太阳能建筑一体化案例分析_周承伯

2006年中国大气二氧化碳排放达历 史最高,这应该引起我们高度重视，我 国应对气候变化问题,采取一系列措施, 当然首先要节约能源,但更要注重发展 可再生能源，特别是太阳能光伏利用。
在城市发展光伏并网发电，特别是 与光伏与建筑结合，是一种很好的解决 方案。可以通过建筑发电，同时也不占 用土地，而且可减少二氧化碳排放，这 表明城市发展光伏建筑很有价值。
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。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：
• 依据用户的使用频率，光伏发电系统能 够带来可观的经济效益；在电网用电高 峰期，光伏系统除保证自身建筑内用电 外，还可以向电网供电，可缓解高峰电 力需求，解决电网峰谷供需矛盾，具有 极大的社会效益；
1.3太阳能光伏建筑一体化优点(3)：
• 杜绝了由一般化石燃料发电所带来的 严重空气污染，这对于环保要求更高 的今天和未来极为重要；
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！
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在20－45度为 宜。
3.3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。
●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。
ＢＩＰＶ应用还具有美观、绿色、环保、节能的效果，为 现代建筑提供了一种全新的概念。
对于一个完整的ＢＩＰＶ系统，还应该有另外一些设备： 负载、蓄电池、逆变器、系统控制、滤波保护等装置。当 ＢＩＰＶ系统参与并网时，则不需蓄电池，但需有与电网 的联入装置。
1.2太阳能光伏建筑一体化应用技术适用对象：
• 适用于城建较严格，要求安装规范、 美观、不损害市容市貌的单位、集体 、小区等；
• 适用于在建筑设计之处，就将太阳能 作为建筑的一部分考虑在内，与建筑 一同设计；
• 适用于各种形式的建筑，例如：住宅 小区、高层楼群、别墅等等；
1.3太阳能光伏建筑一体化优点(1)：
• 对于物业管理来说，安装规范、便于管 理；对于房地产商来说，可以作为楼盘 销售的卖点；
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。
（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
从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的 太阳能光伏集成建筑，光伏产业走过了半个世纪。在 可再生能源中，太阳能光伏产业发展最快，也最具潜 力。
我国能源储量与世界对比
在所有的能源门类中，太 阳能光伏是最有可能与建筑完 美结合的一种新能源！
绿色节能建筑是建筑业应对生态危机的积极反应
绿色建筑的定义:
3.2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。
洛阳地区水平和PV面辐射情况
辐射量 kwh/m2d
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
6.0
5.0
4.0 3.0
各月水平面上平 均辐射量
2.0 1.0
各月光伏阵列面 上平均辐射
0.0
月份
4.2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
从世界能源现状来看，必须大力发展可再 生能源，实现多种能源互补。
太阳能光伏建筑一体化提出了“建筑物产 生能源”的新概念。即通过建筑物，与光伏发 电集成起来，使建筑物自身利用太阳能资源产 生电 力。
太阳能光伏幕墙，除了达到玻璃幕墙同样 的美观效果外，还能利用太阳能光伏发电技术， 产生新能源。
太阳能光伏幕墙是将太阳能电池与各类建 筑玻璃结合制成可以发电的建筑材料，产品包 括各种晶体硅与非晶硅太阳能光伏夹层玻璃、 光伏中空玻璃等。其不仅具有发电功能，还具 有独特的美学效果，同时也满足作为建筑材料 的各项功能。节能环保的太阳能建筑代表了建 筑科技的发展方向。
所谓太阳能光伏建筑一体化是将太阳能 利用设施与建筑有机结合。
光伏与建筑的结合有两种方式：一种是 光伏系统以附加的形式与建筑相结合；另外 一种是光伏器件以建材的形式与建筑相结合， 即光伏器件与建筑材料集成一体，既可以当 建材，又能利用绿色太阳能资源发电。
1.1.太阳能光伏建筑一体化技术的特点
光伏建筑一体化（ＢＩＰＶ）即建筑物与光伏发电设备高 度结合集成，不仅能减少建筑物的能源消耗，还使“建筑 物产生能源”。光伏发电不用单独占用地方。
• 可原地发电、原地使用，减少电能运输 过程的费用和能耗；能够迅速地推广；
• 可以单独为某个小区设立售后服务点， 专门为该小区服务，免去客户的后顾之 忧。
• 能提供并网支持，尤其是在夏季有负荷 的地区，创造了一种多样的且可恢复的 能源系统；
1.3太阳能光伏建筑一体化优点(2)：
• 由于所利用的区域是建筑的一部分，不 需要增加安装部件的成本；避免了放置 光电阵列额外占用宝贵的建筑空间，与 建筑结构合一，省去了单独为光电设备 提供的支撑结构；使用新型建筑维护材 料，节约了外装饰材料，使建筑外观更 有魅力；
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。
3.4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，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题 不可小视。
• 由于光伏阵列安装在屋面和墙面上， 直接吸收太阳能，避免了墙面温度和 屋顶温度过高，可降低空调能耗。
• 光伏发电系统能够减少大部分温室气 体的排放，从而实现温室气体排放目 标。
二.太阳能光伏建筑一体化重要性
随着经济建设和人民生活水平的提高，城市花园住宅已经 成为潮流，同时能源危机和环境的恶化也在不断加剧，为此， 既清洁又取之不尽的太阳能产品的开发和利用亟需普及，让太 阳能产品助推城市花园化住宅实现既环保又节能，让未来住宅 都太阳能化。它的广泛应用对于节约不可再生的矿物能源，保 护环境，改善人类生存空间，实现经济社会的可持续性发展具 有重要的意义。
在建筑的全生命周期内，最大限度地节约资源(节 能、节地、节水、节材)，保护环境和减少污染，为 人们提供健康、实用和高效的使用空间，与自然和谐 共生的建筑。
——摘自我国《绿色建筑评价标准》
绿色建筑最核心、最有生命力的价值在于：
最高效率地利用能源、最低限度地影响环 境的绿色原则。
一.太阳能光伏建筑一体化基本概念
四.洛阳中硅BIPV案例分析
4.1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34°30′。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。