光伏建筑一體化應(yīng)用技術(shù)與案例

丁世磊 賈艷剛,2 王寶華 劉峰 奚俊婷 劉海洋 邵紹峰 韓玉強 劉志璋

（1. 中電電氣(南京)太陽能研究院； 2. 東南大學(xué)）

一 引言

當(dāng)前全球范圍內(nèi)綠色經(jīng)濟低碳技術(shù)正在興起，搶占未來發(fā)展制高點的競爭也日趨激烈。目前中國建筑能耗占總能耗的1/3，總建筑能耗繼續(xù)保持快速增長態(tài)勢，預(yù)計到2020年中國建筑能耗或?qū)⒏哌_11億t標(biāo)準(zhǔn)煤，中國建筑節(jié)能迫在眉睫[1]。建筑節(jié)能技術(shù)已成為全世界關(guān)注的熱點，也是當(dāng)前國內(nèi)外節(jié)能領(lǐng)域的一個熱點研究課題。

目前，建筑光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是世界光伏應(yīng)用的主要形式和當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流，研發(fā)太陽能在建筑中的綜合利用技術(shù)，探究太陽能技術(shù)與建筑的有機結(jié)合將具有積極而深遠的意義[2]。

光伏建筑發(fā)展是從示范到推廣，從屋頂光伏到與建筑集成，進而發(fā)展為光伏建筑一體化。一些發(fā)達國家，如美國、德國和日本在光伏建筑一體化方面已經(jīng)有了一定的設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)。而在國內(nèi)光伏建筑一體化的設(shè)計研發(fā)起步晚，盡管中國是光伏產(chǎn)業(yè)大國，但兩頭在外的尷尬局面嚴(yán)重制約了光伏建筑一體化的研究和應(yīng)用發(fā)展[3]。在實際應(yīng)用方面，由于研發(fā)和實際經(jīng)驗不足，面臨諸多問題，如建筑的陰影分析、組件的配置、排布與系統(tǒng)發(fā)電效率之間的關(guān)系。如何保證組件與建筑之間良好的匹配度，簡要講，就是如何既能達到光伏系統(tǒng)效率最優(yōu)化，又能滿足建筑外形美觀和功能實用的要求。

本文將通過詳細分析，研究定位在光伏建筑一體化陰影分析、組件最佳傾角與系統(tǒng)發(fā)電效率、雙峰最大功率點跟蹤、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、節(jié)能變壓器等技術(shù)要點。由于光伏建筑一體化是多學(xué)科、多層面參與合作的系統(tǒng)工程，因此這些問題的解決需要建設(shè)部門、高校研發(fā)機構(gòu)、企業(yè)、房地產(chǎn)商等共同參與與努力，借助多方優(yōu)勢，快速提高國內(nèi)光伏建筑一體化研發(fā)設(shè)計的水平，為光伏建筑一體化的發(fā)展做出貢獻，為國家的節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻。

二 研究與應(yīng)用

光伏建筑一體化是融合了光伏系統(tǒng)、建筑、美學(xué)、電學(xué)接入等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。設(shè)計人員從整體概念出發(fā)，綜合考察光伏系統(tǒng)發(fā)電效率、光伏組件與建筑之間的融合和系統(tǒng)的美觀性等因素，考慮如何既能達到效率最大化，又能滿足建筑外形美觀和功能實用要求。

光伏建筑一體化在國內(nèi)起步晚，市場處于發(fā)展初期，在技術(shù)和工程等方面遇到諸多問題。作為重大建筑項目，京滬高鐵南京南站具有自身的特點和特殊的意義，在光伏建筑一體化設(shè)計中，除了要考慮當(dāng)?shù)刈罴压夥M件傾斜角度和光伏方陣的前后間距，以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)壓、雪壓，作為整個建筑物大系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，還需考慮如何使光伏系統(tǒng)與建筑物盡可能完美的結(jié)合。光伏建筑一體化又被稱為建筑物的“第五立面”。未來的京滬高鐵南京南站周邊地區(qū)將會高樓林立，對光伏系統(tǒng)在“第五立面”上如何進行合理的布置，如何保證光伏系統(tǒng)效率，從而保證業(yè)主的利益是一個很大的難題。

下面以南京南站屋頂光伏并網(wǎng)示范工程為依托，圍繞光伏建筑發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要點闡述工程研發(fā)設(shè)計中采用的技術(shù)方案和創(chuàng)新成果。

1 南京南站概述

京滬高鐵南京南站除京滬高鐵經(jīng)停外，還接納滬漢蓉鐵路、滬寧高鐵、寧杭城際、寧安城際等多條鐵路，以及多條連接南京市區(qū)和祿口國際機場的地鐵、長途客運車站等，是未來南京和華東的重要交通樞紐。該建筑設(shè)計創(chuàng)意依托南京六朝古都之底蘊、紫金與玄武之靈氣，雕梁畫棟、飛檐斗拱、氣勢磅礴，盡顯中國傳統(tǒng)建筑的恢弘氣勢。京滬高鐵南京南站效果圖如圖1所示。

在建筑物上引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，先要清楚建筑的特點。跟光伏系統(tǒng)有關(guān)的京滬高鐵南京南站的建筑特點為:建筑中軸線南偏東28.4?；無站臺柱雨棚兩側(cè)各約30m位于主站房挑檐下方；縱橫交錯的主桁架和次桁架形成了近4m深方格屋頂。

圖1 京滬高鐵南京南站效果圖

為了便于后續(xù)分析，我們將京滬高鐵南京南站無站臺柱雨棚區(qū)域劃分為基本站臺屋頂、主桁架屋頂和方格屋頂，如圖2所示。

圖2 京滬高鐵南京南站雨棚屋頂區(qū)域劃分

2 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

(1)光伏建筑一體化陰影分析和最大輻射量可視化分析

與地面光伏電站不同，在光伏建筑一體化系統(tǒng)中，涉及到建筑周圍環(huán)境的影響，必須研究安裝建筑物的陰影情況[4]。同時要實現(xiàn)最大發(fā)電量，需解決光伏方陣最佳傾角的問題。針對這些問題，研發(fā)設(shè)計團隊以光伏和建筑兩方面的理論為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)化的計算模擬軟件，對上述技術(shù)難題進行攻關(guān)，找到了一種簡潔有效的解決光伏建筑一體化陰影分析和光伏方陣最佳傾角的辦法。

① 陰影分析

江蘇省DGJ32J 87－2009《太陽能光伏與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》第4.3.1條規(guī)定“安裝光伏組件的建筑部位宜滿足冬至日4h日照不受遮擋的要求”。京滬高鐵南京南站的建筑特點決定了該工程陰影分析的難度和復(fù)雜程度。針對該項目，我院采用計算機三維仿真技術(shù)，建立了完整的京滬高鐵南京南站計算機三維模型，對雨棚屋頂?shù)年幱扒闆r進行了細致的仿真分析，可分析出全年任意時刻、任意區(qū)域的陰影情況。

圖3～圖6為陰影分析的部分代表圖。從圖3和圖4可以看出，東西兩側(cè)雨棚屋頂、方格屋頂以及主桁架屋頂在夏至日9～15時的陰影相對較對稱。圖5和圖6中，東側(cè)雨棚、方格屋頂?shù)奈鞑恳约爸麒旒艿臇|側(cè)陰影非常嚴(yán)重，初步認(rèn)為不適合安裝光伏組件，但還需做進一步的太陽輻射分析。

圖3 夏至日9～15時陰影累計圖

圖4 夏至日9～15時陰影累計圖（局部）

圖5 冬至日9～15時陰影累計圖

圖6 冬至日9～15時陰影累計圖（局部）

②光伏方陣太陽能輻射量的可視化分析

輻照強度依賴于緯度、太陽位置和氣象條件。當(dāng)安裝地點確定后，光伏方陣安裝傾角的選擇是必須要解決的問題。在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的全年日均發(fā)電量最大，即要求光伏方陣傾角調(diào)整至接收到全年最大太陽輻照量[5,6]。

通過陰影分析基本可確定適于安裝光伏組件的區(qū)域。盡管有些區(qū)域有陰影，但陰影過程很短，該區(qū)域的太陽輻射量很高，兼顧到建筑物的整體效果，故這些區(qū)域適合安裝光伏組件。

對于光伏建筑一體化來說，目前業(yè)界一般采用圖7所示估算各不同朝向的光伏方陣的效率。以當(dāng)?shù)刈罴褍A角和最佳朝向為100%作為標(biāo)準(zhǔn)，各不同朝向的光伏方陣的效率均會有不同程度的降低。但圖7僅用于估算，未考慮遮擋等情況對不同朝向光伏方陣效率的復(fù)雜影響。

圖7 不同朝向光伏方陣效率估算圖

根據(jù)Hay J E[7]提出的天空散射輻射各向異性的模型，可計算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接收到的太陽輻照量。結(jié)合該理論和實際輻照情況，采用專業(yè)的可視化光伏系統(tǒng)設(shè)計分析軟件，對不同地區(qū)、不同朝向的光伏方陣做出精準(zhǔn)的太陽輻射量計算。依據(jù)南京地區(qū)近15年的氣象數(shù)據(jù)，得出了某一時段各不同朝向面所接收的太陽輻射量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一時段內(nèi)朝向東南和西南的面上的太陽輻射并不相同。

③各屋頂太陽輻射量分析

為了得到更科學(xué)詳盡的適合組件安裝的區(qū)域，在上述陰影分析模型的基礎(chǔ)上，我們對京滬高鐵南京南站各區(qū)域的太陽輻射進行了更加細致的輻射分析。圖8給出了南京南站各區(qū)域太陽輻射示意圖。

圖8 屋頂輻射仿真及區(qū)域編號

由于接收太陽輻射最大量的光伏組件方陣朝向西南方向，但在建筑領(lǐng)域中，為了減少陽光對室內(nèi)的直射，降低空調(diào)等設(shè)備的能耗，建筑的門窗一般朝向東南。由圖8可以看出，主站房下方的無站臺柱雨棚區(qū)域的輻射量非常低，主桁架西側(cè)的輻射量也非常低。

各區(qū)域較南京地區(qū)最佳傾角的不同輻射量比見表1，表中列出方格屋頂和主桁架屋頂未受主站房挑檐影響的區(qū)域、基本站臺屋頂?shù)娜繀^(qū)域。從分析各區(qū)域的輸出效率比可對系統(tǒng)安裝區(qū)域進行評估。

(2)具有雙峰跟蹤的并網(wǎng)逆變器

在光伏電站中，經(jīng)常會由于建筑物的部分或附近環(huán)境中存在高大物體遮住光伏電池板的一部分，如樹木，鄰近建筑等，這種部分被遮住的現(xiàn)象會引起光伏電池板整體發(fā)電量的下降，并造成兩個以上的局部峰值功率點。如果系統(tǒng)長期工作在較低的局部峰值功率點，系統(tǒng)將損失大量電能[9]。世界各大光伏系統(tǒng)公司推出了各種主電路拓樸結(jié)構(gòu)及不同控制方式、不同功率等級的產(chǎn)品。據(jù)德國漢諾威太陽能研究所報道，同樣陣列容量在同樣氣象條件下，由于采用了不同構(gòu)造的逆變器，每年送向電網(wǎng)的發(fā)電量可相差一倍之多。由此可見，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)技術(shù)對于光伏并網(wǎng)發(fā)電的重要作用。

表1 屋頂各區(qū)光伏方陣輻射量比

研發(fā)團隊采用理論模擬與實驗試制相結(jié)合的方法，研究多個局部功率點跟蹤技術(shù)，通過采用最新算法實現(xiàn)了對雙峰局部最大功率點跟蹤，使得系統(tǒng)實時判斷并一直工作在最大的局部峰值功率點處，實現(xiàn)發(fā)電量最大化。此外，除考慮功率優(yōu)先級策略、雙峰最大功率點跟蹤外，并網(wǎng)逆變器的技術(shù)設(shè)計還需結(jié)合遠程監(jiān)控等技術(shù)優(yōu)勢，使得實時監(jiān)控成為現(xiàn)實。現(xiàn)已將研發(fā)成果應(yīng)用于產(chǎn)品和工程中，所開發(fā)的并網(wǎng)光伏逆變器已取得權(quán)威認(rèn)證證書。

(3)光伏組件的選型與布置

① 電池組件的選型

太陽電池是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的光生電動勢將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件。作為光伏建筑一體化的核心組件，太陽電池的選用關(guān)系到電池效率的發(fā)揮以及建筑功能的實現(xiàn)，關(guān)系到系統(tǒng)安全、高效地運行。電池的特點決定了其應(yīng)用的范圍，晶體硅太陽電池適合用于輻射條件好的位置，以充分利用有限的建筑面積。所以晶體硅太陽電池一般都采用有利于在全年范圍內(nèi)盡可能多接收太陽輻射的情況。結(jié)合前面的技術(shù)分析，我們在工程設(shè)計中選用由趙建華博士研制的高效晶體硅太陽電池[10]，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率17.75%，保證了光伏系統(tǒng)較高的發(fā)電量。

② 組件排布分析

具體的光伏組件排布需根據(jù)陰影的動向進行，以盡可能降低陰影對光伏方陣的影響。同時需結(jié)合屋頂?shù)臋_條布置進行合理的支架布置，以降低光伏方陣的荷載，更好地應(yīng)對極端天氣情況。

根據(jù)前面的陰影分析可知，方格屋頂主要受到主桁架產(chǎn)生的陰影的影響，主桁架為南北走向，因此陰影變化為東西向移動。

方格屋頂采用尺寸為1580mm×808mm×50mm的光伏組件，如橫向排列(即光伏組件長邊為東西走向)，則陰影在單塊光伏組件上停留時間較長，對光伏系統(tǒng)不利；若豎向排列(即光伏組件短邊為東西走向)，則陰影在單塊光伏組件上停留的時間相對橫向排列較短，有利于光伏系統(tǒng)性能的提升。

同時，京滬高鐵南京南站雨棚采用的是YX-65-400鍍鋁鋅壓型彩鋼直立鎖邊板(圖9)，板間距為400mm；而光伏組件長邊為1580mm，加上20mm的通風(fēng)散熱間隙，共1600mm(為400mm的4倍)，模數(shù)相匹配。

在光伏建筑一體化項目中，由于安裝區(qū)域的不規(guī)則，有時需要特種光伏組件。針對特種組件串并聯(lián)對系統(tǒng)效率的影響，我們設(shè)計試驗，分別研究特種組件的電壓、電流、功率等參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響。分析數(shù)據(jù)表明組件功率相近時，有助于得到最優(yōu)系統(tǒng)效率，即設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)時，將功率相近的組件串并聯(lián)，同時在設(shè)計優(yōu)化組件排列與連接時，受陰影影響相同的組件串聯(lián)成一路。

(4)光伏組件固定系統(tǒng)

支架作為光伏系統(tǒng)方陣的主要支撐骨架，其設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。考慮到施工屬于多方協(xié)作的復(fù)雜體系，這就要求光伏組件支架系統(tǒng)的安裝要快速、便捷和安全。

圖9 平屋頂(方格屋頂及基本站臺屋頂)光伏組件布置

南京南站雨棚的初步設(shè)計屋面是采用壓型鋼板(圖10)，但此種屋面安裝支架時需用螺釘穿過屋面板，然后安裝固定光伏組件。螺釘中部的黑色部分為橡膠圈，起到防水密封的作用。雖然這種安裝方式能達到防水等級的要求，但安裝較復(fù)雜。

圖10 壓型鋼板與組件固定

因此設(shè)計時建議采用直立鎖邊的屋面。京滬高鐵南京南站雨棚屋頂為0.80mm厚銀灰色YX-65-400鍍鋁鋅壓型彩鋼直立鎖邊板。通過轉(zhuǎn)接件固定在屋面板的鎖邊部位，然后再安裝支架，不需要用螺釘穿透屋面板，從而提高屋面防水性能，簡化安裝工序。

(5)非晶合金并網(wǎng)接入系統(tǒng)

光伏建筑一體化要實現(xiàn)并網(wǎng)接入離不開升壓設(shè)備。接入系統(tǒng)采用中電電氣在行業(yè)內(nèi)首推的第二代非晶合金三相三柱變壓器。該變壓器和普通干變外型尺寸相當(dāng)，占地小，可與開關(guān)柜順利對接；采用美國杜邦公司制造的NOMEX紙絕緣系統(tǒng)，絕緣耐熱等級高達C級，可長期120%負荷運行；產(chǎn)品損耗低，節(jié)能效果顯著，空載損耗降低70%。節(jié)能減排是未來變壓器行業(yè)的發(fā)展方向，在光伏建筑一體化設(shè)計中采用節(jié)能變壓器進一步保證光伏建筑并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的綠色節(jié)能理念。

在目前節(jié)能減排的號召下，京滬高鐵南京南站屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用的成功實施，對于在城市積極推進光伏建筑發(fā)展和建筑新材料使用，加大城市節(jié)能減排力度，推廣光伏建筑一體化具有重要意義。

三 結(jié)束語

本項目依托京滬高鐵南京南站屋頂光伏并網(wǎng)示范應(yīng)用工程進行研發(fā)設(shè)計，取得了一系列應(yīng)用成果。首先提出了陰影三維模擬和最大輻射量可視化分析方法，簡潔可視化為復(fù)雜工程的開發(fā)設(shè)計提供了便捷的分析手段，節(jié)約設(shè)計時間近1/4。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙峰最大功率點跟蹤技術(shù)，系統(tǒng)效率最大能提高50%。該項技術(shù)應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器，增加系統(tǒng)的發(fā)電效率。統(tǒng)籌設(shè)計組件的選型、功率相近的串聯(lián)和“串流并壓”；簡化安裝和防水直立鎖邊屋面設(shè)計。在光伏建筑一體化設(shè)計中的整體優(yōu)化策略，屬于國內(nèi)先進水平。選擇性能優(yōu)異的電池和良好節(jié)能的非晶合金變壓器，節(jié)能損耗降低70%，保證了項目的整體節(jié)能效果，為該項目的應(yīng)用樹立了良好的典范。

本項目規(guī)劃總裝機容量10.67MWp，年平均發(fā)電量不低于923.01萬kWh，與相同發(fā)電量的火電廠相比，每年節(jié)省標(biāo)煤3138t，每年可減少煙塵排放量約16.6t，二氧化硫約60t以及廢水230.1t。所獲得的研發(fā)設(shè)計成果對光伏建筑一體化工程設(shè)計應(yīng)用具有很大的提升，對提高我國光伏建筑一體化的技術(shù)水平、形成建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)具有重大意義。

將太陽能光伏系統(tǒng)與建筑系統(tǒng)有機結(jié)合起來，不僅可節(jié)約城市用地，而且可提供清潔電能，同時減少二氧化碳等溫室氣體的排放，減少煙塵排放和灰渣堆積，提高城市的環(huán)境質(zhì)量，提升人們的生活水平。光伏建筑一體化是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊, 并且有著巨大的市場潛力。光伏建筑一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究和工程技術(shù)的應(yīng)用將帶動光電建筑應(yīng)用, 拉動太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進建筑節(jié)能減排，具有良好的經(jīng)濟與社會效益。

[1]張林怡, 鄭容, 朱韻. 中國的低碳住宅建設(shè)與評估[J]. 北方環(huán)境, 2011, 9: 19－21.

[2]靳偉. 光伏建筑一體化 (BIPV)在綠色建筑中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù), 2011, 42(10): 907－910.

[3]張興科. 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)亟需政策扶持[J].能源技術(shù)經(jīng)濟, 2012,23(12): 14－17.

[4]Sadineni S B, Boehm R F, Hurt R. Spacing analysis of an inclined solar collector field[A]. ASME 2nd International Conference on Energy Sustainability[C], 2008: 417－422.

[5]Kalaizakis K, Slavrakis G S. Size optimization of a PV system installed close to sun obstacles[J]. Solar Energy,1996, 57(4): 291－299.

[6]楊金煥, 葛亮, 陳中華, 等. 季節(jié)性負載光伏方陣的傾角[J]. 太陽能學(xué)報, 2003, 24(2): 241－244.

[7]Hay J E. Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surfaces[J]. Solar Energy , 1979, 23(4): 301－307.

[8]王寶華, 李霞, 丁世磊, 等. 光伏陣列上太陽輻照量計算及最佳安裝傾角設(shè)計[J]. 建筑節(jié)能2011, 10 : 43－45.

[9]Mutoh N, Ohno M, Inoue T. A method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006, 53(4): 1055－1065.

[10]Zhao J H. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2004, 82(1-2): 53－64.