種電氣性能參數，包括環境輻射、溫度、風速、大氣污染、發電系統等的參數，以及交流過壓、欠壓保護、電網頻率異常保護、過載保護等功能的設置，都為光伏發電系統的運行提供相關依據。

4.2 直流配電系統

采用不同線徑的電纜，將太陽能光伏電池分組串聯，并滿足市政電網對電壓的要求；再將每組光伏電池并聯，滿足負載對發電功率的要求，最終構成太陽能光伏方陣。每組光伏電池輸入側都裝有隔離二極管、防反二極管，防止出現逆流現象，以便進一步保護電池板。配電盤還裝有吸收浪涌的壓敏電阻，并在電池輸入側裝有避雷器，防止雷擊對系統造成損壞和電流倒灌。而直流過壓、欠壓保護、直流接地漏電保護、模塊保護的設置，以及光伏電池方陣的電線、電纜全部封閉在電纜橋架里的實現，減少外部環境的影響，提高光伏發電系統的可靠性和穩定性。

4.3 其他輔助配套設施

光伏建筑一體化太陽能光伏發電系統中的監控設施，可以配合逆變控制器對整個系統進行實時監視記錄和控制，并將故障、報警、及相關參數的設置進行記錄，還可以通過網絡進行數據傳輸。而光伏發電系統中的大部分都處在露天中，并且分布面積大（本文案例中單棟建筑物的太陽能光伏方陣面積就達360m2），存在著直接和間接雷擊的危害。

同時光伏發電系統與其相關設施及建筑物有著直接的連接，就會對光伏系統的雷擊還涉及到建筑物、相關用電負荷及設施，就更需要將光伏發電系統進行防雷和接地分別單獨設置。

在完成光伏發電系統及相關設施的設計、選型后，就可以進行相關輔助配套設施的設計和選型，比如光伏方陣的支架、電氣開關、電氣電纜、配電箱，以及相關監控、防雷、保護的電氣配件等，從而按照光伏、電氣、建筑的相關規范完成光伏建筑一體化的太陽能光伏發電系統最終設計。

5 BIPV發電系統的效益和發展前景

1）效益分析

其一，經濟效益方面，按照廈門市目前居民電價0.45元/kW·h（每戶月度用電＜150kW·h），該案例中六棟居民小區每年可節省電費10.65萬元。按照太陽能光伏方陣的最低壽命20年計算，該案例中六棟普通居民住宅的光伏發電系統累計可發電473.4萬kW·h，20年總計節省電費213.03萬元，而且具有極低的運行和維護成本（幾乎接近零），也就是節省了運行成本，而事實上，20年僅僅是光伏方陣的最低使用年限，光伏方陣發電系統在運行20年后，仍然具有發電能力。

其二，環保方面，在廈門市的該案例中案例中六棟普通居民住宅的光伏發電系統的年發電量約為23.67萬kW·h，按目前中國火電廠煤耗，每年可節省標準煤約92.75t，年粉塵減排量約1.16t，年灰渣減排量約24.39t，年二氧化碳減排量約41.06t，年二氧化硫減排量約1.85t。

其三，社會效益方面，太陽能光伏系統與建筑的完美結合，充分體現了低碳、綠色、可持續的科學發展理念，也為廈門進一步增添了“宜居”元素。同時，也為海西乃至全國的高科技普及教育，以及節能、環保的倡導和宣傳，起到了促進作用。

2）未來展望

雖然太陽能光伏建筑一體化有著很好的經濟、環保和社會效益，但初次高的改造和安裝成本暫時制約了其發展。這主要是太陽能光伏方陣的晶體硅成本很高所至。前幾年我國的BIPV的造價大約為50元/W（25萬元/100mm2），歐美日本等國大約為3～4美元/W，由于研發的提高和技術的成熟，到2010年底，歐美日本等國的BIPV的建造成本可以降到6美分/ W·h，相當于4元/W·h，經專家預測，再過十年，BIPV的建造成本可以降到火電發電的成本，再加上其20～50年極低運行成本的使用期，太陽能光伏建筑一體化發電系統將是21世紀新能源發展的新趨勢。

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[10] 廈門專業氣象臺提供 2009年廈門市的太陽輻射等氣象數據.