本篇文章內(nèi)容由[中國(guó)幕墻網(wǎng)ALwindoor.com]編輯部整理發(fā)布：
摘要：BIPV（詞條“BIPV”由行業(yè)大百科提供）(建筑光伏一體化)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)電氣專(zhuān)業(yè)相融合的設(shè)計(jì)，本文主要對(duì)BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理、BIPV項(xiàng)目典型應(yīng)用場(chǎng)景及設(shè)計(jì)流程進(jìn)行闡述，并展望BIPV行業(yè)的未來(lái)發(fā)展情況。
關(guān)鍵詞：BIPV;建筑光伏一體化;光伏組件;設(shè)計(jì)方法
1.前言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已是世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，能源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重,提高清潔能源等非石化能源在我能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比至關(guān)重要，而太陽(yáng)能作為一種儲(chǔ)量巨大、清潔可再生且分布廣泛的清潔能源已得世界主要國(guó)家政策的大力支持。
近年來(lái)，在政策的支持下，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模已居世界第一。隨著大型集中地面電站建設(shè)開(kāi)發(fā)趨近飽和，具有即采即用、分布靈活、較少損耗等優(yōu)點(diǎn)BIPV電站等分布式光伏應(yīng)用將成為我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。去年上半年，工信部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局等6部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《智能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018～2020年)》，明確提出：“在有條件的城鎮(zhèn)建筑屋頂(政府建筑、公共建筑、商業(yè)建筑、廠礦建筑、設(shè)施建筑等)，采取“政府引導(dǎo)、企業(yè)自愿、金融支持、社會(huì)參與”的方式，或引入社會(huì)資本出租屋頂、EMC節(jié)能服務(wù)合同管理等多種商業(yè)模式，建設(shè)獨(dú)立的“就地消納”分布式建筑屋頂光伏電站和建筑光伏一體化電站，促進(jìn)分布式光伏應(yīng)用發(fā)展”。此項(xiàng)計(jì)劃將大力推動(dòng)BIPV項(xiàng)目的實(shí)施和行業(yè)的發(fā)展。
2.BIPV系統(tǒng)介紹
2.1什么是BIPV
BIPV英文全稱是 building integrated photovoltaic,引進(jìn)國(guó)內(nèi)后譯為“建筑光伏一體化”。在《民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》JGJ 203-2010中第一次在行業(yè)規(guī)范中對(duì)BIPV進(jìn)行定義，即“在建筑上安裝光伏系統(tǒng)，并通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結(jié)合。”，并引申出了“建材型光伏構(gòu)件”的定義---“太陽(yáng)電池與建筑材料復(fù)合在一起，成為不可分割的建筑材料或建筑構(gòu)件。”， 因此BIPV項(xiàng)目中的建材型光伏構(gòu)件要具備普通構(gòu)件的功能特性，并成為BIPV項(xiàng)目不可缺少的組成部分。BIPV組件屬于建材型光伏構(gòu)件的組成部分，合理使用建材型光伏構(gòu)件的建筑可稱之為BIPV項(xiàng)目。
2.2BIPV的典型場(chǎng)景介紹
隨著科技的進(jìn)步及BIPV行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)出各種類(lèi)型的建材型光伏構(gòu)件，這些構(gòu)件在建筑的不同部位發(fā)揮著建材功能的同時(shí)亦為建筑的美學(xué)設(shè)計(jì)增磚添彩。建筑中常用的部位主要包括建筑的立面、屋面、外遮陽(yáng)、雨棚及外窗等有較好光照條件的部位，附屬設(shè)施常用的有停車(chē)棚、車(chē)庫(kù)入口等部位。
2.3BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理
BIPV系統(tǒng)是個(gè)較復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型。本文以常用的并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)為例對(duì)其發(fā)電原理進(jìn)行描述。并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)發(fā)電原理為由BIPV組件通過(guò)“光生伏打”效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，匯流系統(tǒng)將直流電傳輸至逆變設(shè)備，逆變?cè)O(shè)備及其它設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電后并入電網(wǎng)，其原理圖如下：
3. BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程
BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)及電氣專(zhuān)業(yè)相融合的設(shè)計(jì)過(guò)程。優(yōu)秀的BIPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師除應(yīng)具備結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)能力外，尚應(yīng)掌握BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理、組串設(shè)計(jì)、設(shè)備的初步選型及發(fā)電量估算等電氣專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并應(yīng)有較好的溝通能力，以下為BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程。
3.1 確定BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)范圍
在進(jìn)行BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)前，委托方會(huì)提供現(xiàn)場(chǎng)踏勘、項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)等流程，在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員須同委托方明確BIPV項(xiàng)目在建筑的意向位置、項(xiàng)目所需發(fā)電量及初步預(yù)算等內(nèi)容，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。
3.2 收集項(xiàng)目地氣象資料
BIPV項(xiàng)目的發(fā)電量或收益同項(xiàng)目所在地年峰值日照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，其它氣象資料如年最大溫差、海拔高度、最大連續(xù)陰雨天數(shù)、冬至日太陽(yáng)高度角等亦是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。目前市場(chǎng)常用的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)有NASA數(shù)據(jù)、Meteonorm氣象數(shù)據(jù)、Ecotect軟件 Weather Tools數(shù)據(jù)及國(guó)家氣象數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，前兩者為免費(fèi)提供，后者需付費(fèi)。目前市場(chǎng)常用的為更接近實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的Meteonorm數(shù)據(jù)，其在新版的光伏設(shè)計(jì)軟件PVsyst中已內(nèi)置
以北京為例示意如下：
若委托方因有對(duì)建筑進(jìn)行LEED（詞條“LEED”由行業(yè)大百科提供）認(rèn)證、綠建評(píng)級(jí)需求而有明確發(fā)電量數(shù)量要求時(shí)，建議采用氣象站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。
3.3 繪制BIPV項(xiàng)目組件布置圖
1) 模擬陰影遮擋區(qū)域
根據(jù)項(xiàng)目的位置、周邊環(huán)境及擬安裝組件區(qū)域的遮擋情況，通過(guò)軟件計(jì)算出擬安裝區(qū)域的陰影位置，并綜合考慮建筑的外觀要求等因素，合理在擬安裝區(qū)域排布BIPV組件，以達(dá)到最大化的利用可發(fā)電區(qū)域、排除陰影遮擋造成的經(jīng)濟(jì)損失及安全問(wèn)題的目的。常用的陰影模擬軟件有PVsyst、Sketch up(含skelion插件)、Ecotect、天正建筑等具有建筑物理環(huán)境模擬功能的軟件。
2) BIPV組件的選型設(shè)計(jì)
根據(jù)安裝區(qū)域的位置及BIPV項(xiàng)目的類(lèi)型，BIPV組件的物理性能及電氣性能均應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。以BIPV幕墻為例：BIPV組件的物理性能應(yīng)滿足幕墻四性、保溫、隔聲（詞條“隔聲”由行業(yè)大百科提供）等性能，其它性能應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》GB/T 21086、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102、《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113及《建筑用太陽(yáng)能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽(yáng)能光伏中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業(yè)大百科提供）》GB/T 29759等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。常見(jiàn)BIPV組件均為夾層類(lèi)構(gòu)造，目前國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的非晶硅類(lèi)BIPV組件電池芯片大多為浮法玻璃且厚度不大于4mm,在使用時(shí)須對(duì)其抗彎強(qiáng)度（詞條“抗彎強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）及最大跨中撓度進(jìn)行計(jì)算，以符合上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;晶硅類(lèi)BIPV組件多為內(nèi)、外兩片玻璃中間夾晶硅電池片的構(gòu)造，目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶硅電池片的力學(xué)性能進(jìn)行規(guī)定，但使用前亦要有防止其在風(fēng)等外部荷載長(zhǎng)期作用下出現(xiàn)隱裂等問(wèn)題的構(gòu)造措施。BIPV組件的電氣安全性能與組件的封邊質(zhì)量正相關(guān)，此在現(xiàn)行國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑用太陽(yáng)能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽(yáng)能光伏中空玻璃》GB 29759中有明確規(guī)定。
3) 繪制BIPV組件排布方案
組件的排布方案應(yīng)契合建筑的美學(xué)設(shè)計(jì)，并應(yīng)得到委托方的認(rèn)可。好的排布方案可讓BIPV項(xiàng)目增色，下圖所示為兩個(gè)排布方案。
從以上兩個(gè)案例可知，好的組件排布方案在滿足BIPV采光頂采光的同時(shí)兼顧了遮陽(yáng)功能，亦令人賞心悅目。在BIPV項(xiàng)目可視位置，組件正、負(fù)極出線及接線盒應(yīng)進(jìn)行隱蔽設(shè)計(jì)，背部線槽宜采用與框架同色、同材質(zhì)等不破壞美觀的設(shè)計(jì)。
3.4 BIPV組件的組串設(shè)計(jì)及設(shè)備選型
根據(jù)各安裝區(qū)域組件排布方案圖中BIPV組件的安裝容量、組件排布的朝向及各朝向年太陽(yáng)能輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）量等因素對(duì)BIPV系統(tǒng)中的逆變?cè)O(shè)備、隔離裝置等進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，所選擇設(shè)備、裝置等均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定且應(yīng)通過(guò)相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品認(rèn)證，并根據(jù)其所處環(huán)境因素對(duì)容量預(yù)留冗余。
根據(jù)所選逆變?cè)O(shè)備的各項(xiàng)電氣性能對(duì)BIPV組件進(jìn)行組串設(shè)計(jì)。顧名思義，BIPV組件的組串設(shè)計(jì)即為計(jì)算一組串聯(lián)BIPV組件的數(shù)量。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50797 6.4.2條對(duì)所有光伏項(xiàng)目的組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算提供了依據(jù)，而現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能光伏玻璃幕墻電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T 365對(duì)220V/380V電壓等級(jí)用戶側(cè)并購(gòu)或離網(wǎng)的BIPV玻璃幕墻及采光頂?shù)拇⒉⒙?lián)數(shù)量時(shí)行了規(guī)定：“3.5.3 2 光伏組串的并聯(lián)數(shù)可根據(jù)逆變器額定容量及光伏組串功率確定。3.5.4 同一方陣內(nèi)，光伏玻璃幕墻組件電性能參數(shù)宜一致。同一組串內(nèi)，光伏玻璃幕墻組件的短路電流和最大工作點(diǎn)電流的離散性偏差應(yīng)為±3%;有并聯(lián)關(guān)系的各組串間，總開(kāi)路電壓和最大功率點(diǎn)電壓的離散性允許偏差應(yīng)為±2%。”，此規(guī)定進(jìn)一步減少了因BIPV組件自身電氣性能的偏差造成在建筑上使用可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)組串設(shè)計(jì)的要求亦可用于其它分步式光伏應(yīng)用項(xiàng)目。
3.5 BIPV項(xiàng)目電氣方案圖紙
BIPV項(xiàng)目電氣圖紙一般包含BIPV系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)說(shuō)明、電氣原理圖、BIPV系統(tǒng)組串圖、BIPV系統(tǒng)電氣設(shè)備路由圖、設(shè)備接線圖及設(shè)備材料清單。
BIPV系統(tǒng)組串圖詳細(xì)體現(xiàn)了BIPV組件串內(nèi)及串間走線及接線方式，合理的組串方案可以節(jié)省線纜、線槽的長(zhǎng)度，直接降低項(xiàng)目造價(jià);電氣設(shè)備路由圖則在圖紙上明確了各電氣設(shè)備的安裝位置及走線方式，合理的設(shè)備布置不僅能降低線纜、線槽的長(zhǎng)度，亦能大幅的降低施工難度，進(jìn)而降低項(xiàng)目造價(jià)。
以上僅對(duì)筆者認(rèn)為的BIPV項(xiàng)目重要設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概圖的說(shuō)明，并未考慮覆蓋全部項(xiàng)目設(shè)計(jì)步驟。例如，因BIPV項(xiàng)目的不同，其細(xì)部構(gòu)造方式亦不同，所以并未對(duì)BIPV項(xiàng)目的安裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概述。
4 BIPV項(xiàng)目案例介紹
4.1 國(guó)家電投總部大樓智慧能源示范項(xiàng)目
國(guó)家電投總部大樓智慧能源示范項(xiàng)目，位于北京市西城區(qū)金融街。該項(xiàng)目南、東、西立面的層間部位安裝非晶硅BIPV組件;樓頂選用柔性CIGS組件，總裝機(jī)量約170kWp，使整體建筑達(dá)到了綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的，大大提高了科技感、現(xiàn)代感。
4.2 內(nèi)蒙古自然歷史博物館BIPV項(xiàng)目
內(nèi)蒙古自治區(qū)自然歷史博物館BIPV項(xiàng)目位于呼和浩特市，在主樓南立面層間部位安裝非晶硅BIPV組件28kWp。
4.3 云南麗江市光伏瓦（詞條“光伏瓦”由行業(yè)大百科提供）BIPV項(xiàng)目
該項(xiàng)目位于麗江，在建筑屋頂安裝CIGS光伏瓦BIPV組件共6kWp。光伏瓦的外片為鋼化超白玻璃，有傳統(tǒng)琉璃瓦神昀，與整個(gè)建筑融為一體。
4.4 國(guó)家電網(wǎng)北方呼叫中心大樓BIPV外遮陽(yáng)項(xiàng)目
該項(xiàng)目位于天津，是在國(guó)家電網(wǎng)北方呼叫中心大樓的4號(hào)研發(fā)樓東、西側(cè)及連廊外安裝BIPV組件，項(xiàng)目總裝機(jī)容量20.16KW。
5 結(jié)語(yǔ)
國(guó)家對(duì)建筑能耗的重視程度越來(lái)越高，各地方政府對(duì)BIPV項(xiàng)目的支持舉措俞來(lái)合理，廣東、山西、上海等地相繼出現(xiàn)大型地標(biāo)型BIPV項(xiàng)目的身影，且應(yīng)用方式亦呈現(xiàn)多樣化。近日，國(guó)內(nèi)神化公司宣布其研發(fā)的CIGS組件全面積效率達(dá)到17.6%，打破世界紀(jì)錄，此對(duì)光伏市場(chǎng)尤其是BIPV市場(chǎng)將帶來(lái)更大的希望。相信隨著國(guó)內(nèi)政策的支持、標(biāo)準(zhǔn)的完善及BIPV組件效率的提升，BIPV項(xiàng)目的投資回收期將更短，其必將在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，為“美麗中國(guó)”和我們的綠水青山貢獻(xiàn)一份力量。
參考文獻(xiàn)
[1] 建筑幕墻：GB/T 21086[S].
[2] 建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ 113[S].
[3] 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范：JGJ 102[S].
[4] 建筑用太陽(yáng)能光伏夾層玻璃：GB 29551[S].
[5] 建筑用太陽(yáng)能光伏中空玻璃：GB/T 29759 [S].
[6] 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50797 -2012[S].
[7] 太陽(yáng)能光伏玻璃幕墻電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ/T 365-2015 [S]
作者單位：中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司
