建筑光伏系统工程设计要点研究

中国科学院电工研究所 ■ 吕芳 马丽云

一 引言

近年来，随着光伏系统成本的迅速下降，光伏发电在全球范围内得到了迅速发展和广泛应用，截至2010年底，全球建筑光伏系统的累计装机容量约有23.4GW，高达光伏累计装机容量的66.8%，其中，前五位国家依次为德国(14.9GW)、日本(3.5GW)、美国(1.7GW)、意大利(1.5GW)和法国(0.8GW)。

中国建筑光伏产业发展较晚，直到2010年底，累计装机容量仅有256MW。为促进我国建筑光伏产业的快速发展，我国政府先后出台各种激励政策，其中以光电建筑项目和金太阳示范工程项目影响最大，从2009～2012年，光电建筑项目和金太阳示范工程均累计实施了四期，共核准光伏项目3.4GW，四年间累计投入资金超过200亿元。截至2012年底，建筑光伏累计实际安装量为2.39GW，占当年整个光伏市场的份额上升至34.1%。

目前我国建筑光伏已经从试点示范发展至应用推广阶段，随着建筑光伏的产业化进程，建筑光伏技术也得到迅速发展，但是由于建筑光伏涉及到的专业多，应用环境复杂多样，因此我国建筑光伏技术还处于初级阶段，与欧洲、日本、美国等国家还具有一定差距，因此对于建筑光伏技术的探索和研究就显得较为重要。

本文从系统应用的角度，结合实际的工程经验，对建筑光伏一体化工程设计进行了分析、归纳和总结，从建筑特性和光伏特性两个方面归纳总结出建筑光伏一体化工程设计的若干要点。

二 建筑光伏的工程设计要点

按照与建筑结合的安装方式的不同，建筑光伏系统可分为光伏建筑集成或光伏建筑一体化系统(Building Integrated PV，BIPV)和光伏建筑附加(Building Attached PV，BAPV)。这两种形式的建筑光伏系统在我国都有应用，下面对建筑光伏系统分别从建筑的角度和光伏技术的角度对其工程设计经验进行总结。

1 建筑光伏的建筑属性

(1)建筑光伏的力学要求

在建筑光伏系统中，光伏方阵支架的钢筋混凝土基座的主筋应锚固在主体结构内，当无法进行锚固时，应采取措施加大基台与主体结构间的附着力。连接件与主体结构的锚固承载力应大于连接件本身的承载力，任何情况不允许发生锚固破坏。采用锚栓连接时，应有可靠的防松、防滑措施。对蓄电池、逆变器等较重的设备和部件，应安装在承载能力大的结构构件上，并进行构件的强度和变形验算。

建筑主体结构在伸缩缝、沉降缝、抗震缝的变形缝两侧会发生相对位移，光伏组件跨越变形缝时易遭到破坏，造成漏电、脱落等危险，所以安装光伏组件时不得跨越主体结构的变形缝。

(2)建筑光伏的恒荷载

对于在建建筑，光伏系统的荷载问题一般已提前考虑，这里主要介绍已建成建筑的荷载问题。对于屋顶光伏系统而言，当安装屋面为上人屋面时，安装光伏组件后，由于缺乏活动空间，可视为非上人屋面，屋面的使用属性由上人转变为非上人，由此而产生的光伏组件安装荷载余量为1.417kN/m2，通常能满足光伏组件的安装需求。

当安装屋面为非上人屋面时，安装的光伏组件增加了屋面的恒荷载，这时需对屋面的承重进行仔细校核，若屋面没有足够承载力余量，直接安装会给建筑的结构安全带来威胁。这种情况下，对于跨度较小的建筑结构来说，通常将光伏支架直接生根于框架柱，避免其与屋面发生关联，从而避免屋面恒荷载的增加；对于跨度较大的建筑结构，一般采用屋面加固的方法，但此方法成本较高。

(3)建筑光伏的风荷载

对于建筑光伏系统，光伏阵列的抗风能力设计是非常重要的。在既有建筑上安装光伏系统，光伏阵列在设计与建筑的结合方式时往往不希望“生根安装”，对于既有建筑安装光伏，往往设计成配重抗风或集中连片的支架形式。

在采用适合的支架形式后，为保障建筑光伏的安全性，在进行建筑墙面安装或屋面支架安装时，光伏系统的风荷载应按国家标准GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)设计，并应考虑：分离式光伏面板的风荷载应计入迎风面风荷载和背风面风荷载；支架的风荷载应计入面板传来的风荷载和支架直接承受的风荷载；合一式面板系统应分别采光顶和幕墙的风荷载，按相应规范采用。

(4)建筑的美学要求

当太阳电池作为幕墙或天窗时，就会对太阳电池的颜色提出要求。对于非晶硅太阳电池，其本色已同茶色玻璃颜色一样，很适合做玻璃幕墙和天窗玻璃。但对于单晶硅电池，一般采用腐蚀绒面的办法将其表面变成黑色，安装在屋顶或南立面，以显得庄重；对于多晶硅太阳电池，在蒸镀减反射膜时加入一些微量元素，可将太阳电池表面的颜色变成黄色、粉红色、淡绿色等多种颜色。

除颜色外，普通光伏组件的接线盒较大并粘在电池板背面，BIPV建筑中要求将接线盒省去。普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在建筑结构中。

(5)建筑的功能要求

在建筑光伏系统中，光伏组件替代建筑材料或建筑模板，这种应用不同于单独作为发电装置使用，作为建筑的一部分，除发电外还需考虑建筑基本功能，如使室内与室外隔离、防雨抗风、隔热隔音、遮阳等，使它能作为建筑型材料供建筑设计师选择。

(6)安装便利性的要求

为了与建筑结合和安装方便，一般将太阳电池制作成太阳电池瓦，组件结构和安装方式与普通的建筑用瓦并无差异；对于应用于光伏幕墙的组件，其边框结构也要求与建筑幕墙的模数相同，安装方式也要与普通幕墙玻璃一致。

如果采用普通光伏组件，则需制作专用托架或导轨，可方便将普通太阳电池安装在其上；另外，太阳电池也常常被制作成无边框组件，而且接线盒一般安装在组件侧面，以便于安装。

在一些特殊应用场合，会对太阳电池组件的形状提出要求，不再只是常规的方形，如圆形屋顶要求太阳电池呈圆带状，带有斜边的建筑要求太阳电池组件也要有斜边，拱形屋顶要求太阳电池组件能有一定的弯曲度等。

(7)建筑光伏寿命问题

众所周知，一般的混凝土建筑物设计寿命在50年以上，但普通光伏组件寿命只有25年，尤其是采用EVA胶的组件，相比之下采用PVB封装的组件寿命会相对较长。建筑光伏系统中的关键设备光伏并网逆变器，通常寿命仅有8～10年，因此为保证光伏系统与光伏建筑的寿命相一致，需考虑光伏并网逆变器的定期更换问题。普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中，空气对流充分，温度低，BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中，温度不易散去，电线电缆的寿命也受到影响，因此对BIPV建筑系统中电线的要求更高。综上可知，在建筑光伏系统设计中需统筹考虑各个部件，使其使用寿命或与建筑本身协调一致，或做到易于更换。

2 建筑光伏的光伏特性

(1)组件排布及容量设计

建筑光伏中的光伏系统最大装机容量主要受方阵安装条件和建筑配电容量两方面的限制，也就是说应取两者中的较小值。建筑配电容量的限制，主要是基于光伏发电的不稳定性对建筑配电网络产生的影响。在Q/GDW 480－2010《分布式电源接入电网技术规定》中，要求分布式电源总量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%，光伏发电只是抵消基荷和一部分腰荷的用电，这在很大程度上保证了光电建筑不会对上级电网反送电，从而消除因光伏出力的不稳定性造成用户侧电压的波动。

(2)电气设计

建筑光伏系统中，若光伏电站安装于集中大面积的水平屋顶上，从成本上考虑，仍建议采用集中型并网逆变器；对于BIPV系统，由于光伏组件安装角度多样，电池组件安装地点分散，一般建议采用小功率逆变器或者使用组串型逆变器。

所有建筑内使用的电缆均应为阻燃型电缆。在某些应力较大的场合，应使用铠装电缆。当用于光伏发电的电缆需与建筑配电电缆敷设于同一槽、孔、桥架内时，宜选用与建筑配电电缆相同材料的电缆。在人手可触及的电缆敷设场合，电缆外皮的温度不应高于70℃。在严寒的环境中，室外敷设的电缆要求耐低温。当电缆布线需穿墙时易造成“冷桥”，应做特殊断桥和保温构造处理。

对于以低压380V接入市电的系统，对配电网影响最大的因素就是配电网末梢电压的升高，尤其是出现逆功率时，这种电压的升高会更加明显。电压升高超限会对用电设备造成损害，如果采用不可逆并网方式，应设置逆功率保护。

(3)监控通讯设计

光伏建筑一体化项目的通讯通常采用无线和有线两种方式。无线主要包括：Zigbee和GPRS用于RS485、WIFI用于以太网；有线主要包括：双绞线用于RS485和以太网、同轴电缆用于以太网和视频信号、光纤用于以太网。

对于光伏建筑一体化项目，通常设置监控的位置主要有智能型光伏汇流箱、逆变器、多功能表和环境监测仪。对于需升压的项目还包括微机综合自动化系统。微机综合自动化系统一般用于变电站。站内的每台高压开关柜都是一个独立的监控子系统。这些子系统将继电保护功能和监控功能等集成在一起，实现就地数据采集和就地控制，并提供远动通道。

(4)防雷接地设计

建筑光伏系统应采取防雷措施，其防雷等级分类及防雷措施应遵守国家现行标准GB50057《建筑物防雷设计规范》的相关规定。

防雷分为防直击雷和防感应雷。防直击雷的基本措施是安装避雷针；防止感应雷的基本措施是：在接线箱内及配电盘内安装避电器AC220V(内设切断装置)；在太阳能光伏方阵的主回路内安装浪涌保护器。

光伏接地应充分利用建筑的接地系统。如无特殊要求时，应尽量采用联合接地。通常对各部分的接地电阻要求为：防直击雷的设施要求接地电阻不大于10½；电气设备的接地电阻不大于4½；通讯信号网络的接地电阻不大于1½。

方阵自身应将所有组件的金属边框和金属支架有效连接在一起形成等电位体。由于组件边框的外层氧化铝是绝缘的，因此通常用黄绿接地线将组件的接地孔与金属支架连接。

(5)建筑光伏的通风降温

晶体硅太阳电池的发电效率随着温度的升高而降低，因此它靠近幕墙的部分需考虑通风降温的问题；非晶硅光伏组件的发电效率受温度的影响很小，因此通风降温的问题并不突出。

对于光伏板的降温设计可使用双层墙系统，或将光伏组件产生的热量收集起来，用水或空气循环散热，这样产生的热水可供人使用，产生的热空气冬天可用于加热房间温度。

(6)消防设计

随着光伏发电系统的广泛应用，光伏发电系统的防火问题也越来越突出。调查结果显示，引起火灾最多的原因是电弧，其次是防火措施不到位，由于分断延迟引起火灾的概率较小，发生火灾的部件主要是光伏组件和汇流箱，交流侧很少发生火灾。

虽然国内尚未听说光伏发电系统引起火灾的情况，但是一旦发生火灾，由于光伏方阵的直流电系统难以解列，火灾将会产生较为严重后果，因此防患于未然就显得万分重要。对于光伏电站火灾的防范主要从火灾发生的原因入手。

光伏系统的具有数百伏的直流电压电，易发生电弧。电弧发生主要有串联回路电弧、并联回路电弧和对地产生电弧三种情况。串联回路的电弧是最经常发生的，通过断路器断开回路是最好的灭弧手段；对地产生电弧的原因是绝缘失效，因此对地绝缘电阻或对地漏电流的监测是防止对地电弧的有效手段；直流侧并联回路的电弧目前还没有更好的灭弧手段，但只要采用双层绝缘的直流电缆，并联回路的电弧也很少发生。但如果串联回路的电弧不能及时消除，会引发并联回路电弧。

三 结论

在建筑光伏一体化系统中，既要考虑到其作为光伏发电装置的特点，如组串、阴影遮挡、交直流电气系统设计等，同时也要考虑到其作为建筑的一部分，应具备的建筑属性，如建筑的遮光、防寒保暖等建筑属性。总之，建筑光伏一体化并非是建筑与光伏组件简单的“堆砌”，而是建筑特性和光伏特性在建筑光伏中的有机结合，建筑光伏系统充分发挥了光伏方阵的建筑特性和绿色电力特性，为节能建筑和光伏电力发展提供了一条创新之路。

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