光伏建筑一體化探討及應用案例分析

王 凱

（新疆風電工程設計咨詢有限責任公司，烏魯木齊 830063）

0 引言

目前我國面臨著嚴重的環境問題和能源問題，而我國的建筑能耗是相同氣候條件發達國家的2～3倍。建筑節能是提高住宅舒適度、降低運行費用的基礎，而建筑節能中的65%主要由建筑圍護系統承擔，因此，節能是建筑外圍護結構行業的重要責任。將太陽能同建筑圍護結構結合起來，利用安裝在建筑物圍護結構外表面的太陽能發電裝置來提供電能，不僅可以擴大清潔能源的生產，而且不占用城市地面空間，已被越來越多的國家所采用。

1 光伏建筑一體化的概念

光伏建筑一體化（BIPV）技術是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力的技術。根據光伏方陣與建筑結合方式的不同，可分為光伏方陣與建筑的結合、光伏方陣與建筑的集成兩類，如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂等。

光伏方陣與建筑的結合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結合。由于光伏方陣與建筑的結合不需要占用額外的地面空間，是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級應用形式，它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發電的要求，而且還要兼顧建筑的基本功能要求［2－3］。

2 光伏建筑一體化發電的工作原理

光伏建筑一體化發電分為并網型與離網型兩種方式。

2.1 并網型光伏發電系統

并網型光伏發電系統由光伏組件、并網逆變器、控制裝置組成。光伏組件將太陽能轉化為直流電能，通過并網逆變電源將直流電能轉化為與電網同頻同相的交流電能供給負載使用，并饋入電網。

光伏建筑一體化發電并網系統結構示意圖如圖1所示。

2.2 離網型光伏發電系統

離網型光伏發電系統由光伏組件、逆變器、控制裝置、蓄電池組成。以光伏電池板為發電部件，控制器對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，以便在夜間或陰雨天保證負載用電。當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。當蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充；當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電。

圖1 光伏建筑一體化發電并網系統結構示意圖

光伏建筑一體化發電離網系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 光伏建筑一體化發電離網系統結構示意圖

3 光伏建筑一體化的優勢

目前我國建筑能耗占總能耗的1／3，光伏發電與建筑結合是降低建筑能耗的有效方式，光伏建筑一體化具有諸多優點［4－5］。

1）光伏建筑一體化的使用，造成建材成本的一部分變成光伏電池的組成部分，從而節省了光伏電池的生產成本。如傳統玻璃幕墻作為光伏電池的構成部分，節省了購買光伏電池封裝材料的成本。

2）由于每天都有大量的太陽光照到建筑物的外表面上，將建筑物的外表面做成可以用來發電的材料，既高效地利用了太陽輻射，也無需額外用地或加建其他設施，節省了土地資源。這對于人口密集、土地昂貴的城市建筑尤為重要。

3）光伏與建筑一體化發電首先讓該建筑物使用，即可原地發電、原地使用，可節約電站送電網的投資和減少輸電損耗。對于并網的BIPV，也可將多余的電力輸送給公共電網，以緩解周邊用電需求；若陰雨天發電不足時，可從公共電網取電，彌補用電需要。

4）在夏季用電高峰時，此時BIPV正好可利用夏季強烈的太陽輻射，并轉換成制冷設備所需要的電能，從而緩解電力需求高峰時期的供需矛盾，具有極大的社會效益。

4 達坂城西部歌城光伏項目

4.1 項目概況

達坂城西部歌城小鎮位于烏魯木齊市達坂城區的北郊，地處達坂城盆地。項目占地總面積約為47 hm2（不含人工湖部分），總體布局主要劃分為五個板塊：酒店及特色民宿板塊、文化藝術中心及藝術家會所板塊、文化體驗核心板塊、生態宜居板塊、城市公園板塊。達坂城西部歌城小鎮內建筑占地總面積約為98 900 m2，園區內建有生態停車場，其中機動車停車位3 660個，非機動車停車位2 500個。

4.1 資源分析

根據Meteonorm氣象軟件，項目所在地年均輻射值為5 187.6 MJ／m2，且多年來的平均輻射值相差不大，太陽能資源穩定。

項目所在地1年12個月平均總輻射量如表1所示。

表1 達坂城地區各月平均總輻射量 MJ／m－2

4.2 方案介紹

按照建筑屋頂面積的80%可以被利用計算，園區的可利用屋頂面積約為8萬m2。如果按照1萬m2屋頂面積安裝1 MW光伏組件來計算，園區的光伏發電安裝容量約為8 MW，其中酒店及特色民宿板塊具備先期開展光伏發電規劃的基礎條件。達坂城西部歌城光伏幕墻和屋頂光伏組件安裝示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 達坂城西部歌城光伏幕墻示意圖

圖4 達坂城西部歌城屋頂光伏組件安裝示意圖

4.3 經濟效益分析

目前屋頂光伏組件的投資約為8.5元／W，8 MW總投資約6 800萬元，年平均利用小時數為1 150 h。該新能源規劃項目建成后，每年將為當地提供綠色電力9.2 GWh，相當于年節約用煤3 000 t，每年減少CO2排放量約8 222 t。該項目的建成，每年將給當地帶來140萬元的稅收，可至少解決當地100人的就業問題。在項目建設過程中，還能帶動當地原材料市場的繁榮，以及促成當地整個光伏產業的產業鏈的形成。

5 結語

隨著世界能源短缺加劇、環境污染日益嚴重，世界各國都在尋求可持續發展的能源戰略，光伏建筑一體化具有很大的發展空間。城鄉建設領域是太陽能光電技術應用的主要領域，利用太陽能光電轉換技術，解決建筑物的照明、采暖等用能需求，可以代替常規的煤、水等能源，對我國發展低碳經濟具有重要的推動作用。我國光伏產業正以每年30%的速度增長，光伏建筑一體化即在建筑設計上增加了清潔、綠色的概念，又為城市的電力供應提供了選擇和保障，具有很大的應用價值。

［1］ 郝國強，李紅波，陳鳴波.光伏建筑一體化（BIPV）并網電站的應用與發展［J］.上海節能，2006（6）：66-70.

［2］ 梁祥瑩.基于太陽能光伏技術的節能建筑系統的設計與研究［J］.應用能源技術..2009（2）：6-9.

［3］ 郝斌，李現輝.太陽能光伏建筑一體化探討［J］.建設科技，2009，20（10）：32-34.

［4］ 施韜，沈佳燕，蔣金洋.光伏建筑一體化研究及應用現狀［J］.新型建筑材料，2011，（11）：38-41.

［5］ 李芳，沈輝，許家瑞，等.光伏建筑一體化的現狀與發展［J］.電源技術，2007，（8）：659-662.

［6］ 楊洪興，韓俊，孫亮亮.香港太陽能光伏建筑一體化的研究與進步［J］.新材料產業，2008，（9）：25-31.