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光伏建筑系统的设计

2019
05/06
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建筑界
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【摘要】目前,国内的建筑面积大约有 500 亿平方米,并且每年正在以 20 亿平方米的速度飞速增加着,保守估计到 2020 年我国的建筑面积总共将

目前,国内的建筑面积大约有 500 亿平方米,并且每年正在以 20 亿平方米的速度飞速增加着,保守估计到 2020 年我国的建筑面积总共将增加大约 300 亿平方米。目前的建筑能耗大约是全国总能耗的百分之三十以上。所以,将可再生能源更多得使用在建筑领域内,是目前降低建筑资源损耗和调节建筑资源使用结构的主要方式之一。而光伏建筑作为太阳能利用的最佳形式,正在各国政府的大力推广下飞速发展。

1 光伏建筑一体化概述

BIPV(Building Integrated Photovoltaic):与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统,也称为构建型和建材型太阳能光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分,既具有发电功能,又具有建筑构件和建筑材料的功能,甚至还可以提升建筑物的美感,与建筑物形成完美的统一体。

BIPV 系统可划分为两种形式:光伏屋顶结构和光伏墙结构。一般由光伏阵列(电池板)、阵列与墙面(屋顶)间的冷却空气流道、支架等组成。当然,完整的 BIPV 系统还应包括负载,蓄电池、逆变器以及充放电控制器。

太阳能光伏发电系统是利用光伏电池板直接将太阳辐射能转化为电能的系统,主要由太阳能电池板、电能储存元件、控制器、电力电子变换器以及负载等部件构成。光伏发电系统按运行方式可以分为两类:独立运行的光伏发电系统和并网运行的发电系统。

2 光伏建筑系统的设计

2.1 设计原则

(1)建筑美学原则:BIPV 是建筑物的一个组成本分,整个系统必须符合人们对建筑审美的要求;(2)建筑智能原则:BIPV 系统必须同时满足作为相应建筑物构件所承担的保护、受力、隔热、防水、采光、遮阳等建筑职能;(3)最大电量输出原则:光电转换是 BIPV 系统的另一个重要职能。设计者在保证 BIPV 系统实现其建筑属性的同时,也要考虑如何实现光伏发电系统的电量输出最大化;(4)BIPV 系统的稳定性、可维护原则:BIPV 系统在其设计的生命周期内需保证安全、稳定的运行。

2.2 光伏建筑系统的设计

(1)当地气象参数的收集。在 BIPV 设计过程中,地点、气候、纬度、平均日照、平均温度、降水量、湿度、浮尘量、风荷载和地质条件都会影响光伏建筑一体化的经济性。(2)因此在设计前,需要收集当地的气象数据资料。(3)负载情况分析。负载的计算是独立太阳能光伏发电系统设计的重要内容之一。(5)光伏板最佳倾斜角的设计。在光伏系统的设计中,光伏板的安装形式和安装角度对光伏板所能接收到的太阳辐射量以及光伏供电系统的发电能力具有很大的影响。(6)光伏系统总功率的概算。在构成光伏阵列时,为了得到适合的输出功率,必须把单个电池串联或并联起来。根据负载用电量、电压、功率、光照情况,确定光伏电池的总容量和光伏电池板的串、并联数量。

2.3 光伏建筑关键技术

(1)安装位置。理论研究与实际运行显示 , 屋顶是 PV 的最佳安装点 , 其次是房屋的南立面。南立面的最优发电时间是冬季 , 最差是夏季。东西立面的发电量只有屋顶的 1 /3 左右。光伏阵列的倾角和方位角对其性能也有重要的影响。角度设置主要取决于当地的纬度 ( 有时 , 安装角度与当地纬度并不相称 , 需要测量决定 )、斜面上的辐照强度和负载的用电需求。B IPV 阵列的朝向和屋顶的倾斜度限制了其倾角和方位角。(2)遮挡因素。对于晶体硅光伏电池 , 很小的遮挡就会引起很大的功率损失 , 而遮挡对薄膜电池的影响小得多。建筑师设计 PV系统时 , 一定要计算遮挡因素对输出功率的影响 , 因为不同的遮挡方式可导致不同的功率输出效果。建筑师需要精心设计PV 组件的排布 , 一方面使 PV 建材的框形设计达到最优 , 另一方面使环境建筑物对 BIPV 的影响降到最低。(3)通风设计。为了保证充电电压 , 设计光伏发电系统时必须考虑各种因素引起的光伏电池方阵的电压下降量 , 并据此确定光伏电池组件的串、并联方式和方阵的排布形式。其中 , 导致电压下降的首要因素是组件的温升。

光伏电池组件接收太阳能后 , 其中一部分直接转换为电能输出 , 余下部分转换为热能向环境散出 , 因此电池组件开始工作后数分钟内温度升高 , 一般维持在 50 ℃左右。在通风不良的情况下 , 光伏电池组件背面温度可达 80℃以上 , 直接影响了太阳电池的输出电压和转换效率 ( 温度每升高 1 ℃会使光伏电池的能量转换效率降低 0. 5% 左右 )

[3] .因此 , 通风设计是BIPV 中很重要的因素。通过对 B IPV 系统 ( 包括光伏电池组件、枕木、角钢、防雨保温板等组成部分 ) 合理的建筑设计和安装方式 , 可以达到良好的通风、降温效果。

3 结语

太阳能光伏建筑一体化技术和成本将取得突破性的进展,彻底消除使用障碍,太阳能光伏建筑一体化绿色电能源将替代传统火力电能,引领新一轮能源革命。所以我们既要把发展太阳能光伏建筑一体化新能源作为应对危机的重要举措,又要把太阳能光伏建筑一体化新能源提高到国际竞争的战略制高点的位置。光伏建筑一体化 BIPV 是一个综合工程 , 一个成功的BIPV 需要从最初的方案构思就精心策划 , 考虑建筑物的周边环境、建筑美学、整体效果、投资规模等等 , 需要建筑、结构、电气等多专业的共同努力和配合。

参考文献:

[1]. 宣晓东 . 太阳能光伏技术与建筑一体化应用初探 [D]. 合肥:合肥工业大学 ,2007.

[2]. 姜 志 勇 . 光 伏 建 筑 一 体 化 (BIPV) 的 应 用 [J]. 建 筑 电气 ,2008,27(6):263-266.

[3] 靳静 . 城市光伏建筑一体化 [J]. 建筑节能 ,2007(8):47-50.

[4]张兴,曹仁贤。太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械出版社 ,2011:19-26.

https://www.jianzhuj.cn/news/851.html
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