（凝聚态物理专业论文）光伏建筑一体化发电系统设计与施工.pdf

摘要 光伏建筑一体化是应用太阳能发电的新热点，具有节约占地，减少输电线路 的投资和损失，替代或部分替代建筑材料等优点。本论文是在博士与博士后期间 参于的光伏建筑一体化项目的工作基础上，对太阳能光伏建筑一体化设计与施工 的流程进行探讨，以及太阳能光伏建筑一体化系统设计中的一些关键问题进行了 研究。 一、回顾了太阳能光伏发电的发展历史与现状。着重对国内新近出台的光 伏发电促进政策进行了重点介绍，同时对本文所涉及的光伏建筑一体化的研究和 应用状况作了较全面的介绍。 二、对光伏建筑一体化中的设计程序进行了研究，结合b i p v 工程中实例并 且对光伏建筑一体化工程中设计与施工中关键点进行了详细的介绍。 三、结合本人组织设计与施工的林洋工业园1 7 m w 光伏屋顶并网发电项目， 以案例的形式对光伏项目设计与施工流程中的经验进行了分析总结，这将对以后 同类型项目的开展有很大的帮助。 四、结合高压并网发电项目实例，对光伏并网的安全进行了研究和接入方案 设计，可为国内同型并网系统接入提供参考。 五、结合屋顶并网发电项目工程实例，对安装太阳能光伏系统的建筑物防雷 进行了研究，主要是分为直击雷防护与感应雷防护，不仅对它们分别形成的机理 进行了探讨，还提出了相应的防护措施。 关键词：光伏系统；光伏建筑一体化；并网 d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fb u i l d i n gi n t e g r a t e d p h o t o v o l t a i cs y s t e m s a b s t r a c t b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ( bi p v ) s y s t e m sh a v et u r n e dt ob ean e w h o t s p o ti ns o l a rp o w e rf i e l ds i n c et h ea d v a n t a g e so fs m a l l e rl a n do c c u p a t i o n ，l o w e ri n v e s t f o rp o w e rt r a n s m i s s i o nc i r c u i ta n dl e s se l e c t r i c i t yl o s s ，s e r v i n ga ss u b s t i t u t e sf o rs o m e b u i l d i n gm a t e r i a l s b a s e do nt h ew o r ko fb i p vp r o j e c t sd u r i n gd r a n dp o s td r s t u d y , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r e so fb i p vs y s t e m sd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n ，a l s os o m ek e yp o i n t so fd e s i g n i n gb i p vs y s t e m sa r er e s e a r c h e d i nt h i sa r t i c l et h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no fp h o t o v o l t a i cd e v e l o p m e n ta r e r e v i e w e d ，w i t he m p h a s i so nt h en e w l yr e l e a s e dn a t i o n a l p vp r o m o t i n gp o l i c y f u r t h e r m o r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h em e n t i o n e db i p va r ei n t r o d u c e d c o m p r e h e n s i v e l y c o m b i n i n gw i t ha c t u a le x a m p l et h e bi pvd e s i g np r o g r a mw a ss t u d i e da n d d e t a i l e di n t r o d u c t i o nw a sm a d et ot h ek e yp o i n t si nb i p vd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x a m p l ep r o j e c to f1 7 m wg r i d c o n n e c t e dr o o f - t o pb i p v s y s t e mf o rl i n y a n gi n d u s t r i a lp a r k ，s o m ee x p e r i e n c ea n dg e n e r a lc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e df o r t h ebi p vd e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o c e d u r e sw h i c hw i l l b e m e a n i n g f u lt ot h ea f t e r w a r d ss i m i l a rp r o j e c t s c o m b i n i n gw i t ht h ee x a m p l eo fh i g hv o l t a g eg r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o n p r o j e c t ，t h es e c u r i t yo fo n g r i db i p vs y s t e mi ss t u d i e da n ds w i t c h i nd e s i g nw a sg i v e n w h i c hw i l lp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n i n go fs i m i l a rd o m e s t i cg r i d c o n n e c t e d p vs y s t e m s c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lg r i d c o n n e c t e dr o o f - t o pp o w e rg e n e r a t i o np r o j e c t ，t h e l i g h t n i n gp r o t e c t i o nf o rb u i l d i n g si n s t a l l e dw i t hs o l a rp vs y s t e m si ss t u d i e d m a i n l y t h e r ea r et w ok i n d so fp r o t e c t i o n ：d i r e c t l i g h t n i n gf l a s hp r o t e c t i o na n dl i g h t n i n g i n d u c t i o np r o t e c t i o n ，n o to n l yt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mb u ta l s ot h ec o r r e s p o n d i n g p r o t e c t i o nm e t h o da r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：p vs y s t e m s b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c s ：g r i d - c o n n e c t e d i i 目录 中文摘要一i 英文摘要”i i 目录一i i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 光伏产业发展状况与展望l 1 3 太阳能光伏建筑一体化的优势7 1 4 光伏建筑一体化的形式和特点8 1 5 博士后出站报告内容9 第二章太阳能光伏建筑一体化设计与施工l l 2 1 引言一1 1 2 2b i p v 设计到施工流程1 1 2 3b i p v 工程现场调查1 2 2 4b i p v 项目设计l 2 2 5 小结2 7 第三章光伏屋顶工程设计与施工案例分析2 8 3 1 项目概况一2 8 3 2 光伏系统基本情况2 8 3 3 并网方式和安全措施3 l 3 4 太阳能电池组件3 1 3 5 太阳能电池组件支架及阵列布置3 4 3 6 并网逆变器3 5 3 7 数据监控系统“3 7 3 8 项目投资概算3 8 3 9 太阳能电池组件支架及阵列布置3 9 3 1 0 经济效益分析4 3 3 1 l 小结4 4 第四章光伏并网安全与接入方案设计5 4 4 1 引言5 4 4 2 并网安全一5 4 4 3 接入方案一6 0 4 4 电力平衡6 2 4 5 送出线路截面选择6 3 4 6 系统继电保护一6 3 4 7 系统通信一6 4 4 8 小结6 5 第五章光伏屋顶并网系统防雷接地研究6 7 5 1 雷电概述6 7 5 2 林洋工业园屋顶并网发电项目防雷要求6 7 5 3 雷击的途径6 9 5 4 雷击防护的基本方法6 9 5 5 雷击的选择性7 3 5 6 太阳能光伏建筑防雷设计方案7 3 5 7 小结7 9 第六章结论81 参考文献8 2 附件8 3 致谢 1 1 引言 第一章绪论 从1 9 5 4 年美国贝尔实验室第一个有实用价值的太阳能电池诞生起，人类就 掀开了向太阳索取电力的篇章。短短的5 0 多年，光伏发电得到了飞速发展，近 1 0 年世界太阳能电池的年平均增长率超过4 0 ，我国太阳能电池连续5 年以 2 0 0 以上的速度增长。在8 0 年代，光伏地面应用除了大量作为独立电源系统外， 已经开始进入并网户用和商业建筑领域。进入9 0 年代以后，随着常规发电成本 的上升和人们对环境保护的日益重视，一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划， 比较著名的有德国十万屋顶计划、美国百万屋顶计划以及日本的新阳光计划等。 “光伏发电与建筑物集成化”( b u i l d i n gi n t e g r a t e d a t t a c h e dp h o t o v o l t a i c ) 的 概念也在1 9 9 1 年被正式提出【2 1 ，并很快成为热门课题。这不仅开辟了一个光伏 应用的新领域，而且意味着光伏发电开始进入在城市大规模应用的阶段。光伏发 电与建筑相结合具有节约占地，提高发电效率，减少输电线路的投资和损失，替 代或部分替代建筑材料等优点。光伏并网发电与建筑结合具有划时代的意义，它 标志着光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡，由补充能源向替代能源过 渡，由大型集中电站向分布供电模式过渡；人类社会向可持续发展的能源体系过 渡。 1 2 光伏产业发展状况与展望 1 2 1 世界光伏产业发展状况 世界光伏产业一直保持高速的发展，在过去的二十年里保持了大约2 0 2 5 的增长率，过去的五年里更是达到4 9 5 的年平均增长率。图1 1 为1 9 9 0 2 0 0 7 年世界光伏市场的太阳能电池产量情况。从图1 1 可以看出，世界光伏产业增长 的势头是越来越快，世界太阳能电池的生产总量从1 9 9 5 年的7 7 6 m w 增加到 2 0 0 7 年的3 4 3 6 m w , 增长了1 8 倍。2 0 0 7 年全球光伏累计安装量达1 2 6 4 g w 。 i 9 9 01 1 9 9 l1 1 9 ，二i1 3 9 3l i j 9 ：1 1 9 9 51 9 j 5 11 9 j 7l ：9 9 8 1 9 9 亏l2 0 0 0i 二0 0 1i 二o c j 二l2 0 0 ；i2 0 0 l2 0 0 52 0 0 6f ：0 07 图1 11 9 9 0 年一2 0 0 7 年世界太阳能电池的年产量 从目前光伏发电市场应有的太阳能电池种类来看，目前还是硅材料太阳能 电池占主导地位，特别是晶体硅太阳能电池。表1 1 是2 0 0 0 2 0 0 6 年各类太阳 能电池产量百分比，从其可以看出，加上晶体硅、多晶硅和带硅太阳能电池，2 0 0 6 年晶体硅太阳能电池所占的比例超过9 2 ，非晶硅太阳能电池从2 0 0 0 年的9 6 降到2 0 0 6 年的4 5 ，而铜铟硒和碲化镉两种太阳能电池发展也很缓慢，目前市 场份额较小。 表卜l2 0 0 0 - 2 0 0 6 年各类太阳能电池产量百分比( ) 电池种类2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 单品硅 3 7 43 4 63 6 43 2 23 6 23 8 33 6 多晶硅 4 8 25 0 25 1 65 7 25 4 75 2 35 4 非晶硅 9 6 8 9 6 44 54 44 74 5 硅带4 35 64 64 43 32 92 2 其他 0 50 7 0 91 71 51 81 2 目前的光伏产业主要是指晶体硅太阳能电池产业。如下图所示，太阳能光 伏发电的整个生产及应用产业链可以分为五个层次，即从冶金级金属硅材料到硅 材( 硅棒、硅锭、硅片) ，再到太阳能电池片，然后到太阳能电池组件，最后到 光伏发电系统应用。 o 笃 巧 ； 黎 毒歹 。j _ 二竺j 图1 - 2 晶体硅光伏产业链【3 l 光伏产业能够得到如此迅速的发展可以归结于两个方面的因素：市场需求 和政府的政策激励。主要是德国和日本两国在光伏并网应用方面采取了一系列的 措施，通过政策的推进达到了很好的效果。继日本和德国成功启动光伏市场，尤 其是德国实施“上网电价法”的成功使得越来越多的国家和地区纷纷效仿，如西 班牙、美国、法国、意大利、韩国、瑞士等，目前全球己启动光伏市场的国家和 地区达5 0 多个。 1 2 2中国光伏行业发展现状 我国光伏及相关和支持产业规模迅速壮大，形成了一个庞大的“产业集群”， 2 0 1 0 年对g d p 贡献可达l 万亿元。中国光伏产业已经走上“专业化、集约化、 规模化的发展道路。一方面，光伏产业链上包括光伏组件、电池、硅锭硅片、 晶体硅等各个环节均得到快速发展，并产生了一批世界级领军企业，如无锡尚德、 江西l d k 、江苏林洋、常州天合、英利、中电南京、河北晶澳等为首的十多家 海外上市企业。2 0 0 7 年，我国光伏电池产量占全球2 8 的份额，居世界首位。 另一方面，相关制造设备、系统平衡部件、相关应用材料、光伏应用产品等产业 也均得到空前的发展，大部分都已经实现了国产化，甚至晶体硅的制造设备也取 得了一定的突破。中国光伏如能继续保持一定的增速和发展势头，则我国光伏及 相关和支持产业至2 0 l o 年将形成1 0 0 0 0 亿元的规模。 光伏产业已经成为我国拥有自主知识产权和国际竞争优势的高新技术产 业。全球市场驱动下的中国光伏已逐渐发展成为技术新、能耗低、污染少的朝 阳产业，主要设备和关键工艺取得了重大突破，光伏产品赢得了良好的国际声誉 和广泛的客户认可。除江苏外，浙江、上海、江西、河北、四川、河南、重庆、 青海等迎头赶上，各级政府也给予高度重视和极大关注，为光伏产业链的进一步 完善创造了良好的政策环境和发展条件。 中国光伏市场的发展严重滞后于中国光伏产业的发展。2 0 0 7 年中国光伏电 池产量达1 0 8 8 m w ，组件产量达1 7 1 7 m w ，太阳能电池产量占全球份额达2 7 2 ， 居全球第一，而当年光伏系统安装量仅2 0 m w ，光伏市场仅占全球0 7 1 的份额。 目前中国并网光伏市场未得到很大的发展，图1 3 是2 0 0 7 年中国太阳能电池应 用领域结构图。从图可以看出，目前中国并网光伏应用份额不到5 ，而2 0 0 7 年全球并网光伏应用份额达8 0 。我国光伏产业发展与光伏市场发展不平衡导致 我国光伏产品9 5 以上依赖出口。从图中还可以看出，现在国内应用市场仍然还 是以边远地区农村电气化、通信和工业以及太阳能光伏产品( 包括太阳能灯具) 为主。 仍有可能达到p h o t o nc o n s u l t i n g 预测的5 2 g w ，不过2 0 0 9 和2 0 1 0 年的增长 速度将较预期缓慢很多，而2 0 1l 和2 0 1 2 年的增长速度将较预期加快很多。 在美国，议会刚通过可再生能源税收延长法案，将通过税收优惠补偿光伏 电站安装成本3 0 的政策延长8 年；日本则将于2 0 0 9 年恢复光伏安装补贴，居 民光伏发电系统的安装成本最高补贴近5 0 ：澳大利亚、瑞士、以色利、乌克兰、 保加利亚等也先后加入支持光伏的行列；德国经济部长认为光伏将成为德国经济 的新增长点，带动2 0 0 亿欧元的经济。美国也是希望支持光伏发电，带动高新产 业、新能源产业，拉动5 0 0 亿美元的经济规模和5 0 万人口的就业。日本等国也 是如此。金融危机之后，能源危机和全球气候变暖问题仍然存在，光伏等新能源 产业将成为新的经济增长点。 并网光伏飞速发展，开始逐步发挥替代能源作用。1 9 9 6 年全球并网光伏应 用仅占光伏7 左右的份额，1 9 9 7 年也仅占2 0 ，而到了2 0 0 7 年并网光伏所占 当年份额达8 0 。2 0 0 2 年至2 0 0 6 年间世界各种可再生能源增长率中，并网光伏 的年平均增长率最高，达6 0 ，远高于其它可再生能源的年增长速度。 2 0 0 8 年华尔街金融风暴席卷全球，金融危机导致投资信心不足，光伏电站 的投资者意愿下降；金融机构信贷紧缩，开发商融资成本上升；欧元贬值使光伏 电站投资成本大幅增加。2 0 0 8 年1 0 月西班牙将光伏发电上网电价从0 4 4 欧元 千瓦时下调到0 3 2 0 3 4 欧元千瓦时，降幅近3 0 ：其2 0 0 9 年补贴的装机容量 也下调到5 0 0 m w ，比此前业界普遍预测的8 0 0 m 、肌1 0 0 0 m w 下降近一半。以上 诸多因素导致目前全球光伏市场需求较预期萎缩4 0 以上。同时太阳能电池组件 平均销售价格下降约4 0 。世界光伏市场首次出现供过于求。 1 2 4 国内光伏政策 为有效缓解目前太阳能光伏发电产品在国内应用不足的问题，2 0 0 9 年3 月 2 3 日财政部联合住房城乡建设部发布了太阳能光电建筑应用财政补助资金管 理暂行办法、关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见，支持开展光电 建筑应用示范，实施我国的“太阳能屋顶计划”，城市光电建筑一体化应用，对农 村及偏远地区建筑光电利用等给予定额补助，加快太阳能发电在城乡建设领域的 推广应用。优先支持太阳能光伏组件应与建筑物实现构件化、一体化项目；优先 支持并网式太阳能光电建筑应用项目：优先支持学校、医院、政府机关等公共建 筑应用光电项目。 财政部、科技部、国家能源局又于2 0 0 9 年1 1 月9 日下发了关于做好”金 太阳”示范工程实施工作的通知( 财建( 2 0 0 9 ) 3 9 7 号) ，要求加快实施”金太阳” 示范工程。一方面是加大对光伏产业的政策补贴，另一方面是光伏发电标杆电价 也很快将确定，光伏产业预期己久的政策支持即将变为现实。通知显示，此 次共安排2 9 4 个示范项目，发电装机总规模为6 4 2 兆瓦，年发电量约1 0 亿千瓦 时，初步测算工程总投资近2 0 0 亿元，计划用2 3 年时间完成。其中，大型工 商企业用户侧并网光伏发电项目2 3 2 个，装机规模2 9 0 兆瓦，所发电量由用户自 用；偏远无电地区独立光伏发电项目2 7 个，装机规模4 6 兆瓦，可解决3 0 多万 户无电居民生活用电：大型并网发电项目3 5 个，装机规模3 0 6 兆瓦，所发电量 接入电网输送。 国光伏太阳能光伏发电在未来的能源供应中也将在中国的未来能源供应中 占有一席之地。按照国家发改委编制的可再生能源中长期发展规划，到2 0 1 0 年太阳能光伏发电总容量3 0 0 m w ，其中偏远农牧区应用2 0 0 m w ，建筑物和公 共设施应用8 0 1 0 0 m w ，大型并网光伏电站2 0 m w ，其他商用应用3 0 m w 。到 2 0 2 0 年光伏发电总容量将达到1 8 g w ，其中偏远农牧区应用5 0 0 m w ，建筑物和 光伏 ( 3 ) 建设较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站。“十一五”时期，在甘肃 敦煌和西藏拉萨( 或阿里) 建设大型并网型太阳能光伏电站示范项目。 1 3 太阳能光伏建筑一体化的优势 建筑能耗大约占各国总能耗的5 0 ，光伏与建筑结合可以有效地减少建筑 能耗【4 l ，不论从建筑、技术或经济角度出发，太阳能光伏与建筑一体化均有诸多 优点：( 1 ) 可以有效利用围护表面( 屋顶和墙面) ，无需额外用地或加建其他设 施，节省了土地资源这对于人口密集、土地昂贵的城市建筑有尤为重要；( 2 ) 可 原地发电、原地使用，可节约电站送电网的投资和减少输电、分电损耗 5 - 6 1 ：( 3 ) 通常夏季由于空调、制冷等设备的使用，形成用电高峰，而这时也是光伏方阵发 电最多的时期，b i p v 系统除保证自身建筑内用电外，还可以向电网供电，从而 舒缓高峰电力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；( 4 ) 由于光 伏阵列安装在屋顶和墙面上，并直接吸收太阳能，避免了墙面温度和屋顶温度过 高，因此可以改善室内温度，并且降低空调负荷【7 9 j ；( 5 ) 利用太阳能光伏发电 减少了一般由于化石燃料发电所带来的严重空气污染，这对于环保要求更高的今 天和未来极为重要；( 6 ) 在建筑围护结构上安装光伏阵列【m 12 1 ，可推动光伏组件 的应用和批量生产，进一步降低其市场价格；( 7 ) 如把光伏电池阵列墙作为建筑 物的玻璃幕墙，可减少建筑物的整体造价。当然，对光伏器件来说，同时还应具 有建材所要求的绝热保温、电气绝缘、防水防潮且具有一定强度及刚度，若作为 窗户材料，还要有一定的透明度等。 由于太阳能光伏建筑一体具有以上的诸多优点，越来越多的建筑设计师在设 计方案中融入太阳能光伏建筑一体化的特点，使建筑能够通过绿色建筑认证。 目前国际上比较成熟的绿色建筑认证体系主要有：l e e d ( 美国) 、b r e e a m ( 英国) 、c a s b e ( 日本) 、b l u ea n g e l ( 德国、北欧) 等。由美国绿色建筑委 员会( u s g b c ) 颁发的l e e d 绿色建筑认证目前被认为是最成熟和具有实践性的 绿色建筑认证评分体系【1 3 1 。该系统将帮助项目团队明确绿色建筑的目标，制订 切实可行的设计策略，使项目在能源消耗、室内空气质量、生态、环保等方面达 到国际认证体系l e e d 的指标和标准，为项目今后的用户提供高质量、低维护、 健康舒适的办公和居住环境。从而增强项目在市场上的竞争力，使投资商获得丰 厚的经济效益和社会效益。 1 4 光伏建筑一体化的形式和特点 光伏建筑一体化，即是把光伏组件作为建筑物迎光面的一部分( 或把光伏 组件作为一种特殊的建筑材料，安装在建筑物的迎光面上) ，使该建筑物具有直 接利用阳光发电的功能，并且其外观结构及电气安装均符合相关标准的要求。光 伏与建筑物相结合的形式多种多样，如下图所示，按照其光伏与建筑结合的功能 不同，可以分为：屋顶，幕墙，窗檐，采光顶等。 静国 s l o p e dr o o f f l a tr o o ff a c a d es u n s h a d e s 图1 - 4 几种常见的光伏建筑一体结合形式 o v e r h e a d g l a z i n g 总结起来光伏与建筑结合主要可以分为两种形式：一种是建筑与光伏相结 合( b a p v ：b u i l d i n ga t t a c h e dp v ) ，另外一种是建筑与光伏器件相结合( b i p v - b u i l d i n gi n t e g r a t e dp v ) 。 1 建筑与光伏相结合( b a p v ) 将现有的平板光伏组件安装在住房或建筑物的屋顶，引出端经过控制器及逆 变器与公共电网相连接，由光伏方阵及电网并联向用户供电，这就组成了户用并 网光伏系统。与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源供电或者以并网的方 式供电。而并网发电是当今光伏应用的新趋势。 2 建筑与光伏器件相结合( b i p v ) 光伏与建筑相结合的迸一步目标是将光伏器件与建筑材料集成化。一般，建 筑物的外墙采用涂料、马塞克等材料，有的还采用价格不菲的幕墙玻璃，其功能 仅仅是保护和装饰。若能将屋顶及向阳的外墙甚至窗户材料都用光伏器件来代 替，则既能作为建材又能发电，可谓一举两得。当然，对光伏器件来说，同时还 应具备建材所要求的绝热保温、电气绝缘、防水防潮，与建筑材料有相同的机械 强度，还要考虑安全可靠、美观大方、便于施工等因素。显然，光伏器件如能代 替部分建材，则可进一步降低光伏发电的成本，有利于推广应用，所以存在着十 分巨大的潜在市场。例如，变换组件边框的型材即成为一种屋瓦型太阳能电池组 件，铺盖于屋顶檩条上，可省去普通屋瓦；用可挠性树脂材料为基底的大面积柔性 薄膜电池组件，可随意剪裁成所需尺寸，铺设于各种建筑物屋顶，即可发电，又 可防雨：墙体式组件可代替普通玻璃幕墙，也可安装在高速公路边，与隔音墙成 为一体。光伏器件与建筑相结合不同于单独的发电装置，它作为建筑的一部分， 除了发电，还要考虑其它的功能：1 ) 使室内与室外隔离：防雨；抗风；隔热； 隔噪音；遮阳；美观；2 ) 能够作为建筑材料供建筑设计师选择。 b a p v 与b i p v 的区别：前者是光伏在附着在建筑物上，是在完整的建筑物 上增加光伏方阵。后者将光伏方阵作为建筑材料结构的功能部分，包括用太阳能 电池组件取代传统的屋顶瓦、幕墙等材料。 b a p v ，屋顶太阳能发电系统，可以利用现有建筑的闲置屋顶，建设光伏发 电系统。所需条件：较大面积且朝向较好的建筑物屋顶。主要优点：受日照辐射 条件好：不占用专门的用地面积，符合建设条件的建筑量大，可大规模推广应用； 建设改造成本低；可选光伏组件较多，成本降低；发电并网条件好，成本降低： 光伏组件安装方式比较自由，系统效率高；可实现较大规模装机：维护方便，可 实现无人值守等；与其它光伏建筑一体化和地面光伏发电场形式相比，屋顶太阳 能光伏发电系统具有突出的优点，尤其适合在工商业发达，缺乏可供开发利用空 地的地区大规模推广应用，因此该项目的示范作用旨在为此类有大规模推广潜力 的光伏发电形式提供经验借鉴。 报告第三章将对屋顶光伏发电系统的设计、施工方面进行详细的论述。 1 5 博士后出站报告内容 本论文是在博士与博士后期间参于的光伏建筑一体化项目的工作基础上，对 9 太阳能光伏建筑一体化设计与施工的流程进行探讨，以及太阳能光伏建筑一体化 系统设计中的一些关键问题进行了研究。 2 0 0 6 年7 月，开始在博士后工作，跟从导师沈辉教授从事光伏建筑一体化 技术和光伏系统设计研究。2 0 0 6 年l o 月中山大学太阳能系统研究所与江苏林洋 新能源有限公司合作建立中山大学林洋新能源光伏研究中心，作为技术负责 人参加了一系列在国内外很有影响的光伏并网工程，比如国内首个商业运作的兆 瓦级太阳能光伏发电项目上海崇明i m w 太阳能光伏发电系统、奥运项目一 一奥林匹克公园景观灯柱b i p v 项目、林洋工业园1 7 m w 屋顶并网发电项目等。 第一章是绪论部分。首先回顾了太阳能光伏发电的发展历史与现状。接着， 对太阳能光伏产业状况进行了介绍，着重对国内新近出台的光伏发电促进政策进 行了重点介绍。最后对本文所涉及的光伏建筑一体化的研究和应用状况作了较全 面的介绍。 第二章对光伏建筑一体化中的设计程序进行了研究，结合b i p v 工程中实例 并且对光伏建筑一体化工程中设计与施工的关键点进行了详细的介绍。 第三章结合本人组织设计与施工的林洋工业园1 7 m w 光伏屋顶并网发电项 目，以案例的形式对光伏项目设计与施工流程中关键点进行了分析。 第四章结合高压并网发电项目实例，对光伏并网的安全进行了研究，同时对 林洋工业园光伏屋顶高压并网接入方案进行了设计。 第五章结合屋顶并网发电项目工程实例，对安装太阳能光伏系统的建筑物防 雷进行了研究，主要是分为直击雷防护与感应雷防护，不仅对它们分别形成的机 讨，还提出了相应的防护措施。 1 0 第二章太阳能光伏建筑一体化设计与施工 2 1 引言 太阳能光伏建筑一体化，即是把光伏组件作为建筑物迎光面的一部分( 或 把光伏组件作为一种特殊的建筑材料，安装在建筑物的迎光面上) ，使该建筑物 具有直接利用阳光发电的功能，并且其外观结构及电气安装均符合相关标准的要 求。因而太阳能光伏建筑一体化( b i p v ) 设计是一个复杂系统的工程，不但要 满足光伏发电的要求，还要满足建筑的材料结构与电气标准要求。 本章对光伏建筑一体化中的设计程序程序进行了研究，结合b i p v 工程中实 例并且对光伏建筑一体化工程中设计施工的注意点进行了介绍。 2 2 b i p v 设计到施工流程 在建筑物上安装太阳能光伏发电系统时，首先要仔细听取用户的要求，其次 对安装环境和建筑物的结构等进行充分的考察，在此基础上进行设计。设计和施 工单位和住宅建设单位在设计各方面最终达成一致意见后，要取得用户的认可。 施工时应按照施工图施工，但是新建建筑的场合与建筑建设工程的进程边协调边 完成太阳能光伏发电系统的安装为好。还有，留有充裕的时间办理各种手续也是 很重要的。标准程序如图2 1 所示。 图2 1设计到旋工流程图 2 3 b i p v 工程现场调查 建筑物的形状、材料及工艺千差万别，而且这些因素对建筑物的设计、耐久 性影响很大的因素。因而，在建筑物的屋顶或幕墙上安装太阳能电池阵列的场合， 不管建筑物是新建的还是已建的，在计划的初期阶段应对安装条件仔细研究。现 场调查时，安装设计与装施工单位要了解的事项如下表所示。 表2 - 1b i p v 光伏工程现场调查事项 1 4 】 项目内容 用户需求调查发电输出功率，安装场地，资金预算，时间，设计，其他要求。 建筑物调查房屋的形状和施工方法，场地条件( 日照条件，方位等) ，安 装部位的结构及强度。 电气设备的调查引入线路径，配电箱位置，设备的安装场所( 逆变器、接线箱、 开关，监视器等) ，走线路径，接地方式。 作业环境的调查搬运路径，作业空间，材料保管空间，周围有无障碍物等。 2 4 b i p v 项目设计 太阳能光伏建筑一体化系统( b i p v ) 设计应纳入建筑电气设计，并符合国 家现行有关设计规范的要求。b i p v 组件或光伏方阵的安装应规则有序、排列整 齐，满足安全、适用、美观的要求，便于安装、清洁、维护和局部更换；光伏系 统输配电和控制用电缆线应与其它管线统筹安排，安全、隐蔽、集中布置，便于 安装维护。 设计安装光伏建筑一体化发电系统时一般程序如图2 2 所示。对于b i p v 项 目设计，首先以以前的现场调查为基础，根据建筑状况进行b i p v 光伏阵列的安 装设计：其次，选择符合安装设计的b i p v 光伏组件，再计算出阵列的发电量， 根据阵列的发电量选择合适的并网逆变器和其他配套装置，最后根据b p v 项目 要求，制定施工方案。 图2 2 太阳能光伏建筑一体化设计程序 l 、建筑结构与安装设计 以现场调查为基础确定建筑光伏组件安装面积，安装方向，安装方式， 安装固定方式等。 2 、b i p v 组件设计 确定组件类型，几何形状，尺寸，封装材料，封装工艺，检测方法， 确定包装、运输、安装方式。 3 、光伏阵列设计 完成组件选型，计算出b i p v 光伏阵列的光伏系统安装容量( 光伏阵列 在s t c 条件下最大功率，最大工作电流，最大工作电压，短路电流，开路电 压等参数) 和年发电量、逆变器选型。 4 、施工设计 确定各种批复文件，制定施工方案及进度安排。 2 4 1 建筑结构与安装设计 建筑结构与安装设计应以现场调查为基础，根据建设地点的地理、气候条 件，确定建筑的布局、朝向、间距、群体组合和空间环境，满足太阳能光伏系统 设计和安装的技术要求。太阳能电池组件的安装位置、安装方式和色泽的选择， 应根据建设地点的地理、气候条件以及建筑类型、建筑外观、使用要求、安装条 件等因素确定，并与建筑物整体及周围环境相协调。规划与建筑设计应为太阳能 光伏系统的安装、使用、维护、保养等提供必要的建筑空间和结构承载条件。 建筑在应用光伏系统时，应根据建筑物的使用功能、电力供应方式、太阳 能电池组件安装位置和系统运行方式等因素，经综合技术经济比较后确定太阳能 光伏系统的类型( 并网或独立供电系统) 。建筑设计应合理确定太阳能光伏系统各 组成部分在建筑中的位置，并满足所在部位的防水、排水和系统检修的要求。 如下图所示，光伏建筑一体化的太阳能电池组件与建筑结合的主要安装形 式有屋顶安装、幕墙安装、遮阳板安装。其中以屋顶安装结构为多，太阳能屋顶 发电，在整个b i p v 项目中，屋顶发电占3 4 。这主要是因为屋顶有更多受光面 积，方便太阳能电池组件的安装。 粤：， 喇黝糕露 嘲7 图图错蚤 屋顶一体化：半透明屋顶 屋顶一体化 半透明幕墙 拱肩( 上下层窗空间) 太阳能遮光檐 垂直幕墙 的几种主要形式【3 】 ，建设光伏发电系统。 的建筑物屋顶 不占用专门的用地面积，符合建设条 用；建设改造成本低；可选光伏组件 好，成本降低；光伏组件安装方式比 大规模装机：维护方便，可实现无人 光伏发电系统具有突出的优点，尤其 适合在工商业发达，缺乏可供开发利用空地的地区大规模推广应用。第三章将详 细本人介绍组织设计和施工林洋工业园1 7 m w 屋顶并网发电项目。 屋顶结构 ( 1 ) 屋顶的形状、方位及倾斜角 住宅的屋顶形状有山墙形、四坡屋顶形、方形屋顶、平屋顶等多种。 图2 4 屋顶几种基本形状 方位、倾斜角对于安装的光伏系统年产出电能来说都存在一个最佳的值。 但是，在屋顶上安装太阳能电池的场合，按照这种方位、倾斜角制造安装支架， 不仅增加支架的成本和重量，同时增加对房子的负担，而且设计难度也增大。 对于屋顶的倾斜角，中国房屋的屋顶倾斜角一般为1 5 - 4 5 度，这在太阳能 电池阵列的最佳倾斜度( 年累计日照量最大的倾斜角= 通常，比安装场所的纬度 稍稍小一点) 的1 5 度范围内，用这种范围的倾斜角得到的年累计日照量比最 佳值相差最大为1 0 以下。太阳能电池组件在坡面设置时，建筑设计宜结合太阳 能电池组件接受阳光的最佳倾角，即当地纬度5 0 来确定坡屋面的坡度。 图2 5 是广州地区光伏阵列不同朝向的相对发电量。假定按照光伏阵列年产 出电能最大时的发电量( 光伏阵列朝向正南，倾角1 9 。) 为1 0 0 ，光伏阵列的朝 向分别是正东和正西以及朝南偏东和偏西4 5 0 ，光伏阵列的倾角有0 。、1 9 。、 鬈 。垒9。垒 垒一 ，o日一目合金一 9 0 。三种布置，从图中可以看出相对朝向正南1 9 。布置，其它朝向和倾角的光 伏阵列的年发电量均有不同程度的减少【1 引。 、基 图2 5 广州地区光伏阵列不同朝向( 倾角) 的相对发电量 ( 2 ) 太阳能电池组件的配置 根据屋顶形状，并考虑必要的发电量和周围环境，确定太阳能电池组件的 配置。在确定配置方案之前，为了与并网逆变器的输入电压相匹配，应事先确定 组件串联个数。配置时要事先考虑好后续的接线难易程度，还有维修保养容易。 ( 3 ) 阵列安装方式的选择 首先确定太阳能电池的安装场所，其次选择太阳能电池组件的固定方式。 表2 2 太阳能电池在屋顶上的安装方式 安装方式固定方式概要 屋顶直接放置型安装构件安装把支撑金属件固定在屋顶屋面上再在安装 支架上面安装太阳能电池组件。 屋顶建材型太阳能电池组将太阳能电池组件和一般的屋顶材料( 建筑 件一体型屋顶瓦等) 组合在一起的屋顶材料。 材料 令屋顶直接放置型。在瓦、沥青屋面材料，金属板( 瓦) 屋面材料的屋顶上， 先支上支架后安装太阳能电池组件的方式。 1 6 令屋 的 图2 - 8 太阳能电池瓦组装示意图 屋顶安装要求： 1 ) 安装在坡面屋顶上的太阳能电池组件宜采用顺坡镶嵌或顺坡架空设置，在屋 面防水层上放置太阳能电池组件时，其基座下部应加设附加防水层，防水层应包 到金属埋件的上部，并在地脚螺栓周围作密封处理 2 ) 采用一体型太阳能电池组件安装在坡屋面上时，其与周围屋面材料连接部位 应做好建筑构造处理，并应满足屋面整体的保温、防水等防护功能要求。 3 ) 太阳能电池组件在平屋面采用阵列方式设置时，前排太阳能电池组件的阴影不 应影响后排太阳能电池组件正常工作： 4 ) 太阳能电池组件的引线需穿过屋面时，应在屋面预埋防水套管，并对其与穿 屋面管线相接处进行防水密封处理。防水套管应在屋面防水层施工前埋设完毕； 5 ) 太阳能电池组件周围屋面、检修通道、屋面出人口和太阳能电池组件之间的 人行通道上部应铺设保护层。 幕墙结构 光伏幕墙结构( p v - w a l l ) ，现代高层建筑，几乎都是被玻璃幕墙，或者铝 塑幕墙所包裹。所以用太阳能幕墙代替原来的幕墙己经成为b i p v 的一道亮丽的 风景线2 2 彩】。光伏幕墙不但具有发电的功能，而且也要具有防风，遮雨，保温，隔热， 防噪声，防空气渗透等建筑幕墙功能。 1 8 图2 - 9 奥林匹克公园景观长廊b i p v ( 点支式) 安装工程图片 光伏幕墙不但具有发电的功能，而且也要具有防风、遮雨、保温、隔热、 防噪声、防空气渗透等建筑幕墙功能，太阳能电池组件安装在墙面的幕墙结构安 装时还要注意以下几点： 1 ) 为了优化太阳能电池组件的发电功能，低纬度地区设置在墙面上的太 阳能光伏组件宜有适当的倾角： 2 ) 设置在墙面的太阳能电池组件支架应与墙面结构主体上的预埋件牢固 锚固，必要时在预埋件处增设混凝土构造柱： 3 ) 设置在墙面的太阳能电池组件的引线需穿过墙面时，应在墙面预埋防 水套管。穿墙管线不宣设在结构柱处； 4 ) 太阳能电池组件镶嵌在墙面时，宜将光伏组件与墙面装饰材料、色彩、 分格有机结合，协调一致； 5 ) 设置在墙面上作为遮阳构件的太阳能电池组件应作遮阳分析，满足室 内采光和日照的要求； 6 ) 太阳能电池组件安装在窗面上时，应满足建筑采光要求。 1 9 2 4 2 b i p v 组件设计 根据建筑结构与安装设计确定的太阳能电池组件的安装位置、安装方式和 色泽的选择，确定太阳能电池组件类型，几何形状、尺寸，封装材料与工艺等。 要求太阳能电池组件表面颜色、质感应与建筑协调统一；设置在幕墙上的太阳能