淺談BIPV光伏建筑應(yīng)用方向與設(shè)計(jì)要求

進(jìn)入21世紀(jì)的十多年間，能源短缺和環(huán)境惡化日益突出。開(kāi)發(fā)可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是解決以上問(wèn)題的唯一途徑。太陽(yáng)能由于其儲(chǔ)量巨大、使用清潔、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為了最受矚目的可再生能源。世界各主要國(guó)家都將光伏產(chǎn)業(yè)作為研究的重點(diǎn)之一，并相繼推出各自計(jì)劃。如美國(guó)加州全面推動(dòng)百萬(wàn)屋頂計(jì)劃，歐盟可再生能源白皮書(shū)計(jì)劃，德國(guó)的太陽(yáng)能上網(wǎng)補(bǔ)貼計(jì)劃等。 　　在我國(guó)，得益于國(guó)家政策的扶持，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也得到快速發(fā)展。分別由國(guó)家發(fā)改委能源局和國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部牽頭開(kāi)展的金太陽(yáng)示范工程和太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用項(xiàng)目，以及2012年底推出的分布式發(fā)電計(jì)劃，還有新能源發(fā)展配額目標(biāo)已寫(xiě)入“十二五”規(guī)劃。 　　我國(guó)未來(lái)必將重點(diǎn)發(fā)展BIPV 　　目前，我國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一。應(yīng)當(dāng)看到，對(duì)于經(jīng)濟(jì)活躍地區(qū)的東部沿海經(jīng)濟(jì)帶，城市化后能源短缺，建筑積聚，土地少，不利于發(fā)展大型地面光伏電站，但卻十分適合發(fā)展BIPV。雖然單個(gè)BIPV項(xiàng)目雖然規(guī)模小，但是滴水匯海，和對(duì)電力短缺的就地補(bǔ)充，而且解決了長(zhǎng)距離傳輸對(duì)光伏電站損耗的困擾。 　　國(guó)內(nèi)光伏應(yīng)用經(jīng)過(guò)多年發(fā)展后，不管是產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，還是實(shí)際政策效應(yīng)，由今年開(kāi)始已逐步從大型地面電站應(yīng)用向分布式發(fā)電模式過(guò)渡，基于建筑的分布式發(fā)電進(jìn)入黃金十年發(fā)展周期。 　　BIPV發(fā)電模式，將以其“低空間成本、低輸變電成本、低綜合安裝成本”的優(yōu)點(diǎn)和以下特點(diǎn)，成為我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。 　　建材型光伏產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多年產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，目前已經(jīng)成熟并能夠滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求。 　　在價(jià)格方面，建材型光伏產(chǎn)品（如光伏幕墻用薄膜組件、光伏瓦），與其它同類高檔材料相比已經(jīng)具備明顯的可比較性和可行性，而在尺寸、色彩、強(qiáng)度、電力安全、建筑美學(xué)等方面亦能夠符合建筑應(yīng)用的特殊要求，產(chǎn)品的透光度、色彩、結(jié)構(gòu)均可按照建筑要求進(jìn)行定制化生產(chǎn)。 　　工業(yè)廠房的附加型（BAPV）應(yīng)用，由于同建筑結(jié)合度不高，將逐漸淘汰。 　　大量工業(yè)廠房屋頂都采用彩鋼結(jié)構(gòu)而非混凝土結(jié)構(gòu)，這使得屋頂?shù)某兄睾褪褂媚晗薹矫娑硷L(fēng)險(xiǎn)很大。眾所周知，彩鋼結(jié)構(gòu)的屋頂使用壽命至多只有15年（從光伏項(xiàng)目建設(shè)開(kāi)始已不足15年），而光伏發(fā)電簽訂的協(xié)議卻是25年，兩者完全不匹配。 　　而民居屋頂為混凝土結(jié)構(gòu)，可有效避免此問(wèn)題。工業(yè)企業(yè)屋頂光伏應(yīng)用原則是高能耗、自發(fā)自用余電上網(wǎng)。進(jìn)入“十二五”以后，沿海發(fā)達(dá)地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型決定了這類企業(yè)將越來(lái)越少，高能耗工業(yè)企業(yè)也不是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的方向，加之由于工業(yè)屋頂對(duì)于業(yè)主穩(wěn)定性、承重要求等多方面限制，工業(yè)屋頂資源緊缺的問(wèn)題已經(jīng)突現(xiàn)，這也造成今后在工業(yè)企業(yè)屋頂上大規(guī)模推廣應(yīng)用光伏空間日益減少。 　　民居屋頂應(yīng)用可以有效避免工業(yè)屋頂應(yīng)用中的多項(xiàng)關(guān)鍵制約因素，從項(xiàng)目可行性和業(yè)務(wù)模式等多方面分析均更可行。企業(yè)與屋頂業(yè)主簽訂的購(gòu)電協(xié)議需長(zhǎng)達(dá)25年，而民居的產(chǎn)權(quán)清晰并且穩(wěn)定，不存在光伏廠房應(yīng)用項(xiàng)目在此方面的業(yè)主運(yùn)營(yíng)、變化、重建等不確定風(fēng)險(xiǎn)，因此其業(yè)務(wù)模式風(fēng)險(xiǎn)小，電費(fèi)收入穩(wěn)定，是積極探索與推動(dòng)我國(guó)光伏應(yīng)用示范的良好項(xiàng)目類型。 　　商用建筑以其發(fā)電效率高、裝機(jī)容量大、使用損耗小、留存時(shí)間長(zhǎng)、示范效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，將是各省市的重點(diǎn)示范方向。 　　由于不同朝向?qū)Πl(fā)電量影響較大，所以屋頂項(xiàng)目是BIPV效率最高的位置，而商用建筑就是以大屋頂而著稱，而且多為閑置屋面。比如義烏小商品市場(chǎng)等商用建筑屋面面積超過(guò)萬(wàn)余方，裝機(jī)容量超過(guò)1MWP，是BIPV項(xiàng)目中的巨無(wú)霸。 　　另外，大大型商業(yè)一般都靠電源照明，而且營(yíng)業(yè)時(shí)間多為白天且無(wú)間歇，可以不用蓄電設(shè)備，減少投資，而且無(wú)需長(zhǎng)距離傳輸，就地使用損耗小。 　　再者，商業(yè)建筑一般為永久性建筑，設(shè)計(jì)使用年限一般為50年，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，實(shí)際電站的存續(xù)時(shí)間可以等同或超過(guò)光伏電站的設(shè)備使用年限，而且人流集中，更適合新產(chǎn)品和新技術(shù)的推廣。 　　政府也會(huì)采取一定的強(qiáng)制和鼓勵(lì)措施大力推進(jìn)商用建筑的示范工作，對(duì)開(kāi)發(fā)商的強(qiáng)制措施包括大型商業(yè)建筑需要達(dá)到建筑綠色認(rèn)證設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)二星或三星要求，對(duì)開(kāi)發(fā)商的獎(jiǎng)勵(lì)措施包括在獲得國(guó)家綠建補(bǔ)貼的同時(shí)，地方政府也可配套獎(jiǎng)勵(lì)基金，并且在土地出讓、項(xiàng)目審批、稅收上給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)舉措。對(duì)職能部門(mén)可以制定發(fā)展目標(biāo)，鼓勵(lì)職能部門(mén)積極協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)商與電站投資運(yùn)營(yíng)商之間的聯(lián)系，促進(jìn)商用BIPV的發(fā)展。 　　BIPV設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn) 　　電池組件形式及規(guī)格需要多樣化。 　　組件形式包括傳統(tǒng)的單晶硅電池、多晶硅電池、微晶薄膜電池、非晶薄膜電池和軟膜電池，還有太陽(yáng)能光伏瓦等衍生產(chǎn)品。晶硅電池組件可以根據(jù)建筑形式排版多種規(guī)格尺寸，還可以根據(jù)建筑采光及美學(xué)要求制作不同透光板塊。薄膜電池組件現(xiàn)在也有許多廠家可以進(jìn)行不同尺寸調(diào)整，還有廠家可以經(jīng)行半成品的任意尺寸切割，這些都是為了適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)的要求。而且還發(fā)展出了直接做成傳統(tǒng)建材樣式的光伏瓦、軟膜電池等。 　　這么多種類的電池，在設(shè)計(jì)中如何選擇至關(guān)重要。 　　首先，是滿足建筑要求，在地面光伏電站中使用的光伏組件，只要通過(guò)IEC61215的檢測(cè)，滿足抗130km/h（2,400Pa）風(fēng)壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求即可。而B(niǎo)IPV光伏組件不僅需要滿足光伏組件本身的性能要求，同時(shí)要滿足幕墻的四性實(shí)驗(yàn)要求（抗風(fēng)壓性能、平面內(nèi)變形性能、氣密性能和水密性能）和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。 　　其次，選擇晶硅電池時(shí)，如果部分位置有遮擋，就要考慮晶硅組件的熱斑問(wèn)題，這時(shí)的旁路二極管沒(méi)有起作用，雖然陰影的程度沒(méi)有達(dá)到二極管的反向?qū)妷海@時(shí)產(chǎn)生的熱斑效應(yīng)雖然不足以對(duì)組件造成破壞，但長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)的電池組件會(huì)遭到明顯的損壞，所以在立面太陽(yáng)光入射角不佳和有陰影的位置盡量考慮薄膜電池組件。晶硅電池組件與薄膜電池組件電壓差距較大，而且不同廠家生產(chǎn)的組件電壓也不相同，需要根據(jù)實(shí)際情況配置電氣部分。 　　接線盒需要小型化和多樣化 　　接線盒作為電池與其他設(shè)備連接的必要設(shè)備，再與幕墻結(jié)合時(shí)，建筑對(duì)它的要求就是隱身，所以接線盒的設(shè)計(jì)就逐漸小型化，并且隱藏在板塊縫隙或外裝飾條內(nèi)側(cè)。 　　電纜短接頭小、板塊組合需多組化 　　光伏發(fā)電效率的提高即使是0.1個(gè)百分點(diǎn)也是科研人員花費(fèi)大量精力、時(shí)間和金錢(qián)才能得到，但是線纜傳輸過(guò)程中的損耗卻有近1個(gè)百分點(diǎn)，所以如何減少線纜及其他設(shè)備的損耗是BIPV設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn)。 　　幕墻上應(yīng)用一定要考慮室內(nèi)外的美觀，所以線路必須做到室內(nèi)外均不外露。另外板塊通過(guò)串并聯(lián)的結(jié)合增加電池板的分組，減少個(gè)別板塊損壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率的影響。 　　控制器和逆變器需結(jié)合，逆變器需要小型化，模塊化。 　　現(xiàn)在控制器和逆變器很多都是結(jié)合在一起設(shè)計(jì)的，這樣便于經(jīng)行設(shè)備檢修，減少當(dāng)機(jī)率。另外由于個(gè)別板塊損壞會(huì)導(dǎo)致整串功率受到影響，損失較多裝機(jī)容量，有時(shí)還會(huì)應(yīng)為日照條件變化導(dǎo)致過(guò)多逆變器負(fù)荷參與工作導(dǎo)致效率下降等因素，制約了大型逆變器的效率的提高，所以現(xiàn)在需要考慮逆變器的模塊化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已有廠家采用智能化休眠技術(shù)，使逆變器的最高效率提高到98.6%，歐洲效率提高到97.6%，而且采用低電壓50~500kW容量自由組合，并且支持熱插拔，可以在不停機(jī)的情況下安裝維護(hù)，另外完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能易于監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，是今后BIPV的一個(gè)較優(yōu)方向。 　　另外，微型逆變器為每塊組件單獨(dú)工作，更利于提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，特別是板塊種類較多和使用位置較復(fù)雜時(shí)是較優(yōu)選擇，但目前這種方案造價(jià)較高，需要綜合考慮。 　　減少蓄電池的使用。光伏組件本身只有發(fā)電作用，是不具備儲(chǔ)電作用的。并網(wǎng)是組件發(fā)的電直接并到國(guó)家電網(wǎng)里，不需要儲(chǔ)能的，通過(guò)防逆流裝置可以做到安全無(wú)縫使用。離網(wǎng)是單獨(dú)使用的，在光線不強(qiáng)或是夜晚沒(méi)有陽(yáng)光的情況下，還需要電能的話，就要靠蓄電池部分提供電能。白天光伏組件發(fā)的電為蓄電池充電，可供夜間使用，這樣就要投入較高成本來(lái)配置蓄能設(shè)備。 　　目前光伏用蓄電池，主流是免維護(hù)鉛酸蓄電池，優(yōu)點(diǎn)價(jià)格便宜、成本低，維護(hù)簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是容量較低，壽命短。還有一種是鋰電池，優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)簡(jiǎn)便、容量高，缺點(diǎn)是由于剛被使用在光伏行業(yè)，因此成本很高，暫時(shí)還替代不了鉛酸蓄電池。還有一種儲(chǔ)能裝置，就是超級(jí)電容，優(yōu)點(diǎn)是容量可以做到很高，但缺點(diǎn)是仍處于研發(fā)階段，不成熟。所以離網(wǎng)系統(tǒng)由于蓄能環(huán)節(jié)的高投入和高維護(hù)不是今后的發(fā)展方向，所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)盡量減少蓄電池的使用。 　　型材便于檢修和線纜隱蔽 　　BIPV光伏組件的安裝要比普通組件的安裝難度大很多。一般BIPV組件安裝高度較高、安裝空間較小?？紤]到安裝方便，可以將光伏組件和結(jié)構(gòu)做成單元式結(jié)構(gòu)，方便安裝并提高幕墻的安裝精度。比如可以采用單元式光電幕墻代替明框幕墻和隱框幕墻。筆者還針對(duì)隱框和明框幕墻開(kāi)發(fā)了采用了外側(cè)通渠式隱線系統(tǒng)，解決了光伏電池組件布線的難題。室內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了內(nèi)開(kāi)式隱線系統(tǒng)，解決了光伏系統(tǒng)線路檢測(cè)和檢修的難題，使BIPV在應(yīng)用中光伏組件的連接線全部隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。我們今后的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步提高這方面的要求。 　　繼續(xù)提高組件效率，提高產(chǎn)品的弱光性能。 　　BIPV系統(tǒng)常用的晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率（多晶硅13～16.5%；單晶硅16～18.5%）還需要進(jìn)一步提高。BIPV系統(tǒng)用的薄膜電池（銅銦硒和銅銦鎵硒11～13%；碲化鎘8～11%；砷化鎵和聚合物10～14%）由于弱光性能優(yōu)良，相對(duì)效率較好。幕墻上的應(yīng)用需要電池組件具有良好溫度系數(shù)和弱光性，對(duì)紅外和紫外線具有良好的吸收和轉(zhuǎn)化作用，光伏板塊在幕墻立面上使用，節(jié)省了幕墻傳統(tǒng)面板的使用，而且反射率低，沒(méi)有光污染，具有良好地經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。今后研發(fā)主要控制的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為光伏建筑一體化的價(jià)格2015年降至14元/瓦（現(xiàn)綜合測(cè)算成本約為16元/瓦）6。系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到80%以上。 　　繼續(xù)提高與建筑的結(jié)合程度 　　建筑幕墻是技術(shù)、藝術(shù)和功能的綜合體，所以在材料色彩和規(guī)格上建筑師都有較高的要求，所以我們需要進(jìn)一步提高光伏與建筑的結(jié)合度，開(kāi)發(fā)出更多建材型組件，提供美觀實(shí)用的光伏產(chǎn)品，進(jìn)一步提高建筑的品味。 　　應(yīng)用直流化、集成化 　　目前光伏電池發(fā)電都是直流電，所以應(yīng)用中盡量考慮實(shí)用直流負(fù)載，減少成本與損耗。另外光伏與保溫材料一體化集成、光伏與電致變色一體化集成、光伏光熱一體化集成、PV-LED一體化集成也是以后的應(yīng)用方向。 　　電池組件規(guī)格和色彩多樣化，并提高工業(yè)化和模塊化生產(chǎn)水平：傳統(tǒng)晶硅電池雖然穩(wěn)定性好，但價(jià)格昂貴，且電池本身不透明，采光需要靠調(diào)整電池的間距實(shí)現(xiàn)，所以可以經(jīng)過(guò)深入的研發(fā)提高工業(yè)化率降低造價(jià)，也可研發(fā)新型封裝方法及材料豐富晶硅組件顏色。