浅谈绿色建筑中光伏建筑一体化系统(BIPV)设计及应用

来源:教案设计 发布时间:2022-12-29 09:35:04 点击:


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当今,全球面临着气候变化、空气污染和资源短缺的危机,可持续发展已成为人类发展的共同目标。在我国建筑领域中,需要消耗大量的能源和资源,据相关统计[1],我国在建材生产、建筑构造和建筑使用过程中消耗的能源占到社会终端能耗的46.7%。这与可持续发展的理念是相悖的,因此,发展低能耗的绿色建筑,改变当前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式,成为必然趋势。

发展绿色建筑,在我国也逐渐受到了重视,政府就发展绿色建筑不仅确定了战略目标、发展规划、技术经济政策,同时也修改和完善相关法律、法规,保证绿色建筑的构建和推广。以目前广州市为例,广州市白云区、南沙区等区域新建建筑设计项目均最低需满足国家绿色建筑一星级要求。绿色建筑设计规范中,关于“合理采用可再生能源发电技术,发电量不低于建筑用电量的2%”[2],而太阳能光伏发电系统作为一种可再生能源首先被列入了考虑范围。当前,太阳能光伏发电技术与建筑物相结合研究最多的是光伏建筑一体化系统(BIPV 即Building Integrated Photovoltaic),该系统中光伏组件既要满足光伏发电的功能要求,同时也要兼顾建筑的基本功能及美学要求,光伏组件既被用作系统发电机,又被用作建筑物外墙材料。本文结合工程实例,从建筑电气设计专业的角度阐述、分析绿色建筑中光伏建筑一体化系统(BIPV)的设计思路及发展前景。

1 光伏建筑一体化系统建筑设计要求

1.1一般规定

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,以免出现不必要的触电事故。

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不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。

1.2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不低于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。

1.3 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。

2 光伏建筑一体化系统的设计过程

2.1 光伏发电系统的分类

太阳能光伏系统分类如表1所示:

2.2光伏建筑一体化系统设计原则及步骤

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 光伏建筑一体化系统(BIPV)实例分析

以下通过介绍某绿色建筑项目中应用光伏建筑一体化系统的一个案例,从系统原理、主要设备技术要求、设备安装位置等方面进一步阐述光伏建筑一体化系统在建筑电气设计中的思路及技术要求。

3.1项目概况

该项目为某住宅项目中的配套会所设施,会所总建筑面积5543.23m2,高16.7m,地下室二层,地上三层,主要功能为SPA房、游泳池、办公区、模型展示区、娱乐室等。在设计阶段中,业主要求该会所需达到国家绿色建筑三星、美国leed认证的设计目标。会所负一层设一台500kVA专变变压器,按照绿色建筑优选项要求,发电量不低于建筑用电量的2%,太阳能光伏发电量为10kW设计(基于成本考虑,业主决定按5kW设计),下面光伏建筑一体化系统设计参数均以5kW为设计值。

3.2会所光伏建筑一体化系统图见图1所示。

3.3光伏建筑一体化系统概述

该项目所在地为广东省江门市,地理位置位于东经113.08°,北纬22.58°,年平均气温22.3℃,极端气温最高36.6℃,最低1.4℃,当地水平面年太阳辐射量约为1427.15kWh/m2。本方案设计选用单晶硅BIPV太阳能电池双玻组件,规格为1670mm×1100mm×50mm,单晶硅组件每块功率为235Wp(96片),组件使用寿命不低于20年。组件防护等级不低于IP65,设计安装总数量为24块,光伏组件电池板面积为44.1m2,装机总功率为5640Wp。本系统光伏组件采用可透光型BIPV双玻组件,根据当地气象资料安装角度朝向为南偏西45°,以建筑屋顶结构的方式安装在室外泳池旁休闲凉亭的结构支架上,平铺安装的双玻组件保证了建筑的美观和休闲凉亭的采光效果,同时便于后期的运营维护。

会所光伏建筑一体化系统由光伏组件、直流汇线箱、逆变器、交流配电箱、 监控系统、电缆和相关电气材料等相关附件组成。该系统发电的电力并入会所值班室公共照明箱,在用户侧并网并实现即时发电即时消化,发电提供的电能不足时由市电自行补充。会所光伏建筑一体化系统室内外设备安装如图2和图3所示。

3.4光伏建筑一体化系统中并网逆变器技术要求

光伏建筑一体化系统中并网逆变器为其重要设备。本项目光伏系统采用低压并网的方式运行,光伏阵列产生的直流电流经并网逆变器逆变变成交流电(系统选用小型组串型并网逆变器,安装于值班室内),交流电并入值班室内的公共照明配电箱接入点。

并网逆变器需满足以下主要技术要求:(1)内置电网保护装置,逆变器需具有同期控制功能:实时采集外部电网的电压、相位信号,通过闭环控制,使得系统输出电压和相位与外部电网同步;(2)防孤岛效应功能:外部电网失电后,立即停止供电;电网恢复供电时,并网逆变器并不会立即投入运行,而是需要持续检测电网信号在一段时间内完全正常(系统延时时间2~90s内可调),才重新投入运行;(3)最大功率跟踪技术(MPPT),保证转换效率始终工作在最佳状态,当日照强度和环境温度变化时,光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化时,其输出功率也随之改变,逆变器可以调节光伏组件的发电电流与电压,通过这种调节,使整个光伏系统始终保持在最大功率输出等。

3.5光伏建筑一体化系统防雷设计

系统防雷主要分为防直击雷和防感应雷,防直击雷设计:光伏组件的金属支架及其它金属构件均与避雷带或防雷引下线可靠连接;防感应雷设计:在直流汇线箱及交流配电柜处安装防雷保护装置(直流汇线箱。

3.6光伏建筑一体化监测系统设计

光伏建筑一体化检测系统主要由逆变器来实现,检测系统设计包括采集日照、温度、控制器及风力传感器等设备的数据,通过数据掌握系统的运行情况,自动检测系统存在的问题或故障并予以提示,方便维护人员集中管理所有逆变器及系统维护工作。

本项目在会所大门入口显眼处安装一个51寸大屏幕显示器,可将光伏建筑一体化系统发电的相关信息直观展示出来,诸如实时发电量、直流电流、直流电压、交流电压及电流、历史发电量等,将发电量转化为节能减排的数据,让业主真切感受到光伏建筑一体化系统发电的节能减排效果。

4 光伏发电系统(BIPV)的优缺点及应用前景

近年来,随着中国绿色建筑的不断发展,光伏建筑一体化系统建筑物不断的涌现,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间;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,完全干净(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下降;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,未来五到十年中国光伏发电有望规模化发展。

5 结语

本文在绿色建筑设计规范的的要求基础上,简要介绍了光伏建筑一体化(BIPV)系统设计过程,并结合某绿色建筑项目中应用光伏建筑一体化系统的一个案例,从系统原理、主要设备技术要求、设备安装等方面进一步阐述光伏建筑一体化系统在建筑电气设计中的思路及技术要求。总的来说,光伏建筑一体化系统实现了现代建筑美学与太阳能光伏系统的完美结合,符合低能耗绿色建筑的要求,随着产业成本的降低、技术的完善,光伏建筑一体化(BIPV)系统将可能在城市中大规模应用,其发展前景也将十分广阔。

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