光伏别墅建筑一体化

光伏建筑一体化的简介 摘 要随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑发展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容。其中，代表太阳能应用最尖端、最有潜力的光伏发电将是节能建筑的主角。联合国能源机构的调查报告显示，太阳能光伏建筑一体化业将是21世纪最重要的新兴产业之一。从当前世界金融危机促进太阳能光伏建筑一体化发展入手，论述太阳能光伏建筑一体化的定义、原理、类型、方式、特点和要求证明光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源。.关键词：太阳能；建筑一体化第一章 太阳能光伏建筑一体化的定义与优点1.1光伏建筑一体化的定义（1） 太阳能光伏建筑一体化 （Building IntegratedPhotovoltaic，简称BIPV）技术即将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术， 它不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用。光伏与建筑一体化(BIPV)是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑 。（2） 太阳能光伏建筑一体化不等于太阳能光伏加建筑。所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的相加，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求， 将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计，同步施工，同步验收，与建设工程同时投入使用，同步后期管理， 使其成为建筑有机组成部分的一种理念、 一种设计、一种工程的总称。（3） 光伏建筑一体化的核心建筑是一体化设计、一体化制造、一体化安装，而其辅助技术则包括了低能耗、低成本、优质、绿色建筑材料的技术。光伏建筑一体化也是光伏建筑的规范化和标准化。（4） BIPV是房地产业未来发展的新天地。 光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性， 首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不仅能够供人居住，还提供能源。随着光伏建筑一体化的进一步发展，今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，以及采用更加科学和严格的价格评价体系上来，从而告别了房地产只能靠恶性炒作加快升值的时代，使建筑行业能够协同采用多门高新技术， 丰富了建筑物的科技内涵，提高了建筑物的使用价值，成为产品附加值高的高产出行业。所有这些，同时也使建筑工程行业极大地拓展自己的市场与发展空间， 成为我国社会和经济发展的支柱型产业。1.2 光伏与建筑一体化的必要性（1）光伏建筑一体化的系统，如幕墙光伏发电系统， 其成本随建筑物的设计阶段和光伏电池与建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的关系。研究表明，如果设计院、建材生产商和光伏制造商能够充分协作，建材光伏一体化的发电单元制造成本与单独生产光伏组件的成本类似，甚至比建材加光伏组件的成本还低；而逆变和布线系统则可整体并入建筑物的电力系统中去，BIPV的成本可能比单独的光伏发电低得多（2）我国人口多，电力需求很大，大、中城市更为突出， 电力负载主要在建筑物内或其四周，BIPV可充分利用建筑物的外部空间面积，自产能源，减少电缆线架设及电力输送(就近利用)，BIPV使PV系统与建筑、艺术及生活紧密结合。（3）发展BIPV建筑，可推进节能省地型住宅建设，充分体现资源的节约和可持续发展。 当前我国人均土地占有量是世界平均水平的13， 而960万km的国土中，适宜居住的只有23，其中耕地只占13，人均耕地面积只有940m（141亩）。 因此，我国不仅粮食需要进口，能源更需要大量进口。 截至2008年底，全国既有房屋建筑面积为500亿m，随着经济发展，估计到2020年，我国还将新增建筑面积约300万m，因此，“充分利用屋顶资源， 向屋顶要能源”， 发展BIPV建筑是十分1.3光伏与建筑相结合的优点从建筑、技术和经济角度来看,光伏建筑一体化有以下诸多优点:(1)光伏组件可以有效的利用围护结构表面,如屋顶或墙面,无需额外用地或增建其他设设，适用于人口密集的地方使用,这对于土地昂贵的城市尤其重要。(2)可原地发电、原地用电,在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。在那些架起公共电网非常昂贵的地方,太阳能光伏发电是一个具有很高性价比的替代物。(3)夏季,处于日照时,由于大量制冷设备的使用,形成电网用电高峰。BIPV并网系统除保证自身建筑用电外,还可以向电网供电,从而舒缓高峰电力需求,解决电网峰谷供需矛盾,具有极大的社会效益。(4)由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上,吸收的太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室内空调冷负荷,既节省了能源,又利于保证室内的空气品质。(5)由于大尺度新型彩色光伏模块和各种造型的光伏模块的诞生,不仅节约了昂贵的外装饰材料(玻璃幕墙、屋顶瓦片等),而且使建筑外观更具有魅力。(6)可确保自身建筑全部或大部分用电,这对于用电高峰期电力紧张的地区及无电地区极为重要。(7)避免传统电力输送时的电力损失。(8)避免由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染,这对于环保要求越来越高的今天和未来是至关重要的。(9)光伏建筑系统没有移动部分并且不需要任何维护。(10)由于光伏电池的组件化,光伏阵列安装起来很简便,而且可以任意选择发电容量。(11)如果把光伏电池模块作为建筑物的玻璃幕墙,可以减少建筑物的整体造价。当然,对于光伏模块来说,还应具有建筑材料所要求的隔热保温、防水防潮并且要具有一定的强度,若作为采光构件(窗户、天窗等)还要有一定的透明度。(12)在建筑围护结构上安装光伏阵列,可以促进光伏组件的大规模生产,从而进一步降低PV部件的市场价格,这对BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用。光伏与建筑相结合应用时，通常采用并网发电的方式，这类系统与独立光伏系统相比，具有突出的优点。第二章 新余的地理位置及气象简介2.1新余的地理位置及气象简介新余市地处赣西中部，是江西省直辖市，现辖分宜县、渝水区、仙女湖风景名胜区和高新技术开发区，总面积 3178 平方公里，人口 110 万。世界级的赛维ldk建设的年生产规模达1万吨的太阳能多晶硅工厂都将于明年竣工，从2014年开始正式投产。多晶硅是太阳能产业的核心原料，用于制造太阳能电池。中国企业以在石油化学产业积累的技术经验为基础，在该市场上争夺主导权。新余位于北纬 2733 2805 ，东经 11429 11524 ，属亚热带湿润性气候，具有四季分明、气候温和、日照充足、雨量充沛、无霜期长、严冬较短的特征。年平均气温17.7，年平均地温值20.1，年平均相对湿度80%。年平均降雨量1594.8毫米。历年平均日照时数为1655.4小时，年平均日照百分率为38%。风力达8级（相当风速17.220.7米/秒）年平均大风日数为2.612.4天 新余地区是雷电多发区，年平均雷暴日数5060天，全年各月均会发生雷暴，但最多出现时段是39月份。年平均基本气象资料如下表：年水平辐射量斜面辐射量气温最低气温相对湿度日照时数最长连续阴雨天数平均13094KJ/m/m13714KJ/m/m29.4-7.274%-84%1655h5天 第三章 负载的计算及蓄电池的选择3.1负载的计算根据一个普通家庭的用电情况列出下首先要确定负载，为了方便计算，采用安时数作为负载的计算单位。用负载的功率乘以每天工作的小时数，再除以工作电压就得到了日负载的安时数。 带入上面的数据，其中逆变器的效率按照85%计算（1） 日负载=（153.2确定蓄电池容量根据新余的地理环境和气温选着的蓄电池的最大放电深度为80%（2）135（3）蓄电池串联数计算公式：（4）蓄电池并联计算公式： 取1个 所以该系统需要使用的蓄电池个数为：2串联1并联=2(个)。3.3 蓄电池的选择由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池，系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。太阳能电池功率必须比负载功率高出34倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压2030%，才能保证给蓄电池正常充电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。蓄电池的基本参数：型 号BST12-100品 牌百斯特铅酸免维护封闭式蓄电池价格600元/个使用寿命6至8年额定电压12v额定容量100Ah工作温度-2540最低工作温度-20最大允许放电深度80%尺寸341*173*213mm重量33Kg工作湿度74%80%3.4 太阳电池组件选择太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的新余地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，转换效率也比多晶硅要高。组件的基本参数如下表所示：品牌Nasun型号Nasun-P80类型单晶硅尺寸770x670x30mm重量10.2Kg价格500.00元功率80W开路电压21.24V短路电流6.12A填充因子73%最大工作电压18V最大工作电流6.55A工作温度范围-40+80表面可以承受的最大压60/m/s（200kg/sq.m）第四章 太阳能电池方阵设计及角度选择4.1太阳能电池方阵设计单体太阳能电池是不能直接作为电源使用的。它是光电转换的最小单元，尺寸一般为4一100cm2，工作电压约为0.45一0.sv，工作电流约为20一 25mA/cmZ。在实际应用的时候，是按照电池性能的要求，将几十片或者上百片单体太阳能电池通过串联、并联连接起来，这些电池经过封装，组成一个可以单独使用的最小单元，这即是太阳能电池组件。太阳能电池方阵则是由若干个太阳能电池组件通过串、并联连接排列成的阵列。一般来说，太阳能电池方阵的设计就是按照用户的要求和负载的用电量及技术条件计算出太阳能电池组件的串、并联数量。串联数是由太阳能电池方阵的工作电压决定的，在太阳能电池组件串联数确定后，即可按照气象台提供的太阳年辐射总量或年日照时数的10年平均值计算确定太阳能电池组件的并联数。太阳能电池方阵的输出功率与组件的串、并联的数量有关，组件的串联是为了获得所需的电压，组件的并联是为了获得所需要的电流。(2)太阳能光伏方阵规模的大概估算这里讨论的关于确定光伏方阵的大小只是针对采用独立系统的小型住宅的。并网系统的光伏阵列大小与独立系统的是相差很大的。这是因为对于独立系统来说，光伏阵列的大小非常重要，阵列过大，不但会造成电能的浪费，而且对于光伏板也是一种浪费。对并网系统而言，却不会造成浪费，过剩的电能会被并到共用电网。需要考虑的只是使用光伏系统节省的电能是否能大于过剩光伏阵列所需的费用。为什么只是针对小型住宅呢?这并不是说明公共建筑不需要确定光伏阵列的大小，而是因为对于一些较大的商业，公共机构和工业建筑来说，即使在后面提到的三种主要方式中都用到光伏模块，也不一定能满足一栋建筑的用电要求。而小型住宅(如别墅)仅在屋顶布置光伏发电板，可能就能满足一家的日常用电了。在确定太阳能光伏方阵规模之前，必须先搞清楚用电需求总量，这个总量是通过列出所有的日常负载计算出来的。用电负载包括任何使用电源的东西，如电灯、电视，音响等。一些负载是需要全天用电的如电冰箱，然而有一些则用的非常少像电钻。确定一天的用电总量需要将用电设备的瓦特数乘以此设备一天用的小时数。在将所有设备的用电量加起来，就能大致确定所需光伏发电系统的输出电量。计过程从常用太阳能光伏电池中选择与现有建筑物（例如屋面）尺寸相匹配的组因为 BIPV 中的发电系统，是在现有建筑物上尽可能铺设太阳能电池板，在设件。在本案例中，通过现场实测和计算，已经知道屋面的太阳能光伏方阵的最大尺寸范围是 3311m，通过计算和比较，选择常规组件的尺寸为 1485665mm，峰值电压为 17.2V，峰值电流为 6.31A，峰值功率 110W 的太阳能光伏组件。当然，也可以按照屋面现有尺寸重新加工太阳能光伏组件，但成本会高很多。1）太阳能光伏方阵的总数量：(33/1.485)(11/0.665)2216=352 块2 ）太阳能光伏方阵的组件的串联数量：380/17.222 块（市政电网电压是 380V，每个组件的电压 17.2V）。3）太阳能光伏方阵组件的并联数量：负载总负荷/单片组件负荷=(15263)/(6.31)86 块。普通居民家庭负荷通常是 3KW，也就是 15A的电流根据上面的数据，就需要一个日平均能输出2777/W.H的光伏系统, 这是需要计算出光伏阵列的发电量Q=H*P*Y*T式中:Q一当日发电量H一该日太阳平均辐射时数;P一光伏方阵功率;Y一方阵到逆变控制器的输出效率(包括组件失配、线路损耗、灰尘覆盖和温升等损失)，通常可取0.9;T一逆变控制器的效率，一般取0.9;因为不同的地方会有不同的太阳辐射量，并且阳光是光伏系统输出能量的来源，所以先需要查找建筑所在地的当日阳光平均辐射量。假设该建筑建在新余市，可以得到新余的日辐射量为12525，将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H:H=HtX2.778/10O00hl，式中:2.778/10000(h.mZ/kJ)为将日辐射量换算为标准光强(1000W/m2)下的平均日辐射时数的系数。可以算出新余的平均日辐射时数为:H二 12525x2.778/10000=3.shrs如果假定选择功率为50瓦的光伏模块的话，就可以算出需要几个光伏模块:2777/3.5/50/0.9/0.9=20即需要20个光伏模块4.2倾角的设计我们一般采用一种比较近似的方法来确定方阵倾角。一般的，在我国南方地区，方阵的倾角可比当地的纬度增加10到15度；在北方地区倾角可以比当地纬度增加5到10度，纬度较大时增加的角度可以小一些。例如，在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，为方阵的设计，安装方便，方阵倾角常取成整数。下表是我国各大主要城市的纬度及辐射量。我国各大主要城市的最佳倾角第五章 防雷设计5.1防直击雷措施安装于屋顶的光伏方阵，如果处于接闪装置的保护范围内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击。按照规定，大于 10KW 的光伏设备，应设计为“III 级”防雷电系统。接闪器有避雷针、避雷线和避雷带，应根据实际选用。根据建筑物的防雷类别，使用滚球法来确定避雷针的高度和数量。对于一般公共建筑，其屋面上的光伏方阵应按 60 米滚球半径来防直击雷。此外，还应注意保持光伏支架和避雷针之间的隔离距离。（1）单针型避雷针若光伏方阵较小，可选用单针型避雷针，其保护范围如下图所示。上图中 h 为避雷针高度，hr 为 60 米滚球半径，xx连线处的高度为 hx。若光伏方阵的高度小于 hx，且占地范围小于以 rx 为半径的圆形区域，则光伏方阵可以免遭直击雷侵袭。（2）双支等高避雷针当光伏方阵较大，单支避雷针不能有效防护时，可在被保护范围的两侧竖立 2 支等高避雷针作为接闪器，保护效果明显优于单支避雷针。保护区示意图 3 所示。（3）多根避雷针当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器。（4）避雷线与避雷针的组合当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器。避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分。在架空网下是保护区，光伏方阵与架空网间应有安全距离，以保证防雷效果。当光伏方阵很大时，接闪器可以采用以下形式：先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据屋顶形状组合安装避雷线和避雷针。用相应的滚球半径来确定接闪器的保护范围。防雷等级越高，滚球半径越小，保护范围越小，但保护效果越好，可能进入保护区击中被保护建筑物的雷电流要小些。防雷等级越低，滚球半径越大，保护范围大，但保护效果较差，实际保护范围线是一复杂的近似圆弧线。5.2防雷电感应措施防雷电感应主要采用等电位连接和防雷保护器进行保护。原则上说，从外部进入建筑物的所有导电部件都必须接入等电位连接系统中，所有不带电的金属部件直接连接到等电位系统。不带电的金属部件分为室外和室内两种情况。处于室外的太阳能电池板四周铝合金框架与支架、接地线等要可靠连接，使光伏方阵形成一个相等的电位，这样做可以防止光伏方阵遭到雷电感应侵袭。处于控制机房内的全部金属物品，包括各种设备、各个机架、所有金属管道及电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。带电部件（如电缆）则通过安装电涌保护器间接接入等电位连接系统。等电位连接最好在建筑物入口附近执行，以便防止部分雷电流侵入建筑物。低电压供电系统可用多极复合型雷电流和电涌保护器保护。光伏发电系统的雷电浪涌入侵路径除了光伏方阵外，还有配电线路、接地线以及它们的组合。从接地线侵入是由于附近的雷击使大地电位上升，使得大地电位比电源高，从而产生从接地线向电源侧的反向电流。要防止雷电浪涌对光伏发电系统的破坏，推荐以下措施：避雷元件要分散安装在电池阵列的主回路内，也安装在接线箱内。对于从低压配电线侵入的雷电浪涌，通过安装在配电盘中的避雷元件应付。在雷雨多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压器更加安全。对供电线路、传输电缆和架空线路，可以在线路上安装金属氧化物避雷器。光伏逆变器的输入直流导线必须由适配的基于火花间隙的雷电流保护器保护。5.3雷电波侵入通过对太阳能光伏电站可能遭受雷击事件的概率大小来分析，控制机房内的控制器或逆变器遭损坏的概率最大，分析其原因，都是由于雷电波侵入造成的。所以，考虑用避雷器等对雷电感应和雷电波侵入进行防护。雷电波侵入的主要途径是架空导线和光伏阵列到机房的引入线。为此，可以采取多级防护措施进行保护。在光伏方阵接线箱内安装防雷模块；保持光伏方阵接线箱与控制柜间距大于 10m；在控制器、逆变器内安装防雷元器件，使其具有防雷保护功能；在交流输出端安装低压阀式避雷器或浪涌保护器；防雷器件全部安装于防雨防尘的电源箱内，固定在架空出线杆上，防止雷电波由输电线路进入机房。这样就可以很好地对雷电波侵入进行有效防护。在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的 220/380V 可以采用低压阀型避雷器。要在每条回路的出线和零线上装设。架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于 30 欧姆。接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接。结束语BIPV是房地产业未来发展的新天地。 光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性， 首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不仅能够供人居住，还提供能源。随着光伏建筑一体化的进一步发展，今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，以及采用更加科学和严格的价格评价体系上来，从而告别了房地产只能靠恶性炒作加快升值的时代，使建筑行业能够协同采用多门高新技术， 丰富了建筑物的科技内涵，提高了建筑物的使用价值，成为产品附加值高的高产出行业。所有这些，同时也使建筑工程行业极大地拓展自己的市场与发展空间， 成为我国社会和经济发展的支柱型产业。16