BIPV光伏建筑系统方案简介

1、BIPV光伏建筑系统方案简介目录一、BIPV系统简介2二、BIPV系统方案和逆变器选择31. 国内外光伏建筑一体化（BIPV）的发展状态42. 建筑光伏（BIPV）的设计要素63. 光伏建筑和微逆变器系统设计11三、附件141. 逆变器系统安装142. 项目设计和计算依据：17一、BIPV系统简介当光伏发电飞速发展时，它的应用越来越受到世人的关注，于是人们想到能够充分接受阳光的屋顶。一些国家的重要部门也开始注意到屋顶计划所蕴含的巨大效益，相继提出了各国不同的发展计划。屋顶计划的社会效益和经济效益也开始被广大消费者所认同，并乐于在自己的屋顶上安装太阳能发电系统。但是各国的条件不同，发展时期不同，

2、发展基础也不尽相同，遇到的困难更是多种多样，形势复杂。但屋顶计划依然受到欢迎，屋顶计划今后的发展需要每一个人的参与和努力。目前世界各国都对太阳能产业采取了诸多鼓励性策施，实施了各种长期的政府计划，如英国的百万“绿色住宅”建筑计划，美国的“百万太阳能屋顶计划”，欧洲的“百万屋顶计划”，日本的“阳光屋顶计划”等等。各国都不同程度的制定了一些政策法规，树立了各个阶段的目标计划。正当世界太阳能高速发展，开始成为全球竞争产业的时候，我国国内太阳能的发展也给我们带来了希望。令人振奋的是，我国太阳能进入大规模实用阶段条件成熟。首先表现在太阳能利用逐步形成共识，政府扶持力度加大，并随着京都议定书的签订和可再生

3、能源法等相关法律法规的出台，为我国太阳能发展提供了政策保障；其次是我国太阳能利用的相关技术问题都得到了较好的解决，其中包括CVTPWM最大功率跟踪控制技术、并网逆变技术、系统的实时数据采集和数据传输技术等，使我国具备了设计和建造实用的一定规模的并网光伏发电系统的能力；再者，我国太阳能屋顶计划的应用前景非常广阔。我国大部分地区的太阳光强度都满足光伏发电的基本要求，而且还拥有许多太阳能丰富区。这些都为我国发展太阳能确立了前提。如果屋顶安装上太阳能发电系统，勿庸置疑，它将会带给用户巨大的效益，并拥有以下几个非常突出的优点：（1）它可以增强建筑的美观性。采用“屋面瓦”来代替原屋面上部分建筑瓦片，既能够

4、进一步减少建筑成本，又能够达到防水遮阳的效果。它与建筑融为一体，外表独特美观。另一方面，它还能带来一定的旅游价值。（2）光伏发电系统一旦完成，将大大降低建筑物的能耗。据测算，在标准日照条件（1000瓦/平方米）下，安装太阳能发电系统，1平方米屋顶可获得130-180瓦电。这样建筑物就可以利用电池组件所发的电来进行照明，并且电量过剩后，还可拉电上网，获取一点盈利。（3）光伏屋顶对环境污染小，并且能够减排大量CO2。据专家预测，太阳能电池累计用量达到600MW，大约相当于每年减排二氧化碳59万吨。而据国家电力部统计，每生产一度电，大约需要350克左右的煤。众所周知，煤是温室气体的主要来源，而太阳能

5、光伏发电就能够减少煤的燃烧。图1 BIPV光伏发电系统示意图其实，太阳能屋顶计划除了以上优点外，还具有一定的经济可行性。虽然经粗略估计建造一个光伏屋顶平均需要15万元的费用，但它的发展形势却很乐观。据预测，国际上有可能在2020年将太阳能电池的成本由现在的3-4美元/WP降至1美元/WP，届时将建造500MW的大工厂。同时，经专家预测知，一套太阳能发电系统寿命可高达20-25年，并且在使用期间基本无需维护，因此它的投入基本只需考虑初始投资费用。根据一些太阳能公司的估计，一套太阳能发电系统的投资回收期只需12.5年，当然这其中包含政府的补助（主要通过上网电价的补贴，我国的上网电价是1.15元/W

6、，BIPV示范项目的补助可达7.5至9元/W。获得示范项目补贴则成本更低）。这样算来，对于一个家庭用户来说，可以净得12.5年左右的盈利，它将是一个比较可观和吸引人的数字。二、BIPV系统方案和逆变器选择我们提出的光伏微型逆变器系统架构简图如图2描述。系统架构主要包括：（1）太阳能电池板。进行能量收集，光电转换的源头。一般将电池板组件置于屋顶或者接收太阳光良好的墙壁，空旷地段。（2）太阳能微型逆变器模块。将太阳能电池板收集到的电能通过现代电力电子技术进行高效功率变换。将原始电压电流波动变换的低压直流电转换成电压稳定的直流电。关键技术包括：高效功率变换，低谐波技术，并网技术，并网故障检测技术等。

7、（3）智能电表。满足新型智能电网的需要，将各种功率信息，微型逆变器工作状态信息等进行记录，存储，传送。（4）并网发电。将太阳能清洁能源并入电网，传送到电网负载端。（5）能量管理信息处理单元。将智能电表获取的各种信息，进行系统处理。（6）本地化监控系统。可在本地客户端直接查验各种功率信息，工作状态信息，故障信息等。（7）远程监控单元。可以将系统的功率信息，微型逆变器工作状态信息，故障信息等进行远程传送。传送至客户的远程监控点。信息可覆盖局域网，或者Internet。传送方式可分为有线式和无线式。图2 光伏建筑系统的架构图1. 国内外光伏建筑一体化（BIPV）的发展状态（1）国外建筑一体化（BIP

8、V）的发展状态美国是世界上能量消耗最大的国家，国会先后通过了“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规”等鼓励新能源利用的法律文件。在经济上也采取有效措施，不仅在太阳能利用研究方面投入大量经费，而且由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法。因此，美国太阳能建筑的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的研究、设计优化，还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及真正形成商业运作的房地产开发，美国均处于世界领先地位，并在国内形成了完整的太阳能建筑产业化体系。美国于上个世纪80年代初就由新墨西哥洲的洛斯阿拉莫斯科学实验室编制出版了被动式太阳房设计手册。此外，美国还出版了许多实用的被动式太

9、阳房建筑图集，既介绍成功的设计实例，也有对太阳房原理、构造的详细说明。这些工具书的发行和一些样板示范房屋的建立，对美国公众接受太阳房起到了很好的促进作用。比较著名的示范建筑有：位于新泽西州普林斯顿的凯尔布住宅；位于新墨西哥州科拉尔斯的贝尔住宅；位于新墨西哥州圣塔菲的圣塔菲太阳房；位于加利福尼亚州阿塔斯卡德洛的阿塔斯卡德洛住宅，以及位于新墨西哥州科拉尔斯的戴维斯住宅。这些建筑采用壁炉或电散热器作辅助热源，但太阳能供暖率均在75%以上，有的已达到100%，例如阿塔斯卡德洛住宅。早在上个世纪40年代，美国麻省理工学院就开始利用太阳能集热器作为热源的供暖、空调系统研究，先后建成了号实验太阳房。这些实验

10、太阳房，即是最早的主动式太阳房。到70年代以后；又有华盛顿近郊的托马森太阳房和科罗拉多州丹佛市的洛夫太阳房等主动式太阳房的示范建筑建成。这些太阳房的成功运行，说明太阳能供热、空调系统在技术上是完全可行的，但由于投资较大，推广普及程度不及被动式太阳房。直到进入90年代，由于开发出更加高效的太阳集热器和吸收式制冷机、热泵机组，应用范围才得以扩大。日本在主动式太阳房的研究应用领域也处于世界前列。1974年日本通产省制定了“阳光计划”，并按此计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，如矢崎实验太阳房。而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已应用于大型建筑物上。此外，法国、德国、澳大利亚、

11、英国等发达国家也拥有相当先进的太阳能建筑应用技术。著名的集热蓄热墙采暖方式即是法国人菲利克斯特朗勃的专利，法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转化为实际应用的第一个样板房。英国利物浦附近的沃拉西的圣乔治郡中学，则是直接受益式太阳房最大和最早的样板之一。尽管英国的太阳能资源并不丰富，该所中学安装的常规采暖系统却从未使用过。最后值得一提的是近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染，它代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势。由于许多国家的政府（如美国、德国）都制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20%的计划，相信

12、这种“零能房屋”将会有十分良好的发展前景。（2）国内建筑一体化（BIPV）的发展状况绿色健康住宅根据国家有关部门的要求，已进入了试点应用研究的重点阶段，而作为可再生能源的太阳能热利用技术也同时进入了快速发展时期，太阳能热水器真成为广大民众绿色家电的首选。建设部相继召开了“太阳能与建筑结合应用研讨会”，国家有关部门对这项课题十分重视并抓得很紧，建设部、科技部、经贸委先后分别下发了建设部建筑节能“十五”计划纲要、科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南、新能源和可再生能源产业发展“十五”规划、关于组织实施资源节约与环境保护重大的通知等文件，强调并提出课题开发应用的目标，明确了发展的重点和重点支持

13、的具体项目。为此，中国建筑标准设计研究所承担了编制建筑工程行业标准、建筑施工工法、标准设计图集等“太阳能供热制冷成套技术开发与示范”的课题，为太阳能与建筑一体化事业的健康稳步发展，也为我们设计单位承担这项课题的专项设计提供有利条件。福州康安康合太阳能公司2002年在“湖前兰庭”9幢别墅做了第一个太阳能与建筑一体化示范工程，接着又在福州武警消防大厦、泉州“中远名城”，马尾“时代广场”商住楼等多处做了多例大型的太阳能集中供热系统工程，已全部通过验收投入使用，节能效果显著。据了解，目前太阳能利用与建筑一体化这项新课题主要是科研、院校在研究开发，一些能源技术开发公司承担施工安装，福州康安康合太阳能技术

14、开发公司经过多年的研究、试验和开发，拥有“太阳能吸热瓦片”、“真空管太阳能中央热水器”、“不对称太阳能集热板”等多项国家实用型专利，该公司利用多项成果，专业从事太阳能集中供热建设，在解决太阳能与建筑一体化上取得很大突破，已经设计、安装了上述介绍的几项大工程，积累了很多的实践经验，取得了可喜的成绩。（3）光伏建筑一体化的发展方向目前建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。在我国，它要占到建筑物总能耗的约70%。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境（虽然暂时它是舒适的）。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外，还没有大规

15、模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应。因此，建筑供能的主动与被动相结合的思想及太阳能与常规能源相结合的思想。按照房间的功能，采用不同方案的配合及交叉，这样可以大大降低太阳能用于建筑供能的一次投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。被动采暖与降温的意义在于使建筑本身能量负荷大大降低（节能率约70%），使其所要求主动供能装置提供的能量大大降低。也就是说，它将对昂贵装置的要求降低。另外，被动供能是巧妙利用自然条件的变化来调节室内温度。我们认为，建筑物内空气温度调节技术发展方向不应当是改变自然环境来满足人的要求，而是应当尽量巧妙地利用并顺应自然界来满

16、足人们对健康和舒适的要求。研究空调的目的应当是尽量减少人工环境，而不是相反。主动供能的意义在于保障建筑室内的舒适性增加。在主动与被动供能相互配合组成供能系统的情况下，整套建筑供能系统的设备性能将会提高，而尺寸和造价将会降低。2. 建筑光伏（BIPV）的设计要素（1）BIPV的优越性 联网系统光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或墙面上，无需额外用地或增建其他设施，适用于人口密集的地方使用。这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。 可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网。 夏季，处于日照时，由于大量制冷设备的使用

17、，形成电网用电高峰。而这时也是光伏阵列发电最多的时候。BIPV系统除保证自身建筑用电外，还可以向电网供电，从而缓解高峰电力需求。 由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，吸收太阳能、转化为电能大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源，又利于保证室内的空气品质。 避免了由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染，这对于环保要求严格的今天与未来更为重要。 由于光伏电池的组件化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量。 在建筑围护结构上安等光伏阵列，可以促进PV部件的大规模生产，从而能够进一步降低PV部件的市场价格，这对于BIPV系统的广泛应用有着极

18、大的推动作用。 大尺度新型彩色光伏模块的诞生，不仅约了昂贵的外装饰材料（玻璃幕墙等），且使建筑外观更有魅力。 BIPV将3年内占国内市场的40 建筑光伏占全球光伏应用75 中国的建筑光伏以BIPV为主 形象工程将是3年内建筑光伏市场主体 图3 全球光伏应用的主流是建筑光伏（2）建筑光伏的美学要求光伏建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果光伏组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻

19、璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此光伏建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，光伏建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。例如：图

20、4 光伏建筑美学要求（3）建筑结构与光伏组件电学性能的配合在设计光伏建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使光伏组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。（4）巧妙利用太阳能的建筑太阳能为保护环境创造了有利条件，于是许多建筑学家巧妙利用太阳能建造太阳能建筑。i）太阳能墙：美国建筑专家发明太阳能墙，是在建筑物的墙体外

21、侧装一层薄薄的黑色打孔铝板，能吸收照射到墙体上的80%的太阳能量。被吸入铝板的空气经预热后，通过墙体内的泵抽到建筑物内，从而就能节约中央空调的能耗。ii）太阳能窗：德国科学家发明了两种采用光热调节的玻璃窗。一种是太阳能温度调节系统，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖气，然后把这种太阳能传递到墙和地板的空间存储，到了晚上再放出来；另一种是自动调整进入房间的阳光量，如同变色太阳镜一样，根据房间设定的温度，窗玻璃或是变成透明或是变成不透明。iii）太阳能房屋：德国建筑师塞多.特霍尔斯建造了一座能在基座上转动跟踪阳光的太阳能房屋。该房屋安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，使房屋底座在环

22、形轨道上以每分钟转动3厘米的速度随太阳旋转。这个跟踪太阳的系统所消耗的电力仅为该房太阳能发电功率的1%，而该房太阳能发电量相当于一般不能转动的太阳能房屋的两倍。（5）建筑规范的安全要求 建筑物需要以玻璃作为建筑材料的下列部位必须使用安全玻璃：i）7层及7层以上建筑物外开窗；ii）面积大于1.5的窗玻璃底边离最终装修面小于500mm的落地窗；iii）幕墙；iv）倾斜装配窗、各类天棚（含天窗、采光顶）、吊顶；v）观光电梯及其外围护；vi）阳台、平台栏板；vii）公共建筑物的出入口、门厅等部位；viii）易遭受撞击，冲击而造成人体伤害的其他部位。（6）BIPV和逆变器选择图5 逆变器在BIPV系统中

23、的作用通常光伏建筑使用的光伏板功率一般在几十千瓦到二三百千瓦，10KW以上100KW以下的中型功率逆变器应用较多，部分小型家庭系统，仍然是5KW以下小型机适用。光伏建筑上安装的电池板很难满足最佳光照角度设计，并处于复杂的外界环境中，系统设计时，尽量将不同环境下的电池板接入不同逆变器；拥有多路MPPT的产品能够适应更灵活的设计，节省升本；能够与电池板一对一的微型逆变器相对能够生产更多电能。光伏建筑最常用的薄膜电池组件大部分需要负极接地，对逆变器有一定要求。需要逆变器据有隔离变压器，使输入输出之间隔离，避免产生直流回路；通过技术手段（如静轨拓扑结构）达到逆变器负极输入接近零电位，范围在RCD检测阀

24、值之内。 微型逆变器：微型逆变器是与单个光伏组件相连，可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网，具有以下优点：（1）保证每个组件均运行在最大功率点，具有很强的抗局部阴影能力；（2）将逆变器与光伏组件集成，可以实现模块化设计、实现即插即用和热插拔，系统扩展简单方便；（3）并网逆变器基本不独立占用安装空间，分布式安装便于配置，能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用；（4）系统冗余度高、可靠性高，单个模块失效不会对整个系统造成影响。微型逆变器已经成为光伏建筑市场的一个新兴点，它让每一块光伏板都能发挥到最大的效能，为系统带来更大收益。 伴随着微型逆变器的发展，“交流组件”这个概念

25、逐渐为人们所认知。从成本角度考量，微型逆变器的每瓦价格略高于传统逆变器，使用微型逆变器使得整个光伏系统成本增加3-4.5%，而使用微型逆变器大约能够为整个系统带来5%-25%的额外收益。 图6 使用微逆变器有效降低了局部阴影对输出功率的影响3. 光伏建筑和微逆变器系统设计（1）奇妙微逆变器产品介绍太阳能微型逆变器模块的系统框图如Error! Reference source not found.9所示。主要包括：辅助电源设计。提供DSP芯片，功率变换IC，晶体管，以及监控单元所需要的直流母线电压。良好的辅助电源设计可以减小待机功耗，是现在主流产品的重要竞争指标。同时辅助电源设计对降低整机成本，

26、减小整机体积都有很大帮助直流转交流逆变功率变换。属于核心技术部分。通过提出的新拓扑架构，将太阳能电池的不稳定直流电，通过高频功率电子，转换成电压稳定，满功率输出的交流电，并最终向电网传送能量。输出电磁干扰（EMI）滤波器。电网对于电磁干扰EMI有严格要求。因此，本方案采用两级LC滤波器方案。需要针对EMI滤波器和功率逆变单元进行优化设计。在满足电网要求前提下，尽量较少滤波器体积。基于数字信号处理DSP芯片的控制器。DSP芯片负责功率变换的控制算法，最大功率跟踪算法，起停机，保护功能。同时必须融合并网算法，并网锁相，并网故障检测，故障处理。图7 微逆变器主板实物图图8 奇妙微逆变器实物图片图9

27、微逆变器原理框图奇妙微逆变器技术参数奇妙微逆变器中国220V/50Hz型号QM240-CN直流输入建议组件STC功率范围（W）180-280直流输入电压范围（V）20-45直流最大输入电压（V）55直流最大输入电流（A）12交流输出额定输出功率（W）200最大输出功率（W）240额定输出电流（A）1.05最大输出电流（A）1.2额定输出电压（V）220额定输出电压范围（V）187-242额定输出频率（Hz）50额定输出频率范围（Hz）支持最大微逆连接数（台）15性能峰值效率95%CEC加权效率94%最大功率跟踪效率99%输出功率因数0.99最大THD5%夜间功耗（mW）30使用额定工作温度-4

28、0oC to +65oC电磁兼容GB/T17799安全规范GB/T19939，IEC62116使用寿命（年）15结构尺寸（长宽高，毫米）21813735重量（千克）2.5封装额定IP65冷却自然备注序列号（000077DE8922）光伏组件ZQM型号ZQM-240D-24最大功率（Wp）250尺寸（长宽高，毫米）158080835最大功率点电压（V）36.4最大功率点电流（A）5.2开路电压（V）45短路电流（A）5.55重量(KG)15.5安装孔距 附平面图 三、附件1. 逆变器系统安装安装奇妙微逆变器系统有以下6个关键步骤: （1） 将奇妙微逆变器固定到支架上 （2） 连接光伏面板 （3）

29、 连接奇妙微逆变器交流线缆 （4） 系统接地 （5） 安装交流支路接线盒 （6） 完成奇妙微逆变器系统安装图 步骤1 将奇妙微逆变器安装到支架上注意事项：（1）安装任何微逆变器之前，确认公共连接点处电网电压符合微逆变器标签上的电压等级。（2）依据与光伏面板接线盒或其它障碍物距离等标记出微逆变器在支架上的位置，禁止将微逆变器安装在阳光能直接照射的地方，微逆变器和上面光伏面板之间至少相隔3厘米以上。（3）如果使用接地垫圈将微逆变器外壳和光伏面板支架相连，接地垫圈必须经过支架制造商认可，且每个逆变器至少需要安装一个接地垫圈。 步骤 2 连接奇妙微逆变器与光伏面板 首先将光伏面板的正极接头(母头)和微

30、逆变器的负极接头(公头)相连。然后将光伏面板的负极接头(公头)和微逆变器的正极接头(母头)相连。每台微逆变器连接一块光伏面板。 步骤 3 连接奇妙微逆变器与交流线缆每台微逆变器有3针母头和公头各一个，公头侧交流线长1.2米。通过微逆变器互相之间公头和母头相连就可形成一条交流支路。 a. 每台支路的第一台微逆变器的交流公头侧接上接线盒。 b. 检查支路上要连接的微逆变器数目是否超出逆变器标签上的规定值。 c. 连接第一台微逆变器的交流母头和相邻第二台逆变器的公头，紧接着第二台再接相邻的第三台，依次完成整个支路连接。 d. 将支路上最后一台微逆变器上未使用的交流接头盖上保护端盖。注意事项：（1）禁止支路上安装的微逆变器总数超出逆变器标签上的规定值。每条支路都有一个最大16A电流断路器保护。（2）确认所有未使用的交流连接头被盖上保护端盖。步骤4 系统接地每台奇妙微逆变器有一个接地夹，可以接上单根直径1.5mm2，6mm2，