太阳能光伏发电技术对建筑电气设计的影响

陈 昕

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211000）

0 引 言

众所周知，社会的发展离不开能源和资源的支撑，而大部分能源和资源是不可再生的，如何突破这一困境成为一个世界级难题[1]。而随着建筑行业的发展与进步，电气设计已突破原有的限制，达到了传统模式难以达到的维度，其中最为典型的代表就是太阳能光伏建筑一体化。

1 太阳能光伏建筑一体化概述

通过分析太阳能光伏建筑一体化的构架可以看出，其主要是在太阳能光伏技术的理论基础上利用方阵的模式，在建筑的最表层构架一个系统、立体的太阳能矩阵。这个矩阵既可以是一个独立的系统，独立承担该栋建筑的日常能源消耗，又可以将其并入国家电网，输入自身转化的能源，进而达到一定的经济效果。在设计这个矩阵的时候，除了考虑该矩阵最大能源转换率，还应符合该建筑的设计理念，确保其既环保又美观。由于光伏矩阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注[2]。

2 太阳能光伏建筑一体化的优势

第一，太阳能光伏建筑一体化的能源转化过程不会产生污染物，而且其设备可以重复循环使用，具有一定的绿色性，对生态环境保护具有一定的作用[3]。第二，太阳能光伏建筑一体化设备主要安装于建筑的屋顶、外墙等部位，在充分发挥建筑效能的同时，节约了原本建筑太阳能方阵所需的空间。第三，相较于太阳能发电站，由于其直接建设在建筑的外墙，将其产生的能源直接作用于该建筑或国家电网，所以其不需要架设能源输送线路，进而节约了大量成本。第四，在方阵设计过程中不仅可以融入相应的文化元素，而且可以融入建筑设计理念，使其具有一定的艺术性。第五，由于太阳能矩阵的属性，可以将其直接用作建筑材料，进而节约大量的建筑材料。第六，由于太阳能本身属于高科技领域，因此将其应用在建筑外墙上，可以彰显我国科学技术的进步。

3 太阳能光伏建筑一体化应注意的事项

实践证明，要想充分发挥太阳能光伏建筑的效能，必须注意一些事项，不断改进建筑电气设计[3]。例如，设计某一光伏建筑的时候，需要充分考虑环境因素（日照量）、矩阵的最佳角度以及其他负载情况等。此外，在外观设计上，应注意不仅要符合使用者或城市本身的文化特征和文化需要，而且应凸显其实际功能。

3.1 日照量问题

在太阳能光伏技术中，日照量是最为关键的影响因素，其直接影响电站的建设，对于太阳能光伏建筑同样如此。设计时，要参照该地历年的日照量数据，得出最佳的建设位置和线路走向。

3.2 矩阵的倾斜角度

太阳与水平地面间的角度大部分时间是倾斜的，而太阳能电池板需要与太阳保持一定的角度才能发挥其应有的效能，因此应计算出最佳的角度。对此，设计一个能自动跟随太阳角度的感应器意义重大，能自动校正矩阵的倾斜角度。但对于光伏建筑而言，要想实现该想法，存在一定的难度。

3.3 组件之间的电压问题

由于每个电池板在组成过程中大小型号存在一定的差异，因此其电压也存在一定的差异。而这个问题的解决方案较简单，仅需统一组件的型号特征即可。

3.4 电池板自身消耗

在太阳能电池板工作过程中，其自身会消耗一定的电能，使得整个系统输出的电能减少。换言之，就是电池板本身会消耗一部分自身转化的电能。所以，设计系统时应将充分考虑电池板自身的耗能情况，并将其耗能情况降至最低。

3.5 系统所处环境

对于光伏系统而言，其自身所处的环境是一个必然考虑的因素，如系统所处环境是否有遮挡物，其湿度和温度是否会对系统的运行造成影响等。只有综合分析这些问题并提出相应的解决方案，才能充分发挥电池板的性能。

3.6 负载情况

太阳能系统主要的服务对象是负载，因此负载的实际情况决定了整个系统的规模和电池板的规格。例如，一些偏远地区的信号塔，其用耗能情况基本都是固定的，系统仅需满足其日常耗能即可；一些民用住宅不同时间段的耗能情况不一样，其波动变化较大，所以在进行系统设计时应充分考虑所有电器设备的耗能情况（注意季节性电器，如空调等）。

3.7 外观设计

从当前很多高层建筑的设计来看，很多外墙基本都是玻璃结构（玻璃幕墙），如钢化玻璃等。这些材料的使用能满足遮挡需求，但是透光性不高，尤其是对于一些具备观光性质的高层建筑，明显达不到其需求。所以，选择光伏组件材料时，应选择双面玻璃型号，不仅可满足其透光需求，而且能带来一定的经济效益。

3.8 接线盒

接线盒对于光伏组件的保护起着非常重要的作用，如恶劣环境保护、防水、防触电保护等。因此，在系统设计过程中，应充分将其融入系统构架。

4 太阳能光伏建筑设计重点

光伏建筑实质上是一种零排放的绿色建筑。随着太阳能光伏发电技术的进步，加之当前我国土地资源紧张，尤其是能源需求不断提高的背景下，诞生了光伏建筑一体化理念。目前，光伏建筑主要有两大类，即以建筑和光伏矩阵结合、建筑和光伏发电结合。对于光伏建筑，设计环节需要考虑的因素有很多。

一方面，对于系统的构造和结构安全性而言，设计时应考虑2个因素。一是系统结构安全。因为很多光伏建筑的方阵基本都在高层，而楼层越高，风力等级越大。以地面5级风力为例，当地面风力达到5级后，15楼以上的风力可能达到7级以上（疾风，步行困难），因此如果采用普通的结构和器械，会埋下安全隐患，并且会不同程度地影响系统正常运行。二是固定组件连接。从实际操作过程可以看出，在连接系统组件的过程中，需要将组件固定在连接点的位置（注意不是传统的机械安装），并且安装之前应充分考虑其结构特性，分析并计算出最佳的数据，这些数据包括光伏组件的寿命和建筑寿命等。鉴于此，可以将光伏组件作为某些新修的建筑高层的建筑材料，用于屋顶和外墙。而当光伏组件用在这些情况下时，在设计过程中应对其进行加厚处理。此外，应充分考虑材料的韧性。通过韧性设计提升系统的抗风性能，从而保证光伏系统不会变形，确保系统始终能正常运行。

另一方面，对于组件和矩阵设计而言，应充分考虑如下2个因素。一是太阳能是直接影响光伏组件的元素。二是系统中各个元件的性能，如电池板、蓄电池等。其中，能直接影响太阳能的元素有经纬度、大气情况、海拔等，因此太阳能每天、每月、每季的辐射情况均会有明显的变化，直接影响光伏组件的电能转换。对于这些客观存在的因素，往往无法实施针对性措施予以避免。而对于光伏组件而言，其光伏矩阵倾斜度、表面清洁度、电池转化率及周围环境均是设计需重点考虑的问题。结合建筑自身实际情况来讲，光伏组件结构或集成屋顶对太阳辐射的接收有限，设计应重点注意，而为了获取大量太阳能，在做好物理维护的同时（清洁等），应优化设计矩阵的最佳位置。

5 案例分析

5.1 工程概况

某商业办公建筑所占地面积约为1.7×104m2，总建筑面积为8.8×104m2，共有5栋高层办公楼，下面2层为商铺，3层及以上为办公区域。在建筑规划设计中，要求满足绿色建筑二星级设计标准，设计至少一种可再生能源。根据工程实际情况（所在区域、成本），对比分析了地源热泵系统、太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统，最终选择了太阳能光伏发电系统，其安全性能高、无污染，且能为建筑持续提供所需电能。

5.2 技术应用

在这一项目中，太阳能光伏发电系统主要为地下室、走廊等区域提供照明。设计时，应从经济性、可靠性、实用性和合理性等角度进行综合考虑，不仅要科学配置系统，而且需保证系统能长期稳定运行，符合建筑照明用电需求。在这一需求下，尽量控制太阳能电池组件功率，确保系统可靠运行，并控制成本，获取最大化经济效益。

5.2.1 明确系统位置

分析整个办公楼，屋顶挑空区域较多，南侧空间大，能为太阳能电池板安装提供所需区域。所以，设计时要想避免出现遮挡情况，要采取架高处理方法。结合《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》相关内容，正确安装太阳能光伏组件，确保09:00—15:00前排光伏组件不会遮挡后排光伏组件。借助Ecotect软件对出现的遮挡进行分析，保证相邻两排光伏组件距离在1 400 mm范围内。本工程光伏组件共320块，主要设置在建筑屋顶上，面积共达523.76 m2，安装功率为300.8 kW。太阳光能被太阳能光伏组件转换为直流电，通过输配电网向地下室配电房传输，并在逆变器中形成380 V交流电。电网主要向变压器负载端传送，而不与公共电网相连接。

5.2.2 确定应用范围

众所周知，太阳能是一种典型的补充电源，可有效保护环境，为群众生活与生产提供源源不断的能源。然而，这并不表明太阳能光伏发电能超越传统火电。由于其能量密度较低且不够稳定，一般只运用于三级负荷，保证照明用电和普通插座用电。

5.2.3 计算年发电量

太阳能光伏系统的年发电量与所处区域维度倾角平面年总辐照量Q（Q=1 205.94 kW·h/m2）、光伏发电板面积Ac、光电转换效率η1及综合发电效率η2密切相关，相应的计算公式如下：

En=Q×Ac×η1×η2

代入相关数据后，可知En=1 205.94×523.76×15%×80%≈7.71（kW·h）。

6 结 论

提出了光伏建筑设计时应注意的问题，具有一定的参考价值，还存在一些不足。希望相关单位或人员能深入研究光伏建筑的应用方式，提出符合我国国情的设计方案，切实推动我国光伏产业发展与进步。