光伏發電技術在建筑中的應用

文/閆飛、張倩 中國核電工程有限公司 北京 100840

由于對煤炭、石油等能源長期不間斷的汲取，導致這些非再生性能源不可避免的出現減少甚至枯竭，人們不得不對風能、水能、核能以及太陽能開始給予更多的關注。尤其太陽能由于其無污染、覆蓋范圍大、能源取之不盡用之不竭，使太陽能的利用技術得到重視。且隨著光伏發電的元件效率提高、轉換技術日趨成熟，光伏發電技術必將成為未來能源發展的新技術。

光伏發電技術根據是否并網可分為：離網光伏發電系統和并網光伏發電系統；并網光伏發電系統中主要設備包括光伏方陣、直流匯流箱、直流配電柜、光伏逆變器、升壓變壓器等。以下是對系統中主要設備功能做簡要的介紹：

1、光伏陣列

光伏方陣是由若干個電池片形成光伏組件或光伏構件，再由若干個光伏組件經過串、并聯連接而排列成的陣列，也可以稱之為光伏陣列。

目前國內光伏電池組件有三種產品，分別為單晶硅電池組件、多晶硅電池組件和非晶硅電池組件（即薄膜式電池組件），各方面性能比較如下:

單晶硅電池組件：光電轉換效率可達15%～18%，試驗室中的轉換效率更高，堅固耐用，使用壽命最高可達25年，制作成本高。

多晶硅電池組件：光電轉換效率低于單晶硅電池組件，約14%左右，制作成本低于單晶硅，壽命短于單晶硅。

非晶硅電池組件：制作成本低，弱光性能優于晶硅電池，光電轉換效率偏低，且衰減較快。

2、直流匯流箱

直流匯流箱安裝于太陽能電池方陣陣列內，它的主要作用是將太陽能電池組件串的直流電纜，接入后進行匯流，再與并網逆變器或直流防雷配電柜連接，以方便維修和操作。

3、光伏直流柜

光伏直流配電柜主要應用在大型光伏電站，主要是將匯流箱輸出的直流電纜接入后進行匯流，再接至逆變器。

該柜含有直流輸入斷路器、防雷器、防反二極管等設備元器件，并提供電池板三級匯流、逆變器防雷保護、短路、接地和過流保護、維護時的斷電操作等功能，同時對光伏陣列的單串電流、電壓及防雷器狀態，短路器狀態進行檢測。通信方式可采用RS485、無線、載波等方式。

4、光伏逆變器

光伏并網逆變器是光伏發電系統中的核心設備。逆變器將光伏方陣產生的直流電（DC）逆變為三相正弦交流電（AC），輸出符合電網要求的電能。

逆變器轉換效率越高，則光伏發電系統的轉換效率越高，系統總發電量損失越小，系統經濟性也越高。因此在單臺額定容量相同時，應選擇效率高的逆變器。以某工程為例，要求大容量逆變器在額定負載時效率不低于98%，在逆變器額定負載10%的情況下，也要保證90%（大功率逆變器）以上的轉換效率。

光伏逆變器應具有直流輸入欠壓保護、直流輸入過壓保護、交流輸出過壓保護、交流輸出過電流保護、輸出短路保護、防雷保護護、防孤島保護等功能。

5、其他設備

升壓變壓器主要作用是將光伏逆變器輸出的交流電升壓到與接入電網相同電壓，從而實現并網。采集風速、風向、輻照度、溫濕度等氣象數據設備、各類計量電表設備也是光伏發電系統中不可缺少的設備。對于大中型光伏發電系統，應對各類設備運行情況、發電數據等參數應進行采集、監控，建立完善的運營、管理平臺。

與建筑結合的并網光伏發電系統是目前分布式光伏發電的重要應用形式。按照與建筑結合的安裝方式的不同可以分為光伏建筑集成（或光伏建筑一體化，英文名稱是Building Integrated PV，就是平常說的BIPV）和光伏建筑附加（英文為Building Attached PV，縮寫是BAPV）。

從建筑、技術的角度來看，光伏建筑一體化有以下諸多優點：

（1）安裝在閑置的屋頂或墻面上，無需額外用地或增建其他設施，適用于人口密集的地方使用。

（2）可原地發電、原地用電，在一定距離范圍內可以節省電站送電網的投資。對于聯網戶用系統，光伏陣列所發電力既可供給本建筑物負載使用，也可送入電網。在夏季可以緩解高峰電力需求。

（3）由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構上，吸收太陽能，轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，既節省了能源，又利于保證室內的空氣品質。

（4）避免了由于使用一般化石燃料發電所導致的空氣污染和廢渣污染，這對于環保要求嚴格的今天與未來更為重要。

（5）由于光伏電池的組件化，光伏陣列安裝起來很簡便，而且可以任意選擇發電容量。

通過考察某項目建筑，該建筑約為13層，建筑外立面均為玻璃幕墻，表面積超過10000平方米，直面東南西三向采光。在改造前辦公樓由于受光照時間長，導致了室內的溫度極高。每一年空調得從4月一直開到11月，在最熱的三伏天空調每天的耗電量高達15000千瓦時／天、消耗電費高達20000元／天。在改造方案中充分利用了建筑幕墻和屋頂的有效區域安裝薄膜太陽能組件，由此來解決了光照過剩導致的能耗過高的問題。用薄膜太陽能技術產生的綠色電力來提供給建筑內部使用，同時起到了隔熱的作用使樓宇內部舒適度大幅提高，讓建筑節能降耗與光伏發電達到了有效互補的理想狀態。BIPV組件不僅能夠有效利用照射在建筑表面的太陽能發電，還可以憑借透過系數僅為原玻璃1／5的巨大優勢，減少室內太陽輻射60%；而采光區的雙銀玻璃，能夠在高透光的同時降低傳熱系數21%。綜合起來，平均降低室溫5－8攝氏度，縮小了南北側溫差，冬暖夏涼、保溫隔熱。由于室溫的變化，空調耗電量預計降低15%。

據數據顯示，此項目改造為光伏幕墻，裝機總容量為170.66千瓦，在25年使用期內平均年發電12.69萬千瓦時；項目的投資收益率也十分可觀，高達9.37%，僅用8年半就能收回454.5萬元投資，光伏發電和節能收益在25年設備周期里，可累計創收2373.5萬元。

在21世紀的新能源技術中有兩大能源優先：太陽光伏發電與核聚變。光伏建筑一體化（BIPV）提出了“建筑物產生能源”的新概念，即建筑物與光伏發電的集成化，在建筑物的外圍護結構表面上布設光伏陣列產生電力。中國作為發展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而建筑作為能耗大戶(發達國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1/3以上)，其節能效益則變得尤其重要，BIPV因此成為21世紀建筑及光伏技術市場的熱點。