光伏发电系统集成第6章BIPV 屋顶建筑

1、华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师：朱红路,光伏发电系统集成 光伏与建筑相结合BIPV,建筑能耗是我国能源消耗的主力军,近年来，建筑与房地产业是我国经济增长的火车头之一，但与此同时，建筑能耗也是我国能源消耗的主力军。国家建设部统计报告显示：我国建筑能耗惊人，建造和使用建筑直接、间接消耗的能源占到全社会总能耗的 46.7%！单位建筑面积能耗是发达国家的-倍 ！ （在新西兰，住宅能耗占国家总能耗的13%，而商业建筑则为9%； 在澳大利亚，住宅和商业建筑能耗分别占国家总能耗的12%和8%） 节能中长期专项规划着重指出：建筑是十一五节能的重点领域之

2、一，建筑节能的重点是严格执行节能设计标准。,太阳能光伏建筑一体化（BIPV）是解决建筑高能耗的有效途径之一,根据国家发改委、国家统计局的统计，我国现有房屋建筑总面积400亿平方米，其中城市可利用屋顶面积8亿平方米，农村可利用屋顶面积32亿平方米，合计可利用屋顶面积40亿平方米。 利用我国城乡房屋面积的20%来进行太阳能发电，则能产生80GWp的发电能力，占全国总装机容量的1/4，按全年满功率发电1500小时计算，年发电量可达120TWh，约占全国总发电量的7.3%。,光伏屋顶与BIPV,简单说来，光伏屋顶就是利用安装在建筑物顶部的光伏组件（太阳能电池）将光能转换为电能，供用电器使用。 光伏与建

3、筑的结合有如下两种方式，都可以通过逆变器、控制装置等成发电系统。 （1） 一种是建筑与光伏系统相结合，把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，组成光伏发电系统。（见下图左） （2） 另外一种是建筑与光伏器件相结合，是将光伏器件与建筑材料集成化，即光伏建筑一体化（BIPV），如将太阳能光伏电池制作成光伏玻璃幕墙、太阳能电池瓦、太阳能防水卷材等，集实用与装饰美化为一体，达到节能环保效果，是今后的发展光伏建筑一体化的趋势。（见下图右光伏玻璃屋顶）,光伏屋顶工程,德国柏林中央车站 BIPV天窗,中国山西纳克 BIPV玻璃幕墙,应用图片,应用图片,曲面屋顶 太阳能车库顶板,光

4、伏与建筑结合的安装方式,采用普通太阳电池组件，安装在倾斜屋顶原来的建筑材料上 采用特殊太阳电池组件，作为建筑材料安装在倾斜屋顶上 采用普通太阳电池组件，安装在平屋顶原来的建筑材料上 采用特殊太阳电池组件，作为建筑材料安装在平屋顶上 采用普通或特殊太阳电池组件，作为幕墙安装在南立面上 采用特殊太阳电池组件，作为建筑幕墙安装在南立面上 采用特殊太阳电池组件，作为天窗材料安装在天窗上 采用普通或特殊太阳电池组件，作为遮阳板安装在建筑上,BIPV斜屋顶 家庭用BIPV光伏发电屋顶，节省空间，BIPV组件与屋顶的完美集成。,三、光伏建筑一体化BIPV,BIPV光伏幕墙 光伏幕墙BIPV与玻璃幕墙的和谐融

5、会,达到双重的使用效果.,三、光伏建筑一体化BIPV,BIPV采光顶,三、光伏建筑一体化BIPV,三、光伏建筑一体化BIPV,天窗采光顶，技术与艺术的和谐交融,将光线和室外的景色融入人的生活。,三、光伏建筑一体化BIPV,BIPV遮阳板,BIPV遮阳板，采光与遮阳的另类时尚， 给室内空间一种全新的感觉。,三、光伏建筑一体化BIPV,不同类型的太阳电池组件在建筑物上的适用程度,“+”表示高适用性，“0”表示低适用性，“-”表示不适用,光伏建筑一体化的优点, 与建筑本身结合成为一个整体，不额外占用土地资源。 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。有光伏阵列和公共电网共同给

6、负载供应电力，增加了供电的可靠性。 BIPV系统大部分发的是用电高峰时的黄金电，可以大大缓解供电压力，经济和环境效益显著。,光伏建筑一体化的优点, 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，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，保证室内的空气品质。 避免使用一般化石燃料发电的空气污染和废渣污染。 光伏阵列安装简便，可任意选择发电容量。 促进部件的大规模生产，进一步降低部件的市场价格，对系统的广泛应用有着极大的推动作用。,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,目前,太阳能光伏建筑一体化BIPV并网发电在国外已经得到电力部门的认可。 预计50年后,仅BIPV屋顶并网发电就可提供全世界1

7、/4的电能。国内BIPV的发展比 国外稍晚了点，但是国内BIPV的发展具有牢固的技术基础，发展比较稳重。总的 来说BIPV的发展趋势主要有以下几点： 1) BIPV产品的标准结构诞生,2) BIPV标准成为主导光伏建筑设计的标准，而不像现在依附于建筑标准,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,3) 产生BIPV的规范标准,约束厂家的生产,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,4) BIPV与建筑的集成度跟高,与建筑结合更完善,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,5) BIPV组件由白天发电、美化建筑的原始功能,向夜间发光装饰建筑的多媒体化发展。,6) BIPV智

8、能化,与智能建筑相融合,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,7) BIPV组件实现建筑室内透光率的可变性，调节室内的采光。,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,8) BIPV并网发电技术更加智能化、多元化，发电成本降低。,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,9) 实现BIPV组件与楼宇自动一体化。,随着全球太阳能光伏发电比重的增加，光伏发电是目前解决能源与环境问题的有 效途径。大型荒漠光伏电站由于其自身占地面积大的缺点，未来光伏发电的主流将是 光伏建筑一体化BIPV发电。 根据国外BIPV和国内近几年BIPV的发展应用来看，今后光伏建筑一体化BIPV的发 展

9、将会是与建筑设计充分融合，应用形式更加多样化，更多应用于商业建筑幕墙、居 民住宅、学校、医院、机场、铁路站台等。同时，通过智能电网技术在低压端与电网、 实现并网连接，提高用电的可靠性。,四、光伏建筑一体化BIPV发展趋势,总结：,相关补贴政策,财政补贴将重点支持太阳能光电建筑一体化安装且发电主要用于解决建筑用能的项目，从项目类型上主要包括三类： 一是建材型，指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等； 二是构件型，指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据

10、建筑要求定制的光伏组件构成雨篷构件、遮阳构件等； 三是与屋顶、墙面结合安装型，指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装等形式。,财建2009129 号文件关于印发太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法,在实际项目申报是重点专注以下几点： （1） 安装类型和补贴对应的补贴标准 项目安装类型 补贴标准 建材型： 太阳能电池与建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料。 不超过 20 元/瓦 构件型： 指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件。 不超过 20 元/瓦 与屋顶、墙面结合安装型：指在平屋顶上安装、坡屋面上顺坡架空安装以及在墙面上与墙面平行安装

11、等形式。 不超过 15 元/瓦 （2） 优先支持项目 已出台并落实光电发展扶持政策的地区项目； 并网式太阳能光电建筑应用项目； 太阳能光伏组件与建筑物实现构件化、一体化项目； 学校、医院、政府机关等公共建筑应用光电项目。,1设计原则 光伏建筑一体化是光伏系统构成或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的BIPV设计都是不合格的设计。 建筑设计 BIPV的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用BIPV

12、的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条件，即选用BIPV的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带 来了新的挑战与机遇，画龙点睛的BIPV设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合；第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。,3发电系统设计BIPV光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。（1）光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果；另一方面要考虑其受光条件。 （2）光伏组件设计，涉入电 池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）与布

13、置（结合板块大小、功率要求、电池片大小进行）；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。 （3）光伏发电系统的设 计，即系统类型（并网系统或独立系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。 4结构安全性与构造设计光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面： 一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受风压变形时是否会影响到电池片的正常工作等。 二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定需对连接件固定点进行相应的结构计 算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿

14、命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。,5光伏建筑一体化（BIPV）对光伏方阵与光伏组件的要求 （1）影响光伏发电的因素简单地讲，影响光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。由于太阳能发电的全部能量来自于太阳，而太阳辐射量的多少与太阳高度、地理纬度、海拨高度、大 气质量、大气透明度、日照时间等有关。一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直散分量的比例，地表面的反射系数等因素都会影 响太阳能的发电，但这些因素对于具体建筑而言是客观因素几乎只能被动选择。对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率

15、、 光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。 （2）BIPV对光伏方阵的布置要求对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。,（3）BIPV对光伏组件的要求BIPV将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。作为与建筑结合或集成的建筑新产品，BIPV对光伏组件提出了如下新的要求。颜色与质感用于BIPV的光伏组件，其颜色与质感需与整座建筑协调。 强度与抗变形的能力当光伏组件与建筑集成使用时，光伏组件是一种建

16、筑材料，作为建筑幕墙或采光屋顶使用，因此需满足建筑的安全性与可靠性需要。光伏组件的玻璃需要增厚， 具有一定的抗风压能力。透光率在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。尺寸和形状目前市场上大部分的光伏组件的为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于BIPV的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行专门的设计与生产。,一、项目实施地概况 1、建筑物概况： 中硅研发楼光伏建筑一体示范电站项目建设于洛阳中

17、硅高科技有限公司的研发中心研发楼，实施地位于东经112，北纬3430。该建筑位于河南省洛阳市高新技术开发区，是国家硅材料工程技术研究中心的研发楼。建筑物为东西走向，楼顶面积18*82.5，楼顶有五大块倾角为20度的采光顶，其中两块为两道楼梯采光顶，面积均为12*4，其余三块面积分别为16.95*6、18.9*6、16.95*6，如图示，这三块均采用BIPV形式。,洛阳中硅BIPV案例,项目由洛阳中硅公司投资，阿特斯公司承建BIPV光伏并网示范电站，电站容量14.08KW。本项目安装方式为建材一体型，中硅高科技有限公司为业主单位，阿特斯公司为设计建造方，于07年6月启动该项目，9月份完工并网发电

18、。下图为建成后实景图：,2、太阳辐射量 A、洛阳地区水平面上各月平均太阳辐射量如下表：,B、洛阳地区水平面及楼顶20PV阵列面上各月辐射量变化情况,洛阳地区10年太阳能辐射量的月变化表,二 光伏与建筑结合设计要求 1、建筑设计需求 建筑楼顶需要安装既能隔热、隔音，又能采光、发电的太阳能组件，所发的电采用内部用户侧并网的方式。 在建筑屋顶上安装太阳能电池阵列的场合，斜面上安装，要考虑会不会因大雨而排水不畅，要不要增加排水管道。此建筑屋顶无防碍施工的障碍物，周围环境满足施工要求。 太阳能电站电池阵列的安装高度应大于历史最大积雪高度，另外，为使20cm厚的积雪能靠重力自行滑落，太阳能电池阵列倾角设计

19、在2045度为宜。 在太阳能电站与建筑物结合的场合，应做好防火、防水处理，阵列安装基础的自重、风压、积雪最大负荷设计，及基础预留防水螺栓等，并应根据建筑的走向和方位角合理排布逆变器直流输入的组件位置。 通过对中硅研发楼建筑特点、环境条件、气候条件、安装条件、太阳辐射资源和防水等方面的调查，我们确定中硅研发楼完全具备了建造BIPV光伏并网电站的条件。,合理设计的BIPV双玻组件具有美观、遮阳、采光、发电等多重效果！,2、安全设计要求（结构、电气控制等） 根据河南近30年气象站的数据，感应雷较多，直击雷较少见。 项目设计屋面防雷与楼顶防雷网连接，钢架构强度满足各种条件下（阵列安装基础的自重、风压、

20、积雪最大负荷设计）负荷要求，电气设计严格按照国家建筑电气相关法规。,避雷带,三、组件设计 1、组件排布: 根据客户要求，光电幕墙阵列安装于三道屋顶采光顶的靠南侧,示意图如下：,共安装光电板数量为40+48+40=128块,2、组件设计方案: (1)组件设计要则： 由于建筑分格的要求，经常对于一个光伏组件阵列，在边缘处的组件与阵列里面其它组件的尺寸及外形不相同。但是，又必须考虑到整个阵列外观的整体一致性，所以其里面的电池片排布位置又必须保持一致。,边缘空余较多，确保了中间组件的电池片排布整体均匀。,(2)组件结构： 根据中硅研发楼的建筑结构设计要求，采光顶功能要考虑到安全强度的要求，此BIPV系

21、统设计以下光电幕墙结构采用双夹层玻璃合中空，截面结构示意图如下：,(3)组件正面视图： 从建筑美观方面来考虑，组件既需要遮阳，又需要采光，同时也必须满足高效发电的功能。组件中的电池片排布如下图： 组件功率110W，透光率50%。,组件功率=单片电池片面积电池片转化效率电池片数量玻璃透光系数电池衰减系数。 其中： 单片电池片面积为：单晶125电池片为14858mm2，多晶125电池片为15625mm2 。 电池片转化效率为1417.4之间。 电池片数量为单个组件内的电池总数量 玻璃透光系数为太阳光透过玻璃后的光线强度与透过之前的比值，一般5mm厚的玻璃取95，8mm厚的玻璃取93。 电池衰减系数

22、一般为：单晶取0.97，多晶取1。,组件透光率1遮挡面积/组件面积 其中，遮挡面积可分为电池片遮挡面积和四边支撑遮挡面积等。 以本次的组件为例计算如下： 由于选用125单晶电池片，电池片面积为14858mm2 ； 组件内电池片数量为56PCS； 电池片遮挡面积为14858 56=832048mm2 四边支撑遮挡面积估算为（1488+1317）2 20=112200mm2 组件面积为1488 1317=1959696mm2 组件透光率1（832048+ 112200）/1959696=51.8%,系统设计 1、系统方案: 根据洛阳地区太阳辐射资源及会议中心耗电量、结构特点，光伏供电系统每年需提供

23、电力不低于9125kwh，在充分考虑光伏阵列采光与建筑结构相融性的基础上，将光伏阵列分别安装在会议中心楼顶上的三个采光顶，与中空玻璃采光顶结合为一体。 根据建筑南立面及房顶尺寸，兼顾逆变设备输入特性，设计阵列开路电压为576V，工作电压为465V.选用阿特斯标准光伏组件，共计功率14.08KWp 。 楼顶：布置128块110Wp组件，功率共计14.08KWp，阵列倾角20，年发电量约为9341kwh。,2、并网逆变系统 伏阵列共有3个子阵，根据太阳能组件的电流峰值总功率，确定配备并网逆变器的型号（ SMA公司生产的SB3300TL型逆变控制器）及数量（6台） 光伏并网系统将太阳能转换成直流电能

24、后，再通过逆变器将直流电逆变为50HZ、220/380V的三相或220V的单相交流电，然后通过配电柜并入公共电网。 本方案拟选用德国SMA公司生产的SB3300TL型逆变控制器。该产品逆变效率高、输出波形失真小、频率稳定，并具有过压保护、防孤岛等多项保护功能，同时还具有数据采集、通讯和显示功能。 SMA逆变器的交流输出电能质量很高，不会对电网造成污染。在输出功率50%额定功率，电网波动5%时，逆变器的交流输出电流总谐波分量（THD）3%。 逆变器在运行过程中，实时采集交流电网的电压信号，使逆变器的交流输出相位与电网保持一致。 逆变器采用被动式和主动式两种方法检测“孤岛效应”。在逆变器检测到电网

25、失电后，会立即停止工作，当电网恢复供电时，逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号,若电网在一段时间（如90秒钟）内完全正常，逆变器才重新投入运行。,逆变器接线端,3、数据采集系统 建设运行太阳能发电系统，需要选择先进的技术和能够带来长期经济效益的设备，确保系统的无故障运行。本项目采用通过实践检验的强大数据采集控制器，SMA公司的 控制器（ Sunny Boy Control ）能够将每日/每小时的发电站运行情况和故障信息通过邮件或传真及时发送给用户，从而快速检测电站系统可能出现的故障。要实现此目标，只需要在控制器上配置网络适配器，或者连接外置调制解调器，即可通过在计算机上安装数据管

26、理软件，随时随地对光伏电站系统的当前运行状况和发电量进行监测。 4、远程监控通讯系统 项目采用的 远程监控通讯系统（Sunny Data Control ）是安装在计算机上、用于操作控制器以监测发电站数据的软件。控制器采集数据，然后由远程监控通讯系统软件处理并显示。远程监控通讯系统还可以用来设置控制器的参数。除此之外，它也可以输出数据，并利用显示屏对外显示。,6、防雷设计： 本设计主要对各种感应雷进行有效应对,具体措施如下： 系统采用多点布设接地电极，阵列及架体、机房内设备均应可靠接地。与地接触电阻不大于10欧姆。 接线箱、配电柜内均设置防雷保护器，输出、输入处加装压敏电阻。 选择有防雷保护的

27、逆变器 各种机壳均应可靠接地。 在控制室进、出线处均增设防雷隔离箱。 连接电缆做可靠的屏蔽保护。,7、为展示发电效果，设LED数据显示屏一块，以显示系统运行状况及主要数据。,显示屏可以显示辐射强度、环境温度、发电功率，以及折算成的CO2减排量等信息。 也可以切换成新闻。定时播放新闻和发电量数据。 或也可以显示其他信息，实现最优化利用。,四、BIPV工程项目施工步骤： 1、新建、改建以及扩建中的太阳能光伏发电系统的安装应应单独编制施工方案。 2、太阳能光伏发电系统施工过程中，不应破坏建筑物的结构和建筑物的附属设施，不应影响建筑物在设计使用年限内承受各种荷载的能力。如因施工需要不得已造成局部破损，

28、应在施工后及时修复。 3、完成方阵支架施工、安装完太阳能电池组件后，应对这些设施和设备采取保护措施，然后进入电气和通讯等施工。 4、施工过程中的安全注意点： （1）太阳能光伏发电系统的产品和部件在存放、搬运、吊装等过程中不得受碰撞和受损； （2）太阳能光伏发电系统的安装应由专业队伍或经过培训的合格人员完成； （3）太阳能光伏发电系统施工时，应有保障施工人员人身安全的措施； （4）吊装作业前，应做好安全感围护措施，吊装时，吊装机械和货物不得碰撞周围建筑和公共设施；,安装过程注意保护组件，不得碰撞四周的其它设施,采用吊车吊装，取代完全由人工安装，更加高效,5、电气系统的安装： （1）电气装置安装应符合现行国家标准建筑电气安装工程施工质量验收规范GB50303的相关要求。 （2）电缆线路施工应符合现行国家标准电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范GB50168的相关要求。 （3）电气系统的接地应符合现行国家标准电气装置安装工程接地装置施工