光伏建筑一体化融合理念和光伏系统设计要点

房建军

(国家能源集团绿色能源与建筑研究中心， 北京低碳清洁能源研究院， 北京 102211)

光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic,BIPV)[1]将光伏组件或光伏构件等有光伏发电功能的建材与建筑集成满足建材的热工、抗震、抗腐蚀、抗风等各项要求[2]，通过合理设计，实现光伏系统与建筑的融合，从而提升建筑的品质。光伏建筑无须额外占用土地，就地发电就地利用，实现建筑节能减排，可减少输配电网络的能源损耗[3]，推动能源革命。近年来，国内BIPV技术发展迅速，成为光伏技术应用的重要方向[4]。已经发布的有关光伏建筑政策、技术规范和标准大大促进了光伏系统在建筑上的应用。但是相比常规的光伏地面电站，建筑光伏系统的应用有不同的特点和要求。光伏建筑的光伏系统应与建筑协调统一设计，以降低安装、运行成本，提高安全可靠性，提高光伏系统的效益[5]。目前针对光伏建筑的特点和独特要求进行BIPV的设计和实施还缺乏全面、系统的指导。本文详细介绍BIPV技术的光伏和建筑有机融合的概念，分析BIPV建筑光伏发电的特点，提出光伏系统设计要点，推动光伏在建筑上的应用。

1 光伏系统和建筑的有机融合

BIPV是光伏与建筑的有机融合,主要是指光伏系统与建筑的功能、安全、信息等方面的有机融合。

1.1 功能融合

BIPV建筑使用的光伏组件或光伏构件必须满足建筑上使用部位的相关建材规范[6]。满足建筑对于建材的功能、美学要求。还要兼顾这种建材的发电功能。明确项目空间环境，根据所在地的太阳能辐照资源等信息，尽量选择有利于光伏发电的倾角和朝向布置光伏方阵，尽量避开可能的遮挡，最大化获得发电效益。

1.2 安全融合

使用满足建材规范的光伏组件或构件代替常规建材，可以满足建筑对于建材的安全要求[7]，不会带来额外的安全风险。但是光伏方阵在充足日照下组串的开路电压可高达1 000 V，设计、安装、使用和维护不当会带来电击风险。因此在设计、安装、使用、维护阶段要严格按照规范进行工作，杜绝电击事故，还应注意防雷、消防设计。

1.3 信息融合

BIPV建筑应建成智慧、安全、绿色、高效的现代建筑，应配备包含光伏监控系统、楼宇智能控制系统和综合能源管理系统的建筑综合管理系统。其中光伏监控系统采集光伏系统运行数据，如电压、电流、发电量、温度等；环境数据，如气温、湿度、太阳辐照强度、风速、风向等。可以预测光伏发电量，提供运维、故障诊断等信息。建筑综合能源管理系统收集、分析各类用电负荷、空调负荷运行数据。将光伏产能和建筑用能有机结合，统一调度，最大化利用清洁能源、降低建筑能耗。光伏和建筑的有机融合如图1所示。

图1 光伏与建筑的有机融合

2 BIPV建筑发电特点分析

与地面电站安装位置不同，BIPV建筑的光伏方阵一般安装在立面或屋面，发电特点有很大不同。影响建筑光伏系统发电的因素很多，如项目地太阳能辐照资源，光伏方阵的朝向、倾角、建筑条件和系统设计等。光伏发电项目需要预测发电量，评估发电成本、社会及经济效益[8]。光伏建筑发电量预测比较复杂，一般采用专门的软件如PVsyst等进行计算。

2.1 影响光伏方阵发电量的外部条件

影响光伏方阵发电量的主要外部条件是获得的太阳能辐射能量和组件温度。根据项目所在地和建筑环境等对建筑太阳能辐射资源进行分析，辐射资源是确定光伏系统装机容量的重要依据之一。如图2所示，建筑地理位置、周边环境、建筑外形、光伏方阵的朝向和倾角等会影响光伏方阵接收到的太阳能辐射能量，进而对发电性能产生影响。建筑的地理位置、光伏安装位置、安装方式和朝向都会影响组件的温度，温度升高，组件发电下降。

图2 影响BIPV发电量的外部条件

2.2 朝向变化对光伏发电的影响

一般光伏组件的朝向和倾角等由建筑设计决定，很少为光伏发电采取最佳朝向和最佳倾角，为提高发电效益应尽量将光伏组件安装在太阳能辐照能量较大的位置。以北京为例，屋面、南、东和西立面等不同朝向光伏方阵与最佳倾角发电量比值如图3所示。对于同一光伏装机容量，最佳倾角为南向倾角35°的光伏方阵发电量最高；与之相比，水平的光伏方阵发电量约为85%，南、东、西立面分别约为70.6%、52.2%和52.3%。

图3 朝向变化对于光伏发电的影响

2.3 倾角变化对发电的影响

BIPV需注意立面和屋面光伏方阵倾角变化对发电的影响和地面电站(通常采用最佳倾角[9])不同。图4所示为北京南向不同倾角时光伏方阵发电量，南向倾角35°的光伏方阵发电量最高；南向倾角取85°可比90°时提高5%发电量。

图4 南向倾角变化对于光伏发电的影响

3 BIPV光伏系统设计要点

BIPV光伏系统应结合辐照资源、建筑条件与建筑电气统一设计，以保证电气安全、设计质量、提高光伏系统的效益。图5所示为BIPV光伏设计要点。

图5 BIPV光伏系统设计要点

3.1 光伏组件选用

光伏组件作为建材，要满足相应的建材规范要求，比如作为幕墙建材使用时，光伏组件通常采用钢化玻璃夹层结构，需要满足玻璃幕墙标准的要求。为提高光伏发电收益，应根据2018年工信部公布的《光伏制造行业规范条件》等进行选择[10]。BIPV的设计应根据建筑功能、设计理念、建筑条件等因素确定光伏组件可利用位置、面积，从而选择类型、尺寸、颜色和安装方式。

3.2 逆变器选择

BIPV优先选用组串式逆变器，尽量增加MPPT输入回路数量，使光伏系统具备较好的最大功率跟踪优势，有效应对遮挡等不利因素。并网逆变器的功率和台数与光伏方阵的布置有关。选取逆变器时需要考虑额定功率、转换效率、最大可接入MPPT回路数量等问题。组串逆变器尽量靠近光伏方阵安放，减少线路损耗。

3.3 并网和接入

要结合项目建设条件、容量规模、考虑发电系统造价，进行多因素综合评估，进行合理经济性分析后，确定安全可靠的方案。BIPV光伏系统一般应采用自发自用余电上网方式接入用户侧电网，光伏并网应符合就近分散接入，就地平衡消纳设计原则。根据项目条件，选择单点集中并网或多点分散并网方式。并网点的选择和电网条件、负载和线路损耗等因素有关[11]。电网条件主要指建筑配电系统接受光伏系统的能力，及电网线路连接的可行性、合理性。

3.4 消防

BIPV光伏系统需防止火灾隐患，设计、实施时要注意消防安全，应满足所在建筑部位相应的消防等级要求，和建筑消防统一设计、施工[12]。

3.5 防雷和接地

建筑光伏系统作为建筑电气设计的一部分，与建筑物的防雷和接地系统统一设计[13]。防雷等级分类和防雷措施按国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2016)和《光伏发电站防雷技术要求》(GB/T 32512—2016)相关规定执行。

3.6 电缆

光伏系统中光伏组件串联、组串与逆变器连接，都是采用直流电缆，必须满足防潮、耐寒、耐热等要求。电缆安装过程中，电缆经常弯折、拉伸，更加速了电缆的老化，增加了维修成本，直接影响了光伏系统的使用寿命。所以BIPV光伏系统布线时必须采用光伏专用电缆，满足相关行业标准。

4 结论

通过提出光伏建筑一体化有机融合理念，对分析BIPV建筑发电的特点以及研究BIPV光伏系统设计要点得出以下结论：

1)光伏建筑一体化技术可以降低建筑整体建造成本、降低能耗，促进节能减排。

2)光伏与建筑深度融合主要是功能融合、安全融合、信息融合。

3)根据提出的BIPV光伏设计的要点，可以有效地指导建筑光伏系统的设计。

4)BIPV建筑光伏发电就地生产就地消纳，为提高就地消纳效果，要积极采用直流微电网等先进技术。

5)BIPV还未进入大规模应用阶段，相应的规范和实际工作中还有大量问题，需通过扎实的理论研究结合工程实践，积极推进，形成更加完善的工程标准体系。