建筑光伏系統工程設計要點研究

中國科學院電工研究所 ■ 呂芳 馬麗云

一 引言

近年來，隨著光伏系統成本的迅速下降，光伏發電在全球范圍內得到了迅速發展和廣泛應用，截至2010年底，全球建筑光伏系統的累計裝機容量約有23.4GW，高達光伏累計裝機容量的66.8%，其中，前五位國家依次為德國(14.9GW)、日本(3.5GW)、美國(1.7GW)、意大利(1.5GW)和法國(0.8GW)。

中國建筑光伏產業發展較晚，直到2010年底，累計裝機容量僅有256MW。為促進我國建筑光伏產業的快速發展，我國政府先后出臺各種激勵政策，其中以光電建筑項目和金太陽示范工程項目影響最大，從2009～2012年，光電建筑項目和金太陽示范工程均累計實施了四期，共核準光伏項目3.4GW，四年間累計投入資金超過200億元。截至2012年底，建筑光伏累計實際安裝量為2.39GW，占當年整個光伏市場的份額上升至34.1%。

目前我國建筑光伏已經從試點示范發展至應用推廣階段，隨著建筑光伏的產業化進程，建筑光伏技術也得到迅速發展，但是由于建筑光伏涉及到的專業多，應用環境復雜多樣，因此我國建筑光伏技術還處于初級階段，與歐洲、日本、美國等國家還具有一定差距，因此對于建筑光伏技術的探索和研究就顯得較為重要。

本文從系統應用的角度，結合實際的工程經驗，對建筑光伏一體化工程設計進行了分析、歸納和總結，從建筑特性和光伏特性兩個方面歸納總結出建筑光伏一體化工程設計的若干要點。

二 建筑光伏的工程設計要點

按照與建筑結合的安裝方式的不同，建筑光伏系統可分為光伏建筑集成或光伏建筑一體化系統(Building Integrated PV，BIPV)和光伏建筑附加(Building Attached PV，BAPV)。這兩種形式的建筑光伏系統在我國都有應用，下面對建筑光伏系統分別從建筑的角度和光伏技術的角度對其工程設計經驗進行總結。

1 建筑光伏的建筑屬性

(1)建筑光伏的力學要求

在建筑光伏系統中，光伏方陣支架的鋼筋混凝土基座的主筋應錨固在主體結構內，當無法進行錨固時，應采取措施加大基臺與主體結構間的附著力。連接件與主體結構的錨固承載力應大于連接件本身的承載力，任何情況不允許發生錨固破壞。采用錨栓連接時，應有可靠的防松、防滑措施。對蓄電池、逆變器等較重的設備和部件，應安裝在承載能力大的結構構件上，并進行構件的強度和變形驗算。

建筑主體結構在伸縮縫、沉降縫、抗震縫的變形縫兩側會發生相對位移，光伏組件跨越變形縫時易遭到破壞，造成漏電、脫落等危險，所以安裝光伏組件時不得跨越主體結構的變形縫。

(2)建筑光伏的恒荷載

對于在建建筑，光伏系統的荷載問題一般已提前考慮，這里主要介紹已建成建筑的荷載問題。對于屋頂光伏系統而言，當安裝屋面為上人屋面時，安裝光伏組件后，由于缺乏活動空間，可視為非上人屋面，屋面的使用屬性由上人轉變為非上人，由此而產生的光伏組件安裝荷載余量為1.417kN/m2，通常能滿足光伏組件的安裝需求。

當安裝屋面為非上人屋面時，安裝的光伏組件增加了屋面的恒荷載，這時需對屋面的承重進行仔細校核，若屋面沒有足夠承載力余量，直接安裝會給建筑的結構安全帶來威脅。這種情況下，對于跨度較小的建筑結構來說，通常將光伏支架直接生根于框架柱，避免其與屋面發生關聯，從而避免屋面恒荷載的增加；對于跨度較大的建筑結構，一般采用屋面加固的方法，但此方法成本較高。

(3)建筑光伏的風荷載

對于建筑光伏系統，光伏陣列的抗風能力設計是非常重要的。在既有建筑上安裝光伏系統，光伏陣列在設計與建筑的結合方式時往往不希望“生根安裝”，對于既有建筑安裝光伏，往往設計成配重抗風或集中連片的支架形式。

在采用適合的支架形式后，為保障建筑光伏的安全性，在進行建筑墻面安裝或屋面支架安裝時，光伏系統的風荷載應按國家標準GB 50009-2001《建筑結構荷載規范》(2006年版)設計，并應考慮：分離式光伏面板的風荷載應計入迎風面風荷載和背風面風荷載；支架的風荷載應計入面板傳來的風荷載和支架直接承受的風荷載；合一式面板系統應分別采光頂和幕墻的風荷載，按相應規范采用。

(4)建筑的美學要求

當太陽電池作為幕墻或天窗時，就會對太陽電池的顏色提出要求。對于非晶硅太陽電池，其本色已同茶色玻璃顏色一樣，很適合做玻璃幕墻和天窗玻璃。但對于單晶硅電池，一般采用腐蝕絨面的辦法將其表面變成黑色，安裝在屋頂或南立面，以顯得莊重；對于多晶硅太陽電池，在蒸鍍減反射膜時加入一些微量元素，可將太陽電池表面的顏色變成黃色、粉紅色、淡綠色等多種顏色。

除顏色外，普通光伏組件的接線盒較大并粘在電池板背面，BIPV建筑中要求將接線盒省去。普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在建筑結構中。

(5)建筑的功能要求

在建筑光伏系統中，光伏組件替代建筑材料或建筑模板，這種應用不同于單獨作為發電裝置使用，作為建筑的一部分，除發電外還需考慮建筑基本功能，如使室內與室外隔離、防雨抗風、隔熱隔音、遮陽等，使它能作為建筑型材料供建筑設計師選擇。

(6)安裝便利性的要求

為了與建筑結合和安裝方便，一般將太陽電池制作成太陽電池瓦，組件結構和安裝方式與普通的建筑用瓦并無差異；對于應用于光伏幕墻的組件，其邊框結構也要求與建筑幕墻的模數相同，安裝方式也要與普通幕墻玻璃一致。

如果采用普通光伏組件，則需制作專用托架或導軌，可方便將普通太陽電池安裝在其上；另外，太陽電池也常常被制作成無邊框組件，而且接線盒一般安裝在組件側面，以便于安裝。

在一些特殊應用場合，會對太陽電池組件的形狀提出要求，不再只是常規的方形，如圓形屋頂要求太陽電池呈圓帶狀，帶有斜邊的建筑要求太陽電池組件也要有斜邊，拱形屋頂要求太陽電池組件能有一定的彎曲度等。

(7)建筑光伏壽命問題

眾所周知，一般的混凝土建筑物設計壽命在50年以上，但普通光伏組件壽命只有25年，尤其是采用EVA膠的組件，相比之下采用PVB封裝的組件壽命會相對較長。建筑光伏系統中的關鍵設備光伏并網逆變器，通常壽命僅有8～10年，因此為保證光伏系統與光伏建筑的壽命相一致，需考慮光伏并網逆變器的定期更換問題。普通光伏系統的大部分連接線都是敞開在大氣中，空氣對流充分，溫度低，BIPV建筑系統中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結構中，溫度不易散去，電線電纜的壽命也受到影響，因此對BIPV建筑系統中電線的要求更高。綜上可知，在建筑光伏系統設計中需統籌考慮各個部件，使其使用壽命或與建筑本身協調一致，或做到易于更換。

2 建筑光伏的光伏特性

(1)組件排布及容量設計

建筑光伏中的光伏系統最大裝機容量主要受方陣安裝條件和建筑配電容量兩方面的限制，也就是說應取兩者中的較小值。建筑配電容量的限制，主要是基于光伏發電的不穩定性對建筑配電網絡產生的影響。在Q/GDW 480－2010《分布式電源接入電網技術規定》中，要求分布式電源總量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%，光伏發電只是抵消基荷和一部分腰荷的用電，這在很大程度上保證了光電建筑不會對上級電網反送電，從而消除因光伏出力的不穩定性造成用戶側電壓的波動。

(2)電氣設計

建筑光伏系統中，若光伏電站安裝于集中大面積的水平屋頂上，從成本上考慮，仍建議采用集中型并網逆變器；對于BIPV系統，由于光伏組件安裝角度多樣，電池組件安裝地點分散，一般建議采用小功率逆變器或者使用組串型逆變器。

所有建筑內使用的電纜均應為阻燃型電纜。在某些應力較大的場合，應使用鎧裝電纜。當用于光伏發電的電纜需與建筑配電電纜敷設于同一槽、孔、橋架內時，宜選用與建筑配電電纜相同材料的電纜。在人手可觸及的電纜敷設場合，電纜外皮的溫度不應高于70℃。在嚴寒的環境中，室外敷設的電纜要求耐低溫。當電纜布線需穿墻時易造成“冷橋”，應做特殊斷橋和保溫構造處理。

對于以低壓380V接入市電的系統，對配電網影響最大的因素就是配電網末梢電壓的升高，尤其是出現逆功率時，這種電壓的升高會更加明顯。電壓升高超限會對用電設備造成損害，如果采用不可逆并網方式，應設置逆功率保護。

(3)監控通訊設計

光伏建筑一體化項目的通訊通常采用無線和有線兩種方式。無線主要包括：Zigbee和GPRS用于RS485、WIFI用于以太網；有線主要包括：雙絞線用于RS485和以太網、同軸電纜用于以太網和視頻信號、光纖用于以太網。

對于光伏建筑一體化項目，通常設置監控的位置主要有智能型光伏匯流箱、逆變器、多功能表和環境監測儀。對于需升壓的項目還包括微機綜合自動化系統。微機綜合自動化系統一般用于變電站。站內的每臺高壓開關柜都是一個獨立的監控子系統。這些子系統將繼電保護功能和監控功能等集成在一起，實現就地數據采集和就地控制，并提供遠動通道。

(4)防雷接地設計

建筑光伏系統應采取防雷措施，其防雷等級分類及防雷措施應遵守國家現行標準GB50057《建筑物防雷設計規范》的相關規定。

防雷分為防直擊雷和防感應雷。防直擊雷的基本措施是安裝避雷針；防止感應雷的基本措施是：在接線箱內及配電盤內安裝避電器AC220V(內設切斷裝置)；在太陽能光伏方陣的主回路內安裝浪涌保護器。

光伏接地應充分利用建筑的接地系統。如無特殊要求時，應盡量采用聯合接地。通常對各部分的接地電阻要求為：防直擊雷的設施要求接地電阻不大于10?；電氣設備的接地電阻不大于4?；通訊信號網絡的接地電阻不大于1?。

方陣自身應將所有組件的金屬邊框和金屬支架有效連接在一起形成等電位體。由于組件邊框的外層氧化鋁是絕緣的，因此通常用黃綠接地線將組件的接地孔與金屬支架連接。

(5)建筑光伏的通風降溫

晶體硅太陽電池的發電效率隨著溫度的升高而降低，因此它靠近幕墻的部分需考慮通風降溫的問題；非晶硅光伏組件的發電效率受溫度的影響很小，因此通風降溫的問題并不突出。

對于光伏板的降溫設計可使用雙層墻系統，或將光伏組件產生的熱量收集起來，用水或空氣循環散熱，這樣產生的熱水可供人使用，產生的熱空氣冬天可用于加熱房間溫度。

(6)消防設計

隨著光伏發電系統的廣泛應用，光伏發電系統的防火問題也越來越突出。調查結果顯示，引起火災最多的原因是電弧，其次是防火措施不到位，由于分斷延遲引起火災的概率較小，發生火災的部件主要是光伏組件和匯流箱，交流側很少發生火災。

雖然國內尚未聽說光伏發電系統引起火災的情況，但是一旦發生火災，由于光伏方陣的直流電系統難以解列，火災將會產生較為嚴重后果，因此防患于未然就顯得萬分重要。對于光伏電站火災的防范主要從火災發生的原因入手。

光伏系統的具有數百伏的直流電壓電，易發生電弧。電弧發生主要有串聯回路電弧、并聯回路電弧和對地產生電弧三種情況。串聯回路的電弧是最經常發生的，通過斷路器斷開回路是最好的滅弧手段；對地產生電弧的原因是絕緣失效，因此對地絕緣電阻或對地漏電流的監測是防止對地電弧的有效手段；直流側并聯回路的電弧目前還沒有更好的滅弧手段，但只要采用雙層絕緣的直流電纜，并聯回路的電弧也很少發生。但如果串聯回路的電弧不能及時消除，會引發并聯回路電弧。

三 結論

在建筑光伏一體化系統中，既要考慮到其作為光伏發電裝置的特點，如組串、陰影遮擋、交直流電氣系統設計等，同時也要考慮到其作為建筑的一部分，應具備的建筑屬性，如建筑的遮光、防寒保暖等建筑屬性。總之，建筑光伏一體化并非是建筑與光伏組件簡單的“堆砌”，而是建筑特性和光伏特性在建筑光伏中的有機結合，建筑光伏系統充分發揮了光伏方陣的建筑特性和綠色電力特性，為節能建筑和光伏電力發展提供了一條創新之路。

[1] 郝斌, 李現輝. 太陽能光伏建筑一體化探討[J]. 建設科技, 2009,(20): 32－34.

[2] 馬文生, 郝斌. 光伏建筑一體化相關問題的探討[J]. 可再生能源, 2011, 29(1): 94－97.

[3] 張昕宇, 何濤, 徐偉. 太陽能光電建筑應用技術要點解讀[J]. 太陽能, 2012, (2): 9－11.

[4] 肖瀟, 李德英. 太陽能光伏建筑一體化應用現狀及發展趨勢[J]. 節能, 2010, 29(2): 12－13.

[5] 曾雁, 鞠曉磊. 民用建筑屋面光伏一體化設計安裝要點[J]. 中國建筑防水, 2012, 15: 20－22.