探究光伏技術的運用要點

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一、建筑光伏的工程設計要點

(1)建筑光伏的恒荷載對于在建建筑，光伏系統(tǒng)的荷載問題一般已提前考慮，這里主要介紹已建成建筑的荷載問題。對于屋頂光伏系統(tǒng)而言，當安裝屋面為上人屋面時，安裝光伏組件后，由于缺乏活動空間，可視為非上人屋面，屋面的使用屬性由上人轉變?yōu)榉巧先?，由此而產(chǎn)生的光伏組件安裝荷載余量為1.417kN/m2，通常能滿足光伏組件的安裝需求。當安裝屋面為非上人屋面時，安裝的光伏組件增加了屋面的恒荷載，這時需對屋面的承重進行仔細校核，若屋面沒有足夠承載力余量，直接安裝會給建筑的結構安全帶來威脅。這種情況下，對于跨度較小的建筑結構來說，通常將光伏支架直接生根于框架柱，避免其與屋面發(fā)生關聯(lián)，從而避免屋面恒荷載的增加；對于跨度較大的建筑結構，一般采用屋面加固的方法，但此方法成本較高。

(2)建筑光伏的風荷載對于建筑光伏系統(tǒng)，光伏陣列的抗風能力設計是非常重要的。在既有建筑上安裝光伏系統(tǒng)，光伏陣列在設計與建筑的結合方式時往往不希望“生根安裝”，對于既有建筑安裝光伏，往往設計成配重抗風或集中連片的支架形式。在采用適合的支架形式后，為保障建筑光伏的安全性，在進行建筑墻面安裝或屋面支架安裝時，光伏系統(tǒng)的風荷載應按國家標準GB50009-2001《建筑結構荷載規(guī)范》(2006年版)設計，并應考慮：分離式光伏面板的風荷載應計入迎風面風荷載和背風面風荷載；支架的風荷載應計入面板傳來的風荷載和支架直接承受的風荷載；合一式面板系統(tǒng)應分。

(3)安裝便利性的要求為了與建筑結合和安裝方便，一般將太陽電池制作成太陽電池瓦，組件結構和安裝方式與普通的建筑用瓦并無差異；對于應用于光伏幕墻的組件，其邊框結構也要求與建筑幕墻的模數(shù)相同，安裝方式也要與普通幕墻玻璃一致。如果采用普通光伏組件，則需制作專用托架或導軌，可方便將普通太陽電池安裝在其上；另外，太陽電池也常常被制作成無邊框組件，而且接線盒一般安裝在組件側面，以便于安裝。在一些特殊應用場合，會對太陽電池組件的形狀提出要求，不再只是常規(guī)的方形，如圓形屋頂要求太陽電池呈圓帶狀，帶有斜邊的建筑要求太陽電池組件也要有斜邊，拱形屋頂要求太陽電池組件能有一定的彎曲度等。

(4)建筑光伏壽命問題眾所周知，一般的混凝土建筑物設計壽命在50年以上，但普通光伏組件壽命只有25年，尤其是采用EVA膠的組件，相比之下采用PVB封裝的組件壽命會相對較長。建筑光伏系統(tǒng)中的關鍵設備光伏并網(wǎng)逆變器，通常壽命僅有8～10年，因此為保證光伏系統(tǒng)與光伏建筑的壽命相一致，需考慮光伏并網(wǎng)逆變器的定期更換問題。普通光伏系統(tǒng)的大部分連接線都是敞開在大氣中，空氣對流充分，溫度低，BIPV建筑系統(tǒng)中的連接線大多都在幕墻立柱、橫梁等密閉結構中，溫度不易散去，電線電纜的壽命也受到影響，因此對BIPV建筑系統(tǒng)中電線的要求更高。綜上可知，在建筑光伏系統(tǒng)設計中需統(tǒng)籌考慮各個部件，使其使用壽命或與建筑本身協(xié)調一致，或做到易于更換。

二、建筑光伏的光伏特性

(1)電氣設計從成本上考慮，仍建議采用集中型并網(wǎng)逆變器；對于BIPV系統(tǒng)，由于光伏組件安裝角度多樣，電池組件安裝地點分散，一般建議采用小功率逆變器或者使用組串型逆變器。所有建筑內(nèi)使用的電纜均應為阻燃型電纜。在某些應力較大的場合，應使用鎧裝電纜。當用于光伏發(fā)電的電纜需與建筑配電電纜敷設于同一槽、孔、橋架內(nèi)時，宜選用與建筑配電電纜相同材料的電纜。在人手可觸及的電纜敷設場合，電纜外皮的溫度不應高于70℃。在嚴寒的環(huán)境中，室外敷設的電纜要求耐低溫。當電纜布線需穿墻時易造成“冷橋”，應做特殊斷橋和保溫構造處理。對于以低壓380V接入市電的系統(tǒng)，對配電網(wǎng)影響最大的因素就是配電網(wǎng)末梢電壓的升高，尤其是出現(xiàn)逆功率時，這種電壓的升高會更加明顯。電壓升高超限會對用電設備造成損害，如果采用不可逆并網(wǎng)方式，應設置逆功率保護。

(2)監(jiān)控通訊設計光伏建筑一體化項目的通訊通常采用無線和有線兩種方式。無線主要包括：Zigbee和GPRS用于RS485、WIFI用于以太網(wǎng)；有線主要包括：雙絞線用于RS485和以太網(wǎng)、同軸電纜用于以太網(wǎng)和視頻信號、光纖用于以太網(wǎng)。對于光伏建筑一體化項目，通常設置監(jiān)控的位置主要有智能型光伏匯流箱、逆變器、多功能表和環(huán)境監(jiān)測儀。對于需升壓的項目還包括微機綜合自動化系統(tǒng)。微機綜合自動化系統(tǒng)一般用于變電站。站內(nèi)的每臺高壓開關柜都是一個獨立的監(jiān)控子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)將繼電保護功能和監(jiān)控功能等集成在一起，實現(xiàn)就地數(shù)據(jù)采集和就地控制，并提供遠動通道。

三、結論

總之，建筑光伏一體化并非是建筑與光伏組件簡單的“堆砌”，而是建筑特性和光伏特性在建筑光伏中的有機結合，建筑光伏系統(tǒng)充分發(fā)揮了光伏方陣的建筑特性和綠色電力特性，為節(jié)能建筑和光伏電力發(fā)展提供了一條創(chuàng)新之路。

作者：呂芳 馬麗云 單位：中國科學院電工研究所