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光伏建筑一体化光伏系统设计探讨

发布于：2022-12-01 10:24:01 来自：电气工程/市政公用工程 [复制转发]

建筑分布式光伏发电设置

光伏发电是利用半导体的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电技术具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料等优点。

我国太阳能总辐射资源丰富，总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。其中，青藏高原最为丰富，年总辐射量超过1 800 kWh / m ² ，部分地区甚至超过2 000 kWh / m ² 。四川盆地资源相对较低，存在低于1 000 kWh / m ² 的区域。

> > > > 建筑屋顶光伏安装方式

屋顶是目前建筑物太阳能光伏板最主要的安装位置，其具体的安装方式主要有以下几种。

> > 混凝土平屋顶安装

对于最常见的建筑物混凝土平屋顶，采用固定倾角式光伏阵列，支架为钢材支架，固定在屋顶混凝土支墩上。光伏组件支架沿结构单元长度方向设置横向支架。支架与基础、支架间杆件以及支架与檩条之间的连接采用螺栓连接方式，如图1、图2所示。

太阳能光伏板采用这种安装方式，结构荷载较小，安装方便。基本不会影响建筑物的屋面结构安全，不破坏屋面原有的防水体系，经济成本较低。对于新建建筑，结构专业可根据具体的支架安装尺寸要求，在设计阶段预留混凝土支墩，安装便捷。

光伏板支架倾角可根据当地纬度，结合屋面的平面布置，通过相关太阳能光伏软件计算，选取最佳的迎阳角度和倾斜角度。当光伏板采用倾斜放置时，需考虑光伏阵列行间间距，避免前排光伏板对后排的阳光遮挡。倾斜角度的选取与行间距应该结合屋面可安装位置的具体尺寸进行协调，在满足光照条件的前提下，综合各方面因素选取最优的倾角和配置方案，提高屋面面积的光伏系统安装容量和发电效率。根据以往的设计经验，采用这种方式设置安装的光伏发电系统，单位面积安装容量约为120 ~ 160 Wp / m ² ，在方案设计时，建议可按150 Wp / m ² 进行估算。

由于建筑物屋面有许多机电设备，如冷却塔、通风及消防风机、给排水设备、机电管道，还有高出建筑屋面的楼梯间、电梯机房、屋面消防水箱等，都会对光伏板阵列的安装位置产生较大影响，屋面可安装光伏板的位置面积占比较小或面积较为分散，不利于光伏系统的布置及汇流。需在设计初期会同建筑及各机电专业进行沟通协调，以获取更好的光伏组件安装面积和安装条件。

> > 混凝土平屋顶棚架安装

考虑到空间的有效利用，为解决上述屋顶安装的缺点，也可以采用架空的方式布置屋面光伏组件，即在屋面高位加设钢结构雨棚架，支撑光伏组件，不影响屋面本身的设备布置及利用。光伏组件支架与钢结构雨棚檩条通过螺栓连接固定，采用整体水平倾角的方式，光伏板平铺在雨棚钢结构上，如图3所示。

采用这种安装方式，可以最大化地利用屋顶面积，避免受到屋面设备布置的影响，但也有一些问题是需要考虑的：首先是安全问题，由于钢结构棚架高度超过了女儿墙，需要考虑在极端天气情况下（如强台风），光伏板有可能会被强风掀开，坠落到楼下造成危险，因此光伏板安装倾角不宜太大，安装连接件需复核连接强度；其次是钢结构棚架对于建筑高度和容积率的影响，棚架虽然四周是敞开的，但业主日后有可能自行封闭使用，需要与当地的建设及规划部门确认相关做法是否可以不计算建筑高度及容积率；再次，屋顶上的一些机电设备，如冷却塔、排风机、透气管等是否允许顶部封闭，需要与各相关专业协商确认。

钢结构的造价也是光伏发电系统投资回收的重要影响因素。同时钢结构的质量也会对结构屋面荷载造成影响，需结构专业配合复核屋面荷载，在设计阶段需要各专业协调配合，尽可能实现光伏安装面积的最大化。

> > 坡屋面平铺安装

对于坡屋面的屋顶类型，光伏组件通常会采用顺着坡屋面方向平铺安装的方式，组件与屋面之间留出一定的空隙，满足线路敷设及组件通风散热的要求，如图4所示。

对于混凝土坡屋面或别墅类混凝土坡屋面（上覆瓦片）的新建建筑，通常可以在设计时就预埋螺栓，按照常规做法做好屋面防水。设置光伏组件基座时，应将防水层铺设到基座和金属埋件的上部，并在地脚螺栓周围做密封处理，穿防水层处用防水密封胶填实，以隔绝雨水下渗路径，还应在基座下部增设一层附加防水层，即使基座顶部发生渗漏，雨水也不会到达结构层。

对于厂房、仓库等大面积的彩钢屋面，这种屋面多为坡屋面，较为常见的坡度为5 % 和10 %。屋面板多为压型钢板，常见的彩钢板屋面的主要方式有：直立锁边型、角驰型、卡口型、明钉型等。光伏组件可沿屋面坡度平行铺设，也可以设计成一定倾角的方式布置。上部支架可经过不同的衔接件、紧固件与屋面承重构造衔接。不同彩钢板构造对应采用不同的支架夹具，夹具与彩钢瓦匹配越佳支架装置的牢靠性越高。

对于既有彩钢屋面建筑增加光伏的改造项目，需要根据屋面板的构造型式，选择不同的固定安装方式，采用适合的夹具连接、打孔螺栓连接或化学胶粘贴的方式，将光伏支架安装在屋面板上，但需要特别注意加装光伏设备后的屋面防水补强处理，特别是穿透屋面板的连接件，可以采用防水垫片或其他密封构造胶的处理方式，保证防水性能。同时，还需要复核原有屋面钢架、屋架、檩条、屋面板等的结构荷载，进行受力构件分析，确保结构安全。

对于新建的彩钢屋面建筑，可以选用结合光伏一体化的屋面板，全屋面敷设光伏组件，免支架、快速安装，同时光伏屋面可踩踏、无需预留维修和清理通道，在抗风、防水、防火以及充分利用屋面可安装面积等方面更优于在传统金属屋面板上加装普通的光伏板。

> > > > 建筑立面光伏安装方式

建筑物的屋顶，特别是一般的高层建筑，往往屋顶面积不大，而且屋顶上的设备较多，可供安装光伏板的面积极其有限，为了最大化地安装光伏发电装置，建筑物的立面更是值得设计者去考虑光伏发电的位置。

> > 结合建筑立面造型安装（如图5所示）

在建筑方案设计时充分考虑立面光伏板的安装条件，结合建筑立面造型，在建筑迎阳面的雨棚、挑檐、遮阳等构造上，设置立体光伏构架，不受建筑屋面各种条件的限制，可以最大化地安装光伏板。

> > 光伏幕墙

光伏幕墙主要是采用非晶硅太阳能电池，如碲化镉（CdTe），是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的太阳能电池。通俗上叫做薄膜太阳能电池。可以把电池集成在幕墙玻璃内，替代传统的幕墙玻璃，实现光伏建筑一体化的目标。作为幕墙玻璃，光伏发电玻璃可根据建筑使用功能要求，选择不同的透光率，满足玻璃幕墙或玻璃屋顶的采光要求，还能根据建筑立面要求，采用蒙砂、镀膜、彩色PVB、彩釉等多种方式，实现颜色的可定制化，可与石材、铝板等外墙建材完美搭配，为建筑的立面造型提供更丰富的建材选择，实现真正意义上的建筑一体化光伏发电功能。光伏幕墙安装示意如图6所示。

> > > > 建筑立面光伏安装方式

对于一些构筑物，如果具备安装光伏发电装置的条件，其实也是很好的选择，受到相关的条件限制会比建筑物少很多。例如室外停车场一般阳光遮挡较少，可以设置光伏车棚，在为车辆遮阴挡雨的同时还可以发电产生效益，如图7所示。

分布式并网光伏系统

区别于太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯或者一些室外监控设备等附带的小型离网型光伏发电板，建筑屋面或立面上设置的光伏发电系统，虽然容量一般不会太大，大概是几十kW至几百kW不等，相对于建筑物正常运作来说，发出的电能基本可以内部完全自行消纳，这种类型的分布式光伏发电系统通常会与供电电网采用并网的方式，发电容量较小的可以完全自发自用，发电容量稍大的可采用自发自用 + 余电上网的形式，甚至是全额上网的方式。这些发电利用的方式其实都是为了使得光伏发电系统发出的电能能够得到完全的消纳使用。

分布式并网光伏发电系统（如图8所示）主要由光伏组件、直流汇流箱、并网逆变器、交流配电柜、升压变压器（视并网电压而定）、并网柜等组成。根据光伏发电系统的容量、组件设置部位、建筑物实际运行负荷等多方面因素，确定光伏并网的形式、并网点和并网电压等级。

对于自发自用的形式，当光伏发电系统容量不大，且建筑物屋顶附近有适合的设备配电箱时，可选择就近0.4 kV并网，如图8（a）所示。并网点可选择屋面的电梯机房、空调室外机等配电箱，甚至是屋面层下一层的建筑物垂直供电干线处就近并网，可以缩短并网电缆敷设长度，降低系统投资造价。当光伏发电系统容量较大或距离建筑物变配电房较近时，也可以直接引接到建筑物低压配电柜的0.4 kV母线段实现并网，如图8（b）所示。相比较而言，方案（二）由于并网电缆较长，投资造价可能会比方案（一）稍高。并网点的选择应根据建筑物现场实际情况进行技术经济比较后确定。

如光伏发电系统容量较大，建筑物本身用电不能完全消纳所发电量时，还可以采用自发自用 + 余电上网或者全额上网的方式。需根据当地供电部门的要求，根据发电容量确定并网点及并网电压等级，如需采用10（20）kV或更高等级电压并网时，还需要设置专用的升压变压器，并入电网。对于这种余电上网或全额上网的可逆流并网光伏发电系统，为了准确计量发电系统馈入电网的电量（卖出的电量）和电网向建筑物补充的电量（买入的电量），需要设置具有双向计量功能的电能表计，以实现相应的电能计量功能。

光伏逆变系统并网不仅需要将光伏组件发出的直流电转换为交流电，还要通过并网控制系统根据电网的电压、频率、相序等参数进行相应调整，使输出交流电的参数与电网参数保持同步，才能并入电网。同时，还要注意防止对电网的电磁干扰、自我保护、防孤岛效应以及最大功率点跟踪等问题，实现并网系统的安全高效运行。

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