城市中建筑光伏一体化系统效益与建筑浅析

城市中建筑光伏一体化系统效益与建筑浅析摘要：本文简要的对光伏建筑一体化的环境效益、社会效益和经济效益进行了分析，并根据上海奇亚特能源股份有限公司的光伏建筑一体化建设经验提出了一些光伏建筑一体化在设计和施工时的一些注意点。关键词：光伏建筑一体化；环境效益；社会效益；经济效益；设计；施工Abstract:ThispaperbrieflyBIPVenvironmentalbenefits,socialbenefitsandeconomicanalysis,andinaccordancewiththeHatchStuartEnergyCompanyLimitedBIPVexperienceinbuildingsomeBIPVinsomeattentioninthedesignandconstructionpoint.Keywords:BIPV;environmentalbenefits;socialbenefits;economicbenefits;design;construction中图分类号：F270.3文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）1引言在我国工商业经济高速发展的今天，城市人口日趋增加，大型和特大型城市在我国的沿海地区逐步形成，于是城市的能源危机也愈发的明显起来。上海自2005年起开始实施夏季的错峰让电措施，为的就是保证各个工厂企业都能获得充足的电能供应。随着2008年，国家发改委大力推进可再生能源的发展和推广。我国光伏发电事业得到了长足的进步，在以西藏为中心的周边内陆地区的大规模光伏电站已经初具规模。然而，西部地区大规模的集中式电站固然有其优势所在，但是其输电成本高，线损大和既有电网的设施不完备始终是一个难以解决的问题。因此，更具经济效益、社会效益和环境效益的光伏建筑一体化（俗称：BIPV或BAPV）分布式发电将会是光伏发电的最终趋势。2光伏建筑一体化的效益分析2.1环境效益2.1.1有助于调节城市气候根据相关数据研究发现，夏季市内温度比市郊要高出不少，也就是我们常说的热岛效应，以上海为例，徐家汇气象站测的夏季平均气温要比南汇高出3，夜间平均气温要高出7。其主要原因就在于混凝土建筑对阳光的反射性强，大量的热剧集于接近地表的大气中。而当城市大面积使用建筑光伏一体化以后，很大一部分的太阳辐照能量被光伏组件吸收而转化成电能，大气中的热能密度下降，热岛效应自然也响应的得到解决。2.1.2美化视觉环境现代城市的建筑90%为钢筋混凝土结构，表面色彩单调，反光性强，对于长期处于高反光环境中的城市居民来说，是对人体视觉系统的一种较大的伤害。由于建筑反光对于人体视觉造成的伤害是在不知不觉中产生的，等到发现往往为时已晚。光伏一体化建筑中有一种比较常见的模式就是光伏幕墙，由于光伏组件对阳光的吸收性很强，在大面积安装光伏幕墙后，市内建筑物间的光反射大大减少，同时光伏组件多为深蓝色，也能给原来清一色混凝土外墙的建筑增添一份景色。2.1.3隔音光伏一体化建筑可以降低城市噪音污染，随着城市人口不断增长，住房与道路间的距离越来越小，上海南北高架道路与居民楼的最下距离不到10米，常规的隔音板采用的是单层塑料，通过改变声波传播路径来隔音。采用双波光伏组件制成的隔音板可以通过中空结构来起到隔音效果，还能解决高架道路线路敷设不便而导致的没有路灯的问题。2.2社会效益2.2.1展示性对于长时间生活在整体灰色的钢筋混凝土丛林的城市居民来说，视线中能有一种新的颜色会给人相当舒服的一种感觉。而光伏建筑一体化就提供这种可能性。或许有人会说，光伏建筑一体化么，就是在工厂屋顶上建电站，只有在形成规模后才有视觉冲击，其实不然。特质的光伏双玻组件具备了一定的透光性，可以当成制作阳光房和走廊顶棚的材料。想象一下，在繁忙的工作之余到办公楼屋顶的阳光房小小休憩一下，而身边正在嗡嗡作响的咖啡机就是由光伏顶棚提供的能源，这样的工作环境是不是很惬意呢？2.3经济效益2.3.1削峰填谷光伏建筑一体化最大的作用就在于发电，在城市化和大工业化日渐发达的今天，城市和大型工厂的耗电已经成了一个急待解决的问题。由于白天夜晚的负荷相差过大，每年夏天，几乎所有的大城市都会采用错时开工，拉闸限电的方法来调节用电负荷。从数据统计不难看出，白天，尤其是中午时段，用电负荷达到一个高峰期，而此时此刻正是日照最强烈的时候，也是光伏系统发电功率达到最大值的时候，这样的全自动电能调节，对于电网，特别是城市电网的削峰填谷有着巨大地作用。2.3.2发电效益光伏，顾名思义就是通过光生伏特效应将光能转化成电能，因此光伏建筑一体化最大的获利自然来自于系统所发的电能。以上海为例，一个装机容量为1MW的BIPV项目投资单价为11元/瓦，上海属于我国辐照分级的第四级地区，装机容量1瓦年产电量是1.1千瓦时，上海的峰值电价在1.16元/千瓦时，即便是没有任何补贴的情况下8年左右也能将成本收回，而一套光伏系统的使用寿命是25年，按此计算，其财务内部收益率为10.68%，可以说是相当高的。2.3.3降低空调能耗通过计算工厂和办公楼的能源消耗，并将其分类，其中空调设备的能耗占据了大约40%，因此如果能有效的降低空调负荷的话，建筑能耗就会大大降低。在这个时候，看似无光的光伏系统就起到的一定的作用。光伏组件依靠吸收太阳的辐射能，将其转换成为电子动能，并形成电流。为了更直观的反应光伏系统对降低空调功耗的作用，我们可以建立这样一个能源模型：假设从上午9点上班起计算到下午5点下班，每小时太阳对建筑物屋面的辐射总量为100A，每10A的太阳辐射能使建筑内温度升高0.1，空调设备将建筑物内温度降低0.1则需要消耗10A的电能，光伏系统能吸收80%太阳辐射，并按照18%的转换比进行发电。表1：光伏一体化建筑与普通建筑空调能耗日对比表在安装光伏系统后，空调能耗从800A/日下降到了44.8A/日，仅为原负荷的5.6%，面对如此一个令人震惊的数据我们不得不承认，推广光伏建筑一体化是建筑节能领域的一个行之有效的办法。3光伏建筑一体化设计和建造过程中的注意事项3.1光伏系统对屋顶载荷的要求建筑荷载是一切建设工序的先决条件，荷载的大小从某种意义上来说就决定了结构件断面的大小。虽然光伏系统的整体载荷不大，一般参照每平方米35公斤的固定荷载和50公斤的活荷载，但如果与建设地点所特有的风荷载、雪荷载相互叠加时，就需要考虑更加周密。例如在设计彩钢板厂房屋顶上的光伏系统时，由于安装搬运的需要，以一人搬一块光伏组件为标准，其单位面积的活荷载就应当是一人体重加一块组件的重量，也就是70公斤而不是上文提到的50公斤。在设计钢混结构的屋面光伏系统时，考虑更多的应该是风阻对光伏系统向上的拉力，而非原有屋面承重能力。3.2建筑防水的要求人类发明建筑物最初的目的就在于遮风挡雨，如果因为建设光伏系统使得建筑防水被破坏，其结果是得不偿失的。在钢混结构屋顶设计和建筑光伏系统中其支墩的作法就涉及到了建筑防水，就像在前一段已经提到的那样，为了保证光伏系统的安全性，现有的设计中大多数建议将支墩的纵向钢筋与原建筑结构层的钢筋网可靠连接，以增强器抗拉拔的能力，而这样的施工方法，必须凿开屋顶原有的找平层，破坏原屋面的防水层和保温层才能实施。因此，在施工过程中比较稳妥的方法是在混凝土支墩的强度达标拆模后首先用硅胶和防水卷材对屋面原有的防水保温层进行修补，再用与原建筑标号相同的混凝土补全找平层。在找平层的上方用防水卷材加铺一层防水层，建议大小为水平方向每边延伸30，高度不低于20厘米，表层再用水泥铺填。4光伏建筑一体化的几种形式光伏建筑一体化主要分为光伏屋顶和光伏幕墙两种光伏屋顶：华师大闵行校区35kW光伏照明工程（钢结构顶棚；斜装）镇江邻里中心90kW光伏发电工程（钢混屋顶；压块形式）江苏溧阳21MW金太阳示范工程（钢混屋顶；混凝土支墩形式）江苏连云港3.24MW屋面光伏发电工程（彩钢板屋顶）安徽宣城100kW光伏实验项目（太阳房）光伏幕墙：山西太原肿瘤医院光伏幕墙河北保定电谷锦江光伏幕墙5结语光伏建筑一体化确实能降低建筑能耗，提高太阳辐射的利用率，也是人类未来电能的一个主要来源，但是我们不能应为光照资源的丰富而不注重能源的节约利用。从目前的市场情况来看，大面积推广光伏建筑一体化的时机还不成熟，但是相信随着各种技术的不断进步，光伏建筑一体化在不久的将来不会再是一个概念或是一个示范，而是真正的进入我们千家万户。参考文献：太阳能光伏发电系统的设计与施工太阳光发电协会、刘树民、宏伟科学出版社(2006-04出版)太阳能光伏发电实用技术(第2版)王长贵、王斯成化学工业出版社(2009-10出版)家用太阳能光伏电源系统刘宏、吴达成、杨志刚、翟永辉化学工业出版社(2010-09出版)太阳能光伏发电系统设计施工与维护李钟实人民邮电出版社(2010-01出版)Jardine