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。開發(fā)可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是解決以上問題的唯一途徑。太陽能由于其儲(chǔ)量巨大、使用清潔、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為了最受矚目的可再生能源。世界各主要國家都將光伏產(chǎn)業(yè)作為研究的重點(diǎn)之一，并相繼推出各自計(jì)劃。如美國加州全面推動(dòng)百萬屋頂計(jì)劃，歐盟可再生能源白皮書計(jì)劃，德國的太陽能上網(wǎng)補(bǔ)貼計(jì)劃等。 　　在我國，得益于國家政策的扶持，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也得到快速發(fā)展。分別由國家發(fā)改委能源局和國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部牽頭開展的金太陽示范工程和太陽能光電建筑應(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)已寫入“十二五”規(guī)劃。 　　我國未來必將重點(diǎn)發(fā)展BIPV 　　目前，我國的太陽能產(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，而且解決了長距離傳輸對(duì)光伏電站損耗的困擾。 　　國內(nèi)光伏應(yīng)用經(jīng)過多年發(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)，由今年開始已逐步從大型地面電站應(yīng)用向分布式發(fā)電模式過渡，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)，成為我國太陽能應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。 　　建材型光伏產(chǎn)品經(jīng)過多年產(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)將越來越少，高能耗工業(yè)企業(yè)也不是國家鼓勵(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)主簽訂的購電協(xié)議需長達(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、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、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萬余方，裝機(jī)容量超過1MWP，是BIPV項(xiàng)目中的巨無霸。 　　另外，大大型商業(yè)一般都靠電源照明，而且營業(yè)時(shí)間多為白天且無間歇，可以不用蓄電設(shè)備，減少投資，而且無需長距離傳輸，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)營二星或三星要求，對(duì)開發(fā)商的獎(jiǎng)勵(lì)措施包括在獲得國家綠建補(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)職能部門可以制定發(fā)展目標(biāo)，鼓勵(lì)職能部門積極協(xié)調(diào)開發(fā)商與電站投資運(yùn)營商之間的聯(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BIPV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題，這時(shí)的旁路二極管沒有起作用，雖然陰影的程度沒有達(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)間和金錢才能得到，但是線纜傳輸過程中的損耗卻有近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)的電直接并到國家電網(wǎng)里，不需要儲(chǔ)能的，通過防逆流裝置可以做到安全無縫使用。離網(wǎng)是單獨(dú)使用的，在光線不強(qiáng)或是夜晚沒有陽光的情況下，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。