论文部分内容阅读
【摘 要】 本文重点介绍太阳能光伏发电在建筑物中的应用及技术设计，光伏系统在建筑外层上的重点设计环节；太阳能光伏行业在可再生能源开发中的社会影响，以及今后的发展趋势，保护好人类生活环境，实现节能减排、可持续发展。
【关键词】节能 太阳能 光电建筑 并网光伏发电系统
前言：
太阳能光伏发电原理：太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件，半导体的PN结被光照后产生电流，当光直射太阳能电池芯片，被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子，使原子核和电子的结合力降低，电子摆脱原子核的束搏成为自由电子，这些自由电子在晶体内向各方向移动，余下空穴（电子以前的位置），当外部环路被闭合，电流产生，即光生伏特效应。光伏发电具有可再生性、清洁性、灵活性、使用寿命长等优点，但也具有安装成本高、择时性、天气影响变化大等缺点。光伏发电系统中光伏组件、逆变器为核心部件。在我国，光伏发电处于大力发展阶段，国家扶持政策较多，是一种新型绿色能源项目。大家应保护好人类赖以生存的地球环境，实行低碳建筑，低碳生活，每一个人都应该承担起这份社会责任。
光伏发电与建筑物相结合，通常称“光电建筑”，光电建筑主要有两种结合方式：一是光伏系统与原有建筑物二次结合，称为“普通型”，此类型光伏系统通常安装在建筑物屋顶居多（图一）；二是光伏系统与新建建筑物一次结合，称为“建材型”，此类型光伏系统常与建筑物幕墙集成在一起（图二）。光伏发电系统分为并网发电系统、独立发电系统、并网与独立相结合发电系统。按照目前光电建筑的发展趋势，用户侧光伏并网发电系统在光电建筑中应用较广，投资成本较低，投资收益稳定，开发潜力大，还可以缓解用电高峰期电网供电压力，本论文着重考究光电建筑“普通型”用户侧并网发电系统的技术开发。
1、光电建筑的应用优势
国内外光电建筑推广力度较大，光电建筑具有节能、节地、节材、降低环境污染等优点，高效、经济、环保等特点。
（1）光电建筑发电系统产生的是清洁能源，不会污染环境。太阳能是一种再生能源，取之不尽，用之不竭，既清洁，又免费，光伏发电对生态环境没有副作用，可以保护好社会环境，实现可持续发展。
（2） 光电建筑发电系统一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需占用新土地，尤其对大中城市土地资源紧缺更为重要，既可综合利用建筑屋顶或墙面，又可为居民、厂区生产、商业提供绿色电能。
（3） 在白天用电高峰期，此时也是光伏发电最好的时段，光电建筑所发电量可以满足自身建筑用电需求，从而缓解了高峰期电力需求的紧张状态，对电网起到调峰作用。
（4） 光电建筑发电系统安装在建筑屋顶、外墙壁等外围护结构上，降低了建筑屋顶或墙面日晒温度，减少了墙体热量、室内空调负荷，有降温隔热的作用。因此，既节约了能源，又确保室内空气质量，从而达到“节能减排”的作用。
（5） 光电建筑所发电量可就地消纳，在一定的距离之内节省了电站输送电网的设施投资；对于联网系统用户来说，发电系统还能为其它建筑用户供电，与远程输电线路相比，线损更小，输电成本更低。
（6） 光电建筑发电属于“零排放”，无污染的小型发电站，是世界范围内大力倡导节约能源、环境保护所寻求的重要途径之一。
（7） “建材型”光电建筑光伏系统与幕墙的集成结合，既美观，又节能；“普通型”光电建筑光伏系统与屋顶的附着结合，既可降低屋面防晒、防水维护成本，又可为建筑提供大量的绿色电能，是一种新兴项目。
（8）发展光电建筑项目，可以极大地消纳国内光伏上游产品，带动社会经济，既抵御国外反倾销策略，又推动国内光伏产业的良性发展。
总之，就目前的情况来看，光伏发电与建筑物的结合设计研究已成为建筑行业、电力行业的研究重点。两者的紧密联系、相互结合，大大地促进了现代经济增长，在今后将会更多地应用于居民、商业、工业中。
2、光伏发电系统在光电建筑中的设计
（1）“建材型”光电建筑
“建材型”光电建筑是将光伏电池与建筑材料集成，光伏系统发电部分的器件作为建筑构件使用。由于一般建筑物的外围护结构表面通常采用外墙涂料、幕墙、各式外墙面砖等，目的是保护结构主体和装饰建筑外表，而光电建筑将光伏系统发电部分的器件代替部分建筑幕墙构件，从而增强建筑物外观的美观性、实用性，这样，既可当作装饰建筑外表的装饰材料，又可用来发电，所发电量供建筑物内部照明、暖通、办公设备等使用，发挥节能减排的作用，促进绿色建筑的发展。不仅具有建筑外围护功能，而且产生绿色电能供建筑使用。
“建材型”光电建筑光伏系统一般由钢构件、玻璃光伏方阵、线缆、线槽、防雷、汇流箱、逆变器、并网柜、监控设备、计量保护设备等组成。在系统设计中，应加大玻璃光伏方阵的设计深度，重点考虑采光、遮阳、荷载受力、防水、美观等因素；为了提高运行效率，对逆变器的选型也相当重要，选择与系统匹配的逆变器。
（2）“普通型”光电建筑
“普通型”光电建筑是将光伏方阵附着在建筑物表面使用，相当于二次结合，当今主要形式为并网型屋顶光伏发电系统，由混凝土基础、型钢支架、光伏方阵、线缆、线槽、防雷设施、汇流箱、逆变器、并网柜、监控设备、计量保护设备等组成。一定数量的光伏组件组串成规则的光伏方阵，光伏方阵产生的电流经汇流箱汇流后，再经并网逆变器逆变成交流电，通过并网接入、计量保护、监控等设备与市电汇合，同步运行。光电建筑并网型光伏发电系统作为市电的补充电源，设计灵活性大，比“建材型”光电建筑投资成本更低，实用性更强，发电量更多，系统发电效率更高，是光电建筑首选的发展趋势。
并网型屋顶光伏发电系统（图三）就地并网，所发电量及时消纳，不需要配备蓄电池，既节省投资，又可降低运维成本，充分利用建筑屋顶资源，为用户生产绿色电能，发挥光电建筑的实质作用。
图三 用户侧并网发电系统
在并网型屋顶光伏发电系统的设计中，应注重以下环节：
（1）合理进行光伏系统并网接入设计，充分评估用户历年电量消纳情况。
（2）保持光伏方阵组串的平衡性，又要与系统其它设备相匹配，光伏方阵布置整齐、规范、美观；在满足抗风抗压的条件下，选择耐候防腐的型钢支架；计算好最佳方阵倾角，最大化接受太阳能辐照，以保证最大发电效率。
（3）逆变器是光伏发电系统中的关键设备，高效的逆变器是系统稳定运行的有力保证，应性能可靠、转化效率高；直流输入电压有较宽的适应范围；具有保护功能；波形畸变小、功率因数高，满足电网要求；监控和数据采集功能兼容性好等。
（4）汇流箱、并网柜的配置應保护灵敏、操作安全。位置设计合理，以降低线路损耗。
（5）线缆型号应保证载流安全、耐温、耐候、抗腐、绝缘性能好等。
（6）防雷设计范围广、安全可靠，选定合理的防雷等级。
（7）计量保护设备应数据计量准确、安全保护可靠、操作便捷等。
（8）监控设备应数据采集精确、与软件兼容性高、回馈速率快等。
（9）系统发电效率主要取决于光伏阵列的排布、逆变器的转换效率，还与环境温度、光伏组件表面清洁度、线路损耗、变压器损耗等因素有关，按照经验计算，通常系统效率取值在75%～85%之间。
3、结束语
目前，中国存在大量的建筑屋顶资源，对发展“普通型”光电建筑奠定了坚实的基础。能源紧缺是世界性的难题，节能减排、绿色环保是我国各级政府的重要政策和目标。促进太阳能光伏发电在建筑设计中的应用，对推动光电建筑发展具有重大的意义，也给其它建筑光伏发电项目提供参考和借鉴，也为该项技术应用的推广提供了经验。
【关键词】节能 太阳能 光电建筑 并网光伏发电系统
前言：
太阳能光伏发电原理：太阳能电池芯片是具有光电效应的半导体器件，半导体的PN结被光照后产生电流，当光直射太阳能电池芯片，被吸收的光激发被束缚的高能级状态下的电子，使原子核和电子的结合力降低，电子摆脱原子核的束搏成为自由电子，这些自由电子在晶体内向各方向移动，余下空穴（电子以前的位置），当外部环路被闭合，电流产生，即光生伏特效应。光伏发电具有可再生性、清洁性、灵活性、使用寿命长等优点，但也具有安装成本高、择时性、天气影响变化大等缺点。光伏发电系统中光伏组件、逆变器为核心部件。在我国，光伏发电处于大力发展阶段，国家扶持政策较多，是一种新型绿色能源项目。大家应保护好人类赖以生存的地球环境，实行低碳建筑，低碳生活，每一个人都应该承担起这份社会责任。
光伏发电与建筑物相结合，通常称“光电建筑”，光电建筑主要有两种结合方式：一是光伏系统与原有建筑物二次结合，称为“普通型”，此类型光伏系统通常安装在建筑物屋顶居多（图一）；二是光伏系统与新建建筑物一次结合，称为“建材型”，此类型光伏系统常与建筑物幕墙集成在一起（图二）。光伏发电系统分为并网发电系统、独立发电系统、并网与独立相结合发电系统。按照目前光电建筑的发展趋势，用户侧光伏并网发电系统在光电建筑中应用较广，投资成本较低，投资收益稳定，开发潜力大，还可以缓解用电高峰期电网供电压力，本论文着重考究光电建筑“普通型”用户侧并网发电系统的技术开发。
1、光电建筑的应用优势
国内外光电建筑推广力度较大，光电建筑具有节能、节地、节材、降低环境污染等优点，高效、经济、环保等特点。
（1）光电建筑发电系统产生的是清洁能源，不会污染环境。太阳能是一种再生能源，取之不尽，用之不竭，既清洁，又免费，光伏发电对生态环境没有副作用，可以保护好社会环境，实现可持续发展。
（2） 光电建筑发电系统一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需占用新土地，尤其对大中城市土地资源紧缺更为重要，既可综合利用建筑屋顶或墙面，又可为居民、厂区生产、商业提供绿色电能。
（3） 在白天用电高峰期，此时也是光伏发电最好的时段，光电建筑所发电量可以满足自身建筑用电需求，从而缓解了高峰期电力需求的紧张状态，对电网起到调峰作用。
（4） 光电建筑发电系统安装在建筑屋顶、外墙壁等外围护结构上，降低了建筑屋顶或墙面日晒温度，减少了墙体热量、室内空调负荷，有降温隔热的作用。因此，既节约了能源，又确保室内空气质量，从而达到“节能减排”的作用。
（5） 光电建筑所发电量可就地消纳，在一定的距离之内节省了电站输送电网的设施投资；对于联网系统用户来说，发电系统还能为其它建筑用户供电，与远程输电线路相比，线损更小，输电成本更低。
（6） 光电建筑发电属于“零排放”，无污染的小型发电站，是世界范围内大力倡导节约能源、环境保护所寻求的重要途径之一。
（7） “建材型”光电建筑光伏系统与幕墙的集成结合，既美观，又节能；“普通型”光电建筑光伏系统与屋顶的附着结合，既可降低屋面防晒、防水维护成本，又可为建筑提供大量的绿色电能，是一种新兴项目。
（8）发展光电建筑项目，可以极大地消纳国内光伏上游产品，带动社会经济，既抵御国外反倾销策略，又推动国内光伏产业的良性发展。
总之，就目前的情况来看，光伏发电与建筑物的结合设计研究已成为建筑行业、电力行业的研究重点。两者的紧密联系、相互结合，大大地促进了现代经济增长，在今后将会更多地应用于居民、商业、工业中。
2、光伏发电系统在光电建筑中的设计
（1）“建材型”光电建筑
“建材型”光电建筑是将光伏电池与建筑材料集成，光伏系统发电部分的器件作为建筑构件使用。由于一般建筑物的外围护结构表面通常采用外墙涂料、幕墙、各式外墙面砖等，目的是保护结构主体和装饰建筑外表，而光电建筑将光伏系统发电部分的器件代替部分建筑幕墙构件，从而增强建筑物外观的美观性、实用性，这样，既可当作装饰建筑外表的装饰材料，又可用来发电，所发电量供建筑物内部照明、暖通、办公设备等使用，发挥节能减排的作用，促进绿色建筑的发展。不仅具有建筑外围护功能，而且产生绿色电能供建筑使用。
“建材型”光电建筑光伏系统一般由钢构件、玻璃光伏方阵、线缆、线槽、防雷、汇流箱、逆变器、并网柜、监控设备、计量保护设备等组成。在系统设计中，应加大玻璃光伏方阵的设计深度，重点考虑采光、遮阳、荷载受力、防水、美观等因素；为了提高运行效率，对逆变器的选型也相当重要，选择与系统匹配的逆变器。
（2）“普通型”光电建筑
“普通型”光电建筑是将光伏方阵附着在建筑物表面使用，相当于二次结合，当今主要形式为并网型屋顶光伏发电系统，由混凝土基础、型钢支架、光伏方阵、线缆、线槽、防雷设施、汇流箱、逆变器、并网柜、监控设备、计量保护设备等组成。一定数量的光伏组件组串成规则的光伏方阵，光伏方阵产生的电流经汇流箱汇流后，再经并网逆变器逆变成交流电，通过并网接入、计量保护、监控等设备与市电汇合，同步运行。光电建筑并网型光伏发电系统作为市电的补充电源，设计灵活性大，比“建材型”光电建筑投资成本更低，实用性更强，发电量更多，系统发电效率更高，是光电建筑首选的发展趋势。
并网型屋顶光伏发电系统（图三）就地并网，所发电量及时消纳，不需要配备蓄电池，既节省投资，又可降低运维成本，充分利用建筑屋顶资源，为用户生产绿色电能，发挥光电建筑的实质作用。
图三 用户侧并网发电系统
在并网型屋顶光伏发电系统的设计中，应注重以下环节：
（1）合理进行光伏系统并网接入设计，充分评估用户历年电量消纳情况。
（2）保持光伏方阵组串的平衡性，又要与系统其它设备相匹配，光伏方阵布置整齐、规范、美观；在满足抗风抗压的条件下，选择耐候防腐的型钢支架；计算好最佳方阵倾角，最大化接受太阳能辐照，以保证最大发电效率。
（3）逆变器是光伏发电系统中的关键设备，高效的逆变器是系统稳定运行的有力保证，应性能可靠、转化效率高；直流输入电压有较宽的适应范围；具有保护功能；波形畸变小、功率因数高，满足电网要求；监控和数据采集功能兼容性好等。
（4）汇流箱、并网柜的配置應保护灵敏、操作安全。位置设计合理，以降低线路损耗。
（5）线缆型号应保证载流安全、耐温、耐候、抗腐、绝缘性能好等。
（6）防雷设计范围广、安全可靠，选定合理的防雷等级。
（7）计量保护设备应数据计量准确、安全保护可靠、操作便捷等。
（8）监控设备应数据采集精确、与软件兼容性高、回馈速率快等。
（9）系统发电效率主要取决于光伏阵列的排布、逆变器的转换效率，还与环境温度、光伏组件表面清洁度、线路损耗、变压器损耗等因素有关，按照经验计算，通常系统效率取值在75%～85%之间。
3、结束语
目前，中国存在大量的建筑屋顶资源，对发展“普通型”光电建筑奠定了坚实的基础。能源紧缺是世界性的难题，节能减排、绿色环保是我国各级政府的重要政策和目标。促进太阳能光伏发电在建筑设计中的应用，对推动光电建筑发展具有重大的意义，也给其它建筑光伏发电项目提供参考和借鉴，也为该项技术应用的推广提供了经验。