太阳能光电技术在节能建筑中应用设计方法

太阳能光电技术在节能建筑中应用设计方法能源问题越来越成为世界关注的热点问题，严峻的能源紧张状况已经危及我国未来国民经济安全运行，引起党和国家的高度重视。2006年1月1日5中国可再生能源法颁布实施后,国家有关部门随后相继出台了二十多个促进可再生能源发展的办法和条例，建设节约型社会是党和国家今后长期发展的战略性指导原则,已经成为全社会的共识而深入人心。自20世纪80年代以来,太阳能光伏技术得到了迅速发展，全球太阳能光伏技术产品的生产和应用以每年30%-45%的速度持续高速增长，尤其是进入21世纪以来,世界光伏产业的发展年均增长超过60%。我国光伏产业已经快速启动,，2007年以后,我国光伏产业的年增长率超过100%。太阳能光伏产品具有安全可靠、无噪声、无污染,能量随处可得，不受地域限制，无需消耗，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人职守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等许多优点，这些都是常规发电和其他发电方式所不及的。我国社会、经济的快速发展和人们对能源环境问题的关注，为太阳能光伏市场提供了很好的发展机遇和空间。在市场和生态环境需求的驱动下，随着“屋顶计划”和“金太阳计划”项目的启动实施，我国太阳能光伏产业已经迎来了一个大的发展机遇。发展太阳能光伏产业，有利于促进形成一个庞大的高科技产业链和产业群，拉动机械、电子、化工、材料等相关产业的共同发展[1]。太阳能的光伏发电技术是利用光电转换的原理让太阳辐射光能通过半导体的媒介转化成电能，从而使能源的运用更加灵活。从长远看，太阳能的光伏发电技术为城市居住建筑提供了更加广阔的前景，但是在初期的投资高、转化的效率低；就目前来看，太阳能的光伏发电技术和建筑物相结合来研究得最多的是建筑的光伏一体系统简称BIPV系统。BIPV将太阳能的发电机组完美地集结在建筑物的屋顶或者墙面上，其工作的原理和普通的光伏发电系统完全一致，唯一的区别在于太阳能的组件既可以被当作系统的发电机，又可以当作建筑物的外墙材料。BIPV系统的发电原理是利用光伏电池的半导体PN结特性，电池片可以吸收阳光将其转成直流电能并输出，将电池封装后成为光伏组件，再将电池组件应用到建筑上，使光伏组件成为光伏建筑的一部分，让光伏组件再结合其它相配套的配电柜、逆变器、变压器等电器设备，便可以输出人们需求的的交流电[2]。近年来，随着中国绿色建筑的小断发展，光伏建筑一体化系统建筑物小断的涌现，但更多只是在地标性工程或示范工程的应用比较广泛，如上海世博会主题馆、高铁上海虹桥站主站楼、深国际园林花卉博览会等等。与其它能源技术相比，太阳能光伏发电是一种洁净、可再生的发电形式，光伏发电的应用将为子孙后代提供可持续发展的空问;此外，太阳能光伏发电系统的组件可在任何地方快速安装，且无污染，完全净(蓄电池除外)。当然，太阳能光伏发电系统也存在一定局限性，如受地理分布、季节变化及昼夜交替的天气、建筑成本及造价等因素影响；但光伏发电并未市场化原因，笔者认为其主要制约因素还是建筑成本较高而使开发商放弃使用。但随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术逐步提升，光伏发电系统成本也在逐步卜降;同时中国政府也就并网、电量收购、补贴、土地政策逐一细化，为分布式光伏项目、电站投资开发提供了多重保障，新能源产业也已上升为国家战略产业，未来五到六年中国光伏发电有望规模化发展。一、光伏建筑一体化系统建筑设计要求1、一般规定光伏建筑一体化系统中光伏组件与建筑的集成结合方式，有光电屋顶、光电幕墙、光电采光顶和光电遮阳板等。系统设计需结合建筑、结构等相关专业要求，共同确定系统各组成部分在建筑中的安装位置。安装在建筑物上的光伏组件，满足建筑的使用功能及节能要求、结构安全及使用要求、以及电气安全等要求，并配置带电警告标识及电气安全防护设施，以免出现小必要的触电事故。此外，光伏建筑一体化系统规划设计需进行太阳能辐射、建筑物、电网等方面的评估。在建筑物上安装该系统小能降低建筑物本身或者是周围相邻建筑物的日照标准;避免周围环境景观、绿化种植及建筑自身的构件投影遮挡投射到光伏组件上的阳光；避免光伏组件对建筑本身或者是周围建筑物群体的二次辐射造成光污染。2、建筑专业设计要求安装光伏组件的建筑部位在冬至日全天日照应小低于3h；并在安装光伏组件的部位采取安全防护措施；满足其所在部位的建筑防水、排水、雨水、隔热及节能等功能要求。除了以上技术要素之外，光伏建筑一体化系统设计另一至关重要是满足建筑的美学要求，介绍如下两点：（1）建筑物的光影效果，普通光伏组件一般为阻挡视线的布纹超白钢化玻璃，现代建筑屋顶或外墙幕墙如安装光伏组件，对采光会有一定的需求，此时可以采用光面超白钢化玻璃，外加电池板背面的采用普通光面钢化玻璃制作双面玻璃组件(节约成本)，即可满足建筑物的功能。（2）光伏组件背面的接线盒及其连接线一般情况下采用明装，容易破坏建筑物的整体协调感，光伏建筑一体化系统中一般将接线盒省去或隐藏起来，此时需考虑旁路二极管保护，可将旁路二极管和所有连接线隐藏在幕墙结构中，同时需做好防雨水侵蚀和防晒措施。3、结构专业设计要求根据光伏建筑一体化系统的类型，对光伏组件的安装结构、支撑光伏系统的主体结构或结构构件及相关连接件进行相应结构设计。结构设计应与工艺和建筑专业相配合，合理确定光伏组成部分在建筑中的位置。光伏建筑结构荷载取值应符合《建筑结构荷载规范》(GB50009-2010)的规定。二、光伏建筑一体化系统的设计原则及步骤光伏建筑一体化系统的设计在收集当地气候参数的基础上，根据建筑物的使用功能、电网条件、负荷性质和系统运行方式等因素，确定系统为安装型、建材型或构件型。光伏组件的倾角、数量、安装位置及阴影的设计要和建筑物设计同时进行，因其对光伏建筑一体化的外观影响校大，应尽量做到相互平衡、协调、一体化的设计。简单设计步骤如下：（1）设计之前收集当地的太阳能辐射以及温度变化等气象数据，当地气象部门太阳能辐射量一般只有水平面的数据，需要根据理论计算换算出光伏板表面的实际辐射量。（2）建筑设计和电力负荷的确定，决定光伏组件的类型、规格、数量、安装位置、安装方式和可安装面积的场地，同时光伏组件规格及安装面积、安装位置也决定了光伏系统的最大安装容量。（3）系统的直流汇线箱、逆变器、测量和数据采集系统的设计[3]。三、国内外光伏建筑应用现状1、国外应用现状国外对太阳能光伏建筑一体化系统的研究已有较长时间。国外的光伏建筑发展是从示范到推广，从屋顶光伏到与建筑集成，并进而将光伏组件作为一种新型的建筑材料发展。一些发达国家，特别是美国、德国和日本在光伏建筑一体化方面，已经有了相当成熟的设计经验和技术。这些国家有着明确的鼓励政策，如电价补偿政策,或通过高价采购并网光伏电力，使得民众安装光伏发电系统成为一种有利可图的投资。日本是一个长期稳定的市场，德国由于政策的鼓励而迅速增长，美国和西班牙等国家都是新兴市场，太阳能光伏产业发展迅速。在这些国家的引领下,全球光伏市场有了大幅度的增长。光伏产业自上世纪90年代后期进入快速发展时期。最近10年，太阳能电池产量由1997年的125.8MWp增加到2007年的4000.05MWp，年平均增长率为41.3%；最近5年，年平均增长率达到了49.5%。光伏产业据监视，同时光伏并网逆变器数据由触摸屏的RJ45端口采用Modbus／Tcp协议传到远程监控系统。监控中心将与各设备通讯的数据存入自己的实时数据库，根据通讯速率，动态更新数据。8、温度传感器本系统采用铂电阻作为温度探头，配有温度变送器，实现总线器件数字温度计，具有线路简单，体积小的特点。用它来组成一个测温系统，使用一根通信线，可以挂很多类似的数字温度计，十分方便。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，该类传感器测量温度范围为-40°C～+150°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.1°C。环境温度为-40°C～+70°C，精度为±0.1°C。项目采用百叶窗式环境温度传感器，采用片式组件背板温度传感器。9、太阳能辐射仪该表用来测量光谱范围为0.3-3μm，太阳总辐射测量范围0~2000W/m2，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，配有变送器，实现总线器件数字化。因此，它可广泛应用于太阳能利用、气象等部门做太阳辐射能量的测量。10、风速风向传感器本项目采用高灵敏风速风向传感器。量风速量程：0～45m/s；分辨率：0.1m/s；准确度：±(0.3+0.03V)m/s，起动风速：≤0.5m/s。风向量程：0～360°；分辨率：1°；准确度：±3°，起动风速：≤0.5m/s。11、系统能效分析按照光伏组件设计寿命为25年，系统平均每年衰减0．8％计，25年衰减不超过20％。考虑光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失，系统总效率按81．6％计，可预测25年运营周期总发电量。首年发电量约为249．2万kWh，25年累计发电量约为5600．6万kWh，年均发电量约为224万kWh。12、节能计算一般发出lKWh电要消耗约0.36kg标准煤，同时产生0．272kg碳粉尘、0．997kg二氧化碳、0．03kg二氧化硫和0．015kg氮氧化合物。系统年均发电量约为2240258kWh，预计每年可节省标准煤806.5t，可减少排放609.4t碳粉尘、233.5t二氧化碳、67.2t二氧化硫和33.6t氮氧化合物[6]。七、太阳能光电技术在建筑上应用的设计计算过程年产电能Ps=η×H×A×K式中Ps一年产电能（MJ）H一所在地区每m2太阳能与年总辐射能（MJ/m2）A一光电幕墙或屋面面积η一光伏电池效率K一修正参数；K=K1×K2×K3×K4×K5×K6,其中K1一光伏电池长期运行参数，取0.8K2一灰尘引起的透明度参数，取0.9K3一光伏电池升温导致性能下降的参数，取0.9K4一导电损耗修正参数，取0.95K5一逆变器效率参数，取0.85K6一光伏电池列阵朝向和倾角修正系数，本地区取0.93南京地区：H=5016MJ/m2=5016×106J/m2多晶硅η=0.16K=0.8×0.9×0.9×0.95×0.85×0.93=0.487A=424.96×1012/(0.16×5016×106×0.487)=1.09×106m2采用1000mm×760mm光伏电池板，块数=1.09×106/(1.0×0.76)=1.435×106实际面积：1.0×0.76×1.435×106=1.0906×106m2＞1.09×106m2可以满足用电需求。八、太阳能光电技术在其他建筑上的应用1、某驻华使馆太阳能弧形光伏弯顶工程某驻华使馆主体结构为钢屋架弯顶，给施工和安装都造成了相当大的难度。经过该建筑各参与方的相互协作配合，经过反复试验、方案讨论和现场安装小模型等一系列准备工作，最终确定了实施方案。该项目太阳能电池设计容量为3.3kW，共由37块1148mmx1148mm的正方形透光双玻璃组件组成。在北京光照环境下，理论日均发电量约lOkWh电，年均约3600kWh，离网独立发电，与市电220V互补切换为室内部分照明供电。这种把电池片附着在幕墙表层的做法既增强了太阳能电池对太阳光的吸收量，也使幕墙接收太阳光照后的升温程度得到降低，对表层建筑结构的寿命延长也是有好处的。通过把双玻电池组件附着在幕墙表层的做法既增强了太阳能电池对太阳光的吸收量，也使玻璃幕墙接收太阳光照后的升温程度得到降低，对表层建筑结构的寿命也有延长效应。由于实际钢结构的尺寸较原设计发生了较大变化，部分玻璃幅而超过2m，已超过现阶段常规电池组件层压机的极限尺寸2.2mX2.2m(人工)或者3.6mx2.8m(全自动)，组件加工造成气泡和电池片碎裂的风险增大，且每一块六边形玻璃均不一样，玻璃生产成本和难度严重增加。根据该项目的特点并结合实际情况，从生产、安装上对原设计进行调整，另外，通过厚度为3.2mm+3.2mm的双层玻璃夹胶太阳能电池组件与幕墙玻璃形成二次中空，增强其稳固性。而导线为隐蔽的安装方式:通过幕墙衔接之间的胶缝沿着钢结构走到4层屋顶的控制箱里。该建筑物总共4层，由于外方设计师坚持要求把电池片相互之间的间隙设计为5cm，这就大大增强了作为玻璃幕墙弯顶所需的透光效果(图6)，并形成部分光线的漫反射，大大增强了建筑物内部的光影效果和立而装饰效果，但同时也增加了生产和安装的难度，造成了生产成品率低下、吊装作业要在风力小于4级的天气中进行等一系列困难。各参建方顶住压力，克服重重困难，最终圆满地完成了该任务。该系统于2010年并入发电系统运行，达到设计要求，即:按北京平均日光照8h计算，日均发电量约l0kWh电，年均约3600kWh，虽然该系统仅为室内部分照明提供用电，但其所产生的节能效应和实际应用价值是不可估量的。2、国家体育馆示范建筑工程实践作为奥运会主场馆之一的国家体育馆，其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙在让人赏心悦目的同时，还隐藏着一座年发电量97000kWh的光伏发电站。这座与国家体育馆集成设计、同步建设的并网光伏电站，就是刚在我国开始起步的建筑光伏集成发电技术真正应用于建筑集成设计施工的标志和范例。国家体育馆幕墙设计独具匠心，采用钢结构、铝型材、玻璃和拉索结合使用，层次分明变化有序，整个幕墙在简洁明快的格调中透露出热情奔放的气息。直面玻璃采用钢化中空Low-E玻璃，最大限度地提高了节能、环保性能。双玻太阳电池方阵由24块双玻太阳电池组成，安装在南坡面玻璃幕墙和屋面，与建筑结合、建筑一体化设计赋予了国家体育馆的屋顶和南坡面玻璃幕墙“环保、节能”的科技概念，使其成为“会发电的屋顶”或“会发电的玻璃幕墙”。国家体育馆金属屋盖体系集吸音、隔音、保温、降噪、防水等多功能为一体，此金属屋盖体系乃是国内屋盖体系中的首例。铝合金垂片和硅酸钙挂板是体育馆公共部分的主要装修做法，尤其是硅酸钙挂板在公共建筑中作为装饰面层出现尚属首次，属于设计的大胆创新。100kW并网光伏发电站输出的电能用于国家体育馆地下车库照明负载供电，它展示了我国光伏发电技术水平、也体现了我国政府对再生能源的重视。3、北京最大的太阳能项目一首都博物馆首博新馆作为北京的标志性建筑物，是市政府奥运工程配套项目中的重点工程。为了更好地将建筑与艺术、建筑与高新技术相结合，配合北京2008年奥运会，突出“绿色北京、绿色奥运”理念，努力创造绿色、环保、节能城市整体形象，在市领导和有关部门的支持下，根据大平顶、大挑檐结构的建筑屋顶设计，在首博新馆屋顶的平面部分安装了5000m2的太阳能光伏发电装置，峰值发电量达到了300kW。使中国太阳能光伏发电工程中单体建筑发电量达到了国际先进水平。首博新馆也成为集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的博物馆，具体形象地表现了太阳能资源的利用，以求“可持续发展”的教育示范作用。4、上海世博会主题馆光伏建筑一体化应用上海世博会光伏建筑一体化应用总容量约4.6MW，分别集中在中国馆、世博中心、主题馆及南市电厂建筑上。考虑到主题馆的形态及构造，再结合太阳能应用的设计原则，太阳能光伏发电系统主要应用于主题馆屋顶上。屋面作为主题馆的第五立面，面积达6.4万m2。屋面形态采用菱形与三角形结合的立体构图。在屋顶采用与屋顶一体化组件，替代部分屋顶材料构成有规律性的图案，使主题馆的屋顶具有特殊的艺术效果及鲜明的科技特色。与屋面一体化太阳电池组件，在屋顶平铺，菱形部分满铺，中间采用透光式组件。系统总装机容量约2.8MW,系统建成后将成为国内单体建筑上最大的光伏建筑一体化系统，系统采用升压后并网发电。5、上海虹桥铁路客运站光伏发电项目京沪高铁上海虹桥铁路客运站光伏发电项目(见图8)总安装面积6.1万m2，总装机容量达到6.572MW，在25年的设计寿命内，年平均上网电量638万kWh，总发电量将达到1.6亿kWh。项目将在上海世博会召开之前投入运行。作为我国建筑光伏一体化项目的代表作，虹桥光伏发电项目不占地，不消耗燃料，没有任何噪声和排放，是最清洁的发电方式。它每年可节约标煤2274t，减排二氧化碳5837t，二氧化硫45t，氮氧化合物20t，烟尘364t。上海是我国最大的经济和金融中心，虹桥交通枢纽是上海对外形象的一个重要的现代化门户，在虹桥交通枢纽建设大型太阳能光伏发电项目，向世界展示了中国在可再生能源领域的先进技术和积极开发、利用新能源，保护环境，减少温室气体排放的信心和决心。同时，虹桥光伏发电项目也是铁道部为建设绿色枢纽场站，进一步提升铁路客运站的社会形象，充分体现节能环保先进理念而立项建设的第一个铁路场站光伏发电项目，它将在我国新时期的铁路建设中具有很好的示范引领作用。虹桥光伏发电项目符合我国新能源尤其是太阳能发展规划和产业振兴政策，它对于提升上海市的城市形象，推进上海市太阳能利用和光伏发电产业发展具有重大意义，将产生良好的社会效益和经济效益[7]。九、我国太阳能光伏发电行业发展中存在的问题我国的太阳能光伏技术产业现状不甚乐观，光伏产品原料都是依赖国际进口，产品则依赖出口，我国所加工的太阳能光伏产品百分之九十都是要出口至国外市场的。我国国内的光伏产品主要是应用到农村的电气化与独立型太阳能的光伏发电，太阳能光伏发电的产业还存在着很多问题，主要有以下几点：1、太阳能光伏产业是综合型的学科，包含了电力、建筑、光学、物理学以及化学等多种学科，需要多学科的综合型人才，但是，我国却缺乏高水平的科研与工程人才。2、要提高转化光伏的效率关键学科是材料学，研发新材料对于太阳能光伏发电技术的发展有着至关重要的作用。3、光伏物理学以及光伏化学的理论基础发展得较慢，在理论方面还没有突破性的发展。4、光伏发电产业和建筑物的结合性差，不能够满足当今城市的发展需求。5、太阳能工程的管理不够规范，缺乏国家的指导与行业的监督。6、光伏发电的成本偏高，超出了人们能接受的范围[8]。十、光伏产品推广应用的对策1、制定切实可行的中长期发展规划。政府有关部门要组织专家深入研究世界和中国能源形势、太阳能光伏发电的发展趋势，研究发达国家光伏发电发展规划及其制定依据，科学地制定适合中国能源可持续发展和环境友好需要的国家光伏发电发展战略和长远规划，从技术上和政策上为国家发展太阳能光伏技术和产业提供科学的咨询。2、建立国家级科研基地。要整合现有的太阳能光伏技术的研发力量，组建国家级太阳能光伏系统技术工程研究中心或重点实验室。围绕实现太阳能光伏发展的战略目标，组织研究太阳能光伏发展的技术路线和战略措施；设立专项基金，加大对太阳能光伏技术的科学研究、成果转化和产业化的投资支持力度；组织研究重大、重要和关键技术；探索产、学、研、政府、资本密切合作的新的科研体制；建立中国自己的光伏技术和产品的认证机构和认证体系，促进太阳能光伏产业和市场的健康发展。3、完善政策及配套措施,培育和引导市场。社会期盼传闻已久的《新能源振兴与发展规划》应尽快出台、实施，国家和地方政府采取积极的鼓励扶持政策，大力发展太阳能光伏高新技术新兴产业，尽快形成若干太阳能光伏系统高新技术产业链，占领制高点；通过政策引导，鼓励太阳能光伏系统高新技术产品的推广应用。参照高新技术企业所得税先征后补政策、小水电增值税减免政策及风力发电、垃圾发电等产品税收优惠政策，对太阳能光伏企业给予大力支持。尽快落实《中华人民共和国可再生能源法》等有关法律文件的精神，对太阳能光伏技术和设备的购买者、太阳能光伏电力的用户、采用太阳能光伏与建筑一体化技术的建筑开发商、推广应用太阳能光伏技术设备的企业等单位给予一定的财政补贴和资金支持。4、加速研发与应用人才培养。要加强科普教育和全民教育，提高全民对发展可再生能源的认识，加强太阳能光伏科研机构的能力建设和人员培训，在有相关研究背景和技术力量的大学、科研院所开设可再生能源技术课程，制定中短期专业技能培训计划，既培养有高素质的科技领军人物，又培养经验丰富的工程技术人员，从国情和产业市场需求出发，依靠技术进步和科技创新，掌握更多的具有自主知识产权的核心技术，实现跨越式发展，从根本上改变我国在太阳能光伏应用方面的落后局面。5、加强可再生能源领域的国际合作。要借鉴和参考其他国家在这一领域所制定的法规、政策,学习和借鉴国外在管理体制、运行机制、激励措施等方面的成功经验，利用国际技术、人才、资金、市场等方面的有效资源，强化中国可再生能源法规及制度体系建设，提升我国可再生能源法规及其实施细则的科学性和可操作性，使中国可再生