光伏发电技术在建筑中的应用

闫飞

【摘要】面对煤炭、石油等化石类非可再生能源不断消耗，人们对太阳能等可再生能源给予了更多的关注。随着光伏发电技术的发展，转换效率逐渐提高，光伏发电技术必将成为未来能源发展的新技术。本文通过阐述光伏发电技术及其在不同建筑中应用，探讨了光伏建筑集成以其较强的节能效益将逐渐成为光伏技术应用的热点，以供参考。

【关键词】光伏；建筑；光伏建筑集成；光伏建筑附加；BIPV

由于对煤炭、石油等能源长期不间断的汲取，导致这些非再生性能源不可避免的出现减少甚至枯竭，人们不得不对风能、水能、核能以及太阳能开始给予更多的关注。尤其太阳能由于其无污染、覆盖范围大、能源取之不尽用之不竭，使太阳能的利用技术得到重视。且随着光伏发电的元件效率提高、转换技术日趋成熟，光伏发电技术必将成为未来能源发展的新技术。

光伏发电技术根据是否并网可分为：离网光伏发电系统和并网光伏发电系统；并网光伏发电系统中主要设备包括光伏方阵、直流汇流箱、直流配电柜、光伏逆变器、升压变压器等。以下是对系统中主要设备功能做简要的介绍：

1、光伏阵列

光伏方阵是由若干个电池片形成光伏组件或光伏构件，再由若干个光伏组件经过串、并联连接而排列成的阵列，也可以称之为光伏阵列。

目前国内光伏电池组件有三种产品，分别为单晶硅电池组件、多晶硅电池组件和非晶硅电池组件（即薄膜式电池组件），各方面性能比较如下：

单晶硅电池组件：光电转换效率可达15%～18%，试验室中的转换效率更高，坚固耐用，使用寿命最高可达25年，制作成本高。

多晶硅电池组件：光电转换效率低于单晶硅电池组件，约14%左右，制作成本低于单晶硅，寿命短于单晶硅。

非晶硅电池组件：制作成本低，弱光性能优于晶硅电池，光电转换效率偏低，且衰减较快。

2、直流汇流箱

直流汇流箱安装于太阳能电池方阵阵列内，它的主要作用是将太阳能电池组件串的直流电缆，接入后进行汇流，再与并网逆变器或直流防雷配电柜连接，以方便维修和操作。

3、光伏直流柜

光伏直流配电柜主要应用在大型光伏电站，主要是将汇流箱输出的直流电缆接入后进行汇流，再接至逆变器。

该柜含有直流输入断路器、防雷器、防反二極管等设备元器件，并提供电池板三级汇流、逆变器防雷保护、短路、接地和过流保护、维护时的断电操作等功能，同时对光伏阵列的单串电流、电压及防雷器状态，短路器状态进行检测。通信方式可采用RS485、无线、载波等方式。

4、光伏逆变器

光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备。逆变器将光伏方阵产生的直流电（DC）逆变为三相正弦交流电（AC），输出符合电网要求的电能。

逆变器转换效率越高，则光伏发电系统的转换效率越高，系统总发电量损失越小，系统经济性也越高。因此在单台额定容量相同时，应选择效率高的逆变器。以某工程为例，要求大容量逆变器在额定负载时效率不低于98%，在逆变器额定负载10%的情况下，也要保证90%（大功率逆变器）以上的转换效率。

光伏逆变器应具有直流输入欠压保护、直流输入过压保护、交流输出过压保护、交流输出过电流保护、输出短路保护、防雷保护护、防孤岛保护等功能。

5、其他设备

升压变压器主要作用是将光伏逆变器输出的交流电升压到与接入电网相同电压，从而实现并网。采集风速、风向、辐照度、温湿度等气象数据设备、各类计量电表设备也是光伏发电系统中不可缺少的设备。对于大中型光伏发电系统，应对各类设备运行情况、发电数据等参数应进行采集、监控，建立完善的运营、管理平台。

与建筑结合的并网光伏发电系统是目前分布式光伏发电的重要应用形式。按照与建筑结合的安装方式的不同可以分为光伏建筑集成（或光伏建筑一体化，英文名称是Building Integrated PV，就是平常说的BIPV）和光伏建筑附加（英文为Building Attached PV，缩写是BAPV）。

从建筑、技术的角度来看，光伏建筑一体化有以下诸多优点：

（1）安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用。

（2）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网。在夏季可以缓解高峰电力需求。

（3）由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，吸收太阳能，转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。

（4）避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。

（5）由于光伏电池的组件化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量。

通过考察某项目建筑，该建筑约为13层，建筑外立面均为玻璃幕墙，表面积超过10000平方米，直面东南西三向采光。在改造前办公楼由于受光照时间长，导致了室内的温度极高。每一年空调得从4月一直开到11月，在最热的三伏天空调每天的耗电量高达15000千瓦时/天、消耗电费高达20000元/天。在改造方案中充分利用了建筑幕墙和屋顶的有效区域安装薄膜太阳能组件，由此来解决了光照过剩导致的能耗过高的问题。用薄膜太阳能技术产生的绿色电力来提供给建筑内部使用，同时起到了隔热的作用使楼宇内部舒适度大幅提高，让建筑节能降耗与光伏发电达到了有效互补的理想状态。BIPV组件不仅能够有效利用照射在建筑表面的太阳能发电，还可以凭借透过系数仅为原玻璃1/5的巨大优势，减少室内太阳辐射60%；而采光区的双银玻璃，能够在高透光的同时降低传热系数21%。综合起来，平均降低室温5-8摄氏度，缩小了南北侧温差，冬暖夏凉、保温隔热。由于室温的变化，空调耗电量预计降低15%。

据数据显示，此项目改造为光伏幕墙，装机总容量为170.66千瓦，在25年使用期内平均年发电12.69万千瓦时；项目的投资收益率也十分可观，高达9.37%，仅用8年半就能收回454.5万元投资，光伏发电和节能收益在25年设备周期里，可累计创收2373.5万元。

在21世纪的新能源技术中有两大能源优先：太阳光伏发电与核聚变。光伏建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”的新概念，即建筑物与光伏发电的集成化，在建筑物的外围护结构表面上布设光伏阵列产生电力。中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户（发达国家的建筑能耗一般占到全国总能耗的1/3以上），其节能效益则变得尤其重要，BIPV因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。

参考文献：

[1]光伏系统并网技术要求，GB/T19939-2005.

[2]光伏发电站接入电力系统技术规定，GB/Z19964-2012.

[3]王勇/陈刚/姬鸿，智能建筑电气技术，2011，05（2）.