光伏建筑一体化存在的问题及解决方法分析

（中国电建四川工程有限公司，四川成都 610000）

光伏建筑一体化组件主要运用太阳能发电的形式，解决城市日趋庞大的能源消耗问题，我国新能源汽车人均保有量、单位建筑地下停车充电桩的增加，提升了城市区域用电负荷的高效性、灵活性。光伏建筑一体化以城市建筑为依附，一方面缓解了城市区域建筑群长时间高强度用电等情况，另一方面，由于光伏建筑一体化的发电率较高，可降低发电的成本，实现城市区域性供电调配，降低了城市对周边大型传统能源电厂的依赖。随着民众环保意识的不断提高、智能型城市的推广，光伏建筑一体化已逐步成为一种主流发电形式。

1 光伏建筑一体化相关概述

光伏和建筑的结合方式主要为光伏组件与建筑相结合、光伏器件与建筑相结合两种形式，光伏组件与建筑相结合的方式主要是光伏组件安装在建筑物的屋顶或阳台处，为光伏组件与建筑相结合初级形式。光伏器件和建筑相结合的形式主要采用特殊的材料和工艺加工手段，使光伏组件可作为建筑材料使用，即光伏建筑一体化。光伏建筑一体化中，可应用于建筑的光伏组件需要具备发电、建材两种功能，应从光伏组件和建材两方面进行考虑。

1.1 太阳能电池组件

太阳能光伏发电根据“光生伏特效应”，进一步将太阳能转化成为电能，太阳能电池的雏形最早出现在美国贝尔实验室单晶硅太阳能的报道中，早期的太阳能主要应用于航空航天领域。

太阳能电池经过迭代升级已经研发出晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池、染料敏化电池、钙钛矿电池等。晶硅电池主要受益于半导体产业的发展，目前是我国市场上的主流产品。碲化镉薄膜电池开始陆续小规模的进行生产，为建筑电池组件在种类和数量方面提供了较多的选择。应用建筑类光伏电池组件时，无特殊限定，可根据电池的特点及建筑物的实际情况，进一步设计光伏电池组件的形状、颜色、透明程度、接线盒的安装等，以满足建筑的实际需求。

1.2 建材需求

作为建筑材料使用的光伏电池组件，应满足建筑行业的相关标准要求。以铜铟镓硒薄膜电池为例，铜铟镓硒薄膜电池主要采用金属箔或高分子聚合物作为基底，也可使用玻璃作为基底，不同基底的铜铟镓硒薄膜电池使用的环境存在差异。根据柔性基底的光伏组件，铜铟镓硒薄膜电池对建筑柔性薄膜光伏组件材料、外观、质量、电池性能、电气安全性及相关环境的抵抗能力均有明确规定，以判断铜铟镓硒薄膜电池能否适用于建筑施工。

在建筑市场上主要的判定依据有两个方面：第一，检验光伏组件的工作性能是否满足太阳能电池的行业标准，如国际电工委员会制定的涉及电池组件性能及安全的标准。第二，检验光伏组件可达到建筑材料的相关标准，如《建筑用安全玻璃第二部分：钢化玻璃》（GB 15763.2—2016）、《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》（GB 29551—2013）、《建筑用光伏构件通用技术要求》（JG/T 492—2016）等相关标准，明确规定了有关落球冲击剥离性能、人工性能等相关技术指标的要求。

在实际设计的过程中，应根据使用的光伏组件不同、相同电池种类的不同结构，选择相应的标准，确保光伏组件达到建筑使用的工作性能要求。

2 光伏建筑一体化存在的问题

2.1 光伏组件的温度效应问题

光伏组件不同于其他太阳能热利用设备，光伏组件的温度越高，光电转换效率会越低。在光伏建筑一体化的应用过程中，光伏组件的负温效应会影响光伏建筑一体化。在建筑市场上，常见的单晶硅电池和多晶硅电池的温度响应系数为-0.45～-0.35，非晶硅电池的温度响应系数比晶硅电池的温度响应系数高，通常在-0.2左右，光伏组件的测试标准为太阳辐射1 000 W/m2，电池的温度为25 ℃，在实际的应用过程中，难以达到上述标准。外界环境温度为25 ℃、天气情况良好，地面的太阳能辐射可达到1 000 W/m2，开放式支架的光伏组件板温一般将达到50～60 ℃，导致晶硅光伏组件的输出功率下降到10%～13%。组件背部未与建筑结合，易导致通风不良、散热较差的问题发生，板温比开放式支架的组件温度高5～10 ℃。在光伏建筑一体化的设计中，若对光伏组件考虑不周或安装不合理，受光伏组件的温度升高的影响，将导致输出功率下降15%～18%甚至更多。

2.2 遮阴与建筑不同位置光伏组件的输出匹配问题

不及时解决遮阴问题会造成光伏建筑一体化整体效果欠佳，目前大部分乡建筑物均难以满足光照要求。除此之外，由于建筑物的各个位置的情况复杂，在具体的建筑物上要达到光伏发电组件的串联、并联难度较大，为了达到建筑物各个位置光伏阵列输出的电压等级一致性，可能会导致不同部位的组件尺寸、直流电压等级出现差异。光伏发电必须考虑各个支路的电压等级一致性，再进一步通过并联手段介入逆变器，避免影响系统效率，充分发挥光效组件的作用。

由于光伏组件安装在建筑屋顶或其他外围的结构上易被雷击，光伏建筑一体化的应用设计应重视光伏系统、组件支架、外边框的接地和防雷情况。

3 光伏建筑一体化的解决办法

3.1 光伏组件温度效应的解决办法

光伏组件的散热技术可分为主动式、被动式，主动式散热系统可采用的流体包括空气、水、制冷剂等。由于水的比热和导热系数较高，可冷却光伏电池板，试验表明采用喷洒光伏板面、正背面水冷、水浸冷却的等方式，使光伏电池板的工作温度降低22～30 ℃，光电转换效率提升10.3%～14.1%。

目前主流的光伏组件为光电光热一体化，其产品类型可分为热管水冷式、吸热板芯式，降低了光伏电池板工作时的温度，运用工作时产生的热量，保障建筑温度的稳定性。被动式散热无须输入额外能量，相较主动冷却效率较低、速率较慢。被动式散热结构简单、质量轻便、更换成本较低，由于高层建筑上部空气流速较快、流速方向单一，使用被动式散热可提升换热效率。

通过改变电池组设计、增加涂层、与热管相结合等方式提高光伏电池组的输出功率，降低热斑效应。应注意由于我国南北温差较大，在选用散热方式时应考虑当地的气候条件及城市布局，以太阳辐射量、温度及风速等数据为基础，以经济、环保政策及建筑样式等数据为条件，选择最优的散热方式，为光伏建筑一体化提供可行性的解决方案。

3.2 解决在建筑不同位置光伏组件的输出匹配的办法

在建筑初期设计阶段，应充分考虑建筑间的遮阴间距问题，光伏发电组件系统设计的过程中，应做好高大建筑物的勘测工作，计算不同建筑物间的遮阴距离。

由于光伏组件的排列顺序是根据多种光伏电池进行串联组成，可减少遮阴对系统的影响。在设计的过程中，应安排同一电池串联组的光伏组件在同一水平面或同一光照条件下。每个辐射条件在相同的区域的光伏组件均应组成相应的组件串，在辐射条件有差异的地方，安装光伏发电组件，采用并联的安装方式。在建筑屋顶进行组件阵列，在东西南北均设置不同的组件，通过并联的方式接入系统。

对建筑不同位置的光伏组件的输出匹配问题，可采用不同尺寸、不同规格的电池组件满足系统的串联、并联要求，可放弃安装光伏发电阵列，将部分组件作为建筑外部的装饰接入电路中。应明确建筑物的外观效果、节能指标的重要性，重视细小的问题，并及时提供解决方案。

面对光伏建筑一体化的防雷问题的过程中，为了防止被雷击，应将光伏支架、光伏组件金属外框进行接地处理，可确保光伏建筑一体化的设备、相关工作人员的安全。在光伏建筑一体化应用过程中，应协调需要的材料，将建筑和光伏发电相结合，以增强核心效果。

4 结语

在光伏建筑一体化的生产过程中，相关技术人员应针对可能出现的问题，及时找出问题的关键并进行考察、整理和排查，以减少相关组件问题的发生，提升光伏建筑一体化产品的质量。除此之外，我国应积极借鉴国内外的先进经验，结合实际建设情况，制定完善的光伏建筑一体化的经营管理制度。