分布式光伏系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用

陳浩龍

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741025）

綠色建筑是近年來興起的一種建筑類型，相較于傳統(tǒng)建筑，綠色建筑加強(qiáng)了綠色節(jié)能材料的選用和智能化設(shè)計。節(jié)能環(huán)保是衡量綠色建筑的重要指標(biāo)之一，建筑企業(yè)應(yīng)高度重視綠色建筑的能耗比，創(chuàng)造生態(tài)宜居的人居環(huán)境。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電技術(shù)的新發(fā)展，光伏發(fā)電作為一種以一次能源為光輻射能的新型發(fā)電形式，自綠色建筑興起以來，在綠色建筑中得到廣泛應(yīng)用。隨著分布式光伏系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，分布式光伏系統(tǒng)在綠色建筑中應(yīng)用空間越來越廣闊，推動了綠色建筑在節(jié)能環(huán)保方面的進(jìn)一步發(fā)展。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電技術(shù)的一種，利用各種光伏組件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過各種電力電子裝置進(jìn)行電能的變換，將其與公共電網(wǎng)連接，實現(xiàn)分散式發(fā)電與公共電網(wǎng)的并網(wǎng)連接。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多使用小型太陽能發(fā)電設(shè)備，廣泛分布在各類建筑物中。

1.1 建設(shè)成本低，經(jīng)濟(jì)效益好

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分布在各個建筑物中，可根據(jù)建筑物附著面設(shè)計光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量。將綠色建筑與分布式光伏系統(tǒng)一體化建設(shè)，光伏組件可安裝在綠色建筑的屋頂、窗臺等位置，其他配電柜、逆變器等設(shè)備體積較小，可裝設(shè)在建筑物側(cè)面墻壁或其他位置。目前，我國相關(guān)部門對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼政策，遵循“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的原則，在滿足綠色建筑用電需求的基礎(chǔ)上，多余的電力可在并入公共電網(wǎng)后轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)勢，適用于綠色建筑。

1.2 配套公共電網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)“削峰填谷”

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力，能夠在滿足綠色建筑電能需求的前提下并入公共電網(wǎng)，供公共電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)配。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的支持下，綠色建筑日常需要的電力將得到自身補(bǔ)給，緩解公共電網(wǎng)在用電高峰期間的調(diào)峰壓力。我國絕大多數(shù)地區(qū)都屬于光照資源一、二類地區(qū)，在用電負(fù)荷較高的時期，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力能夠在這個階段提供電力支持。

1.3 節(jié)能環(huán)保，對環(huán)境污染小

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體器件內(nèi)“光生伏打”的物理現(xiàn)象，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，沒有機(jī)械損耗，是一種可持續(xù)利用的清潔能源。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到綠色建筑中后，能夠起到節(jié)能環(huán)保的效果，在發(fā)電過程中無須煤炭、石油的消耗，對環(huán)境的污染程度較小，且分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行期間噪聲較小，不會影響綠色建筑物周圍的居民。

1.4 后期維護(hù)簡單，可靠性高

一般情況下，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量都較小，安裝需要的空間要求也不高，在運行過程中，用戶可自行控制分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，以免發(fā)生大規(guī)模的“孤島效應(yīng)”，安全性較高。

投入使用后，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，且產(chǎn)生的故障較少，絕大多數(shù)故障為簡單型故障，用戶可自行排除，對專業(yè)光伏運維技術(shù)人員的依賴度較低，能夠保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)運行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)投入使用后，具有可靠性高、維護(hù)簡單、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢，能夠滿足綠色建筑對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實際需要。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用

2.1 綠色建筑中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

應(yīng)用在綠色建筑的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一套完整的系統(tǒng)，由若干部件組成。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包含的設(shè)備為光伏電池組件、支架、直流或交流配電柜、并網(wǎng)逆變器等。在綠色建筑中架設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時，裝設(shè)的系統(tǒng)容量應(yīng)結(jié)合綠色建筑的實際可利用的建筑物屋頂或墻面確定。

（1）光伏電池組件。

分布式光伏系統(tǒng)中最為主要的是光伏電池組件，是分布式光伏系統(tǒng)光電能量轉(zhuǎn)化的樞紐。常見的光伏電池組件有單晶硅、多晶硅、非晶硅三種。其中晶體硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率較高，理論極限效率可達(dá)29.43%，被廣泛地應(yīng)用于大型地面電站和BAPV中。非晶硅電池組件的轉(zhuǎn)換效率較低，但非晶硅電池組件具有柔性化、色彩化等特點，也應(yīng)用于一些BIPV中。晶硅電池因制造工藝不同又分為單晶硅電池組件和多晶硅電池組件，單晶硅電池組件光電轉(zhuǎn)換效率略高于多晶硅電池組件，但單晶硅的造價較高。為考慮建設(shè)成本和建筑美觀協(xié)調(diào)，當(dāng)前綠色建筑分布式光伏系統(tǒng)建設(shè)中，BAPV項目多使用多晶硅電池組件，BIPV項目也采用非晶硅電池組件。

（2）匯流系統(tǒng)。

分布式光伏系統(tǒng)的匯流系統(tǒng)一般為直流匯流模塊。匯流系統(tǒng)的作用在于可將光伏電池組件中較小電流的電能匯聚后調(diào)整為與逆變器匹配數(shù)量的電流等級，與并網(wǎng)逆變器連接，較大容量的分布式光伏系統(tǒng)一般還會裝設(shè)匯流箱，匯流系統(tǒng)中一般均會裝設(shè)防逆流二極管，避免夜間光伏系統(tǒng)不發(fā)電時電能倒流。

（3）并網(wǎng)逆變器。

分布式光伏系統(tǒng)中光伏電池組件是將光輻射能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，目前國家電網(wǎng)對于電能并網(wǎng)的最低要求為交流220 V/50 Hz，需要在分布式光伏系統(tǒng)中裝設(shè)逆變系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)主要的裝置是并網(wǎng)逆變器，逆變器設(shè)備的作用為完成匯流系統(tǒng)中輸入的直流電能和并網(wǎng)要求的交流電的轉(zhuǎn)換。

（4）其他設(shè)備。

分布式光伏系統(tǒng)中還應(yīng)裝設(shè)的配電系統(tǒng)、防雷與接地系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等。其中配電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接，將綠色建筑分布式光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電力通過雙向電表輸送到公共電網(wǎng)中，經(jīng)過公共電網(wǎng)的配送，實現(xiàn)電力的合理調(diào)配。防雷與接地系統(tǒng)的裝設(shè)保證了綠色建筑中分布式光伏系統(tǒng)不會因雷擊或漏電產(chǎn)生各類安全隱患。保護(hù)系統(tǒng)保證了分布式光伏系統(tǒng)各類過電流、短路等電路故障造成的系統(tǒng)停止運行。

2.2 分布式光伏系統(tǒng)的安裝方式

綠色建筑中應(yīng)用的分布式光伏系統(tǒng)，在安裝方面應(yīng)結(jié)合綠色建筑的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行。常見的在綠色建筑中應(yīng)用較為廣泛的分布式光伏系統(tǒng)安裝形式包括BIPV和BAPV兩種。

（1）BIPV系統(tǒng)。

BIPV是新興的一種建筑方式，將分布式光伏系統(tǒng)代替原有的建筑材料融入綠色建筑，使綠色建筑具備分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)電優(yōu)勢，并兼具了建筑材料的建筑功能。

BIPV一般表現(xiàn)形式為光伏幕墻、光伏采光頂、光伏屋頂?shù)?。光伏幕墻一般利用銅銦鎵硒薄膜電池組件（CIGS）代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃分布于綠色建筑中，由于CIGS薄膜太陽能電池的弱光效應(yīng)，非常適合在綠色建筑中應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要制作成不同的透光率的電池組件，可以部分代替玻璃幕墻，將CIGS薄膜太陽能電池應(yīng)用于綠色建筑外立面和屋頂，避免了現(xiàn)有玻璃幕墻的光污染問題，能夠替代建材，同時節(jié)能省電，已成為未來智慧城市利用光伏發(fā)電的主要方向。

CIGS也可應(yīng)用于綠色建筑的采光頂中，晶硅電池組件也可應(yīng)用于綠色建筑的采光頂中，主要將晶體硅電池組件中電池片單片之間的間隔定制化制作，將晶體硅電池組件中TPT背板采用鋼化玻璃代替，晶體硅電池組件也兼具了發(fā)電與采光兩種功能。光伏采光頂在綠色建筑中應(yīng)用案例較多，如大連國際會議中心、桂林海洋農(nóng)業(yè)公園等。光伏采光頂?shù)脑煨酮毺兀械蹴斒?、葉片式、百葉窗式，賦予綠色建筑以美觀性和藝術(shù)性。

（2）BAPV系統(tǒng)。

BAPV為安裝型太陽能光伏建筑，方式較為簡單，在綠色建筑的樓面屋面上加裝支架，在支架上安裝光伏組件，在室內(nèi)裝設(shè)各類光伏系統(tǒng)設(shè)備，便可以完成分布式光伏系統(tǒng)的安裝。BAPV的安裝形式具有安裝簡單、使用穩(wěn)定維護(hù)方便的優(yōu)勢，是目前較為熱門的一種安裝形式。應(yīng)用BAPV安裝形式時，應(yīng)注意結(jié)合綠色建筑的特點進(jìn)行，降低BAPV對綠色建筑的不利影響。

①混凝土層面的安裝。

現(xiàn)代的綠色建筑多為混凝土層面，在混凝土層面安裝時應(yīng)注意安裝的光伏組件應(yīng)不超過混凝土層面的承載力，防止光伏組件對混凝土層面造成破壞。安裝光伏組件時，應(yīng)在下面墊射軟腳墊木板等，并做好相應(yīng)的加固措施，減少因大風(fēng)、雨雪天氣光伏組件對混凝土層面造成沖擊和破壞。

②斜度較大的屋面。

綠色建筑中為了美觀，會在樓頂建設(shè)斜度較大的屋面，斜度較大為分布式光伏設(shè)備的安裝制造了一些困難。施工人員安裝前應(yīng)對斜度較大的屋面進(jìn)行角度測量，確定傾斜角度，再結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)計算光伏組件的安裝傾斜角后安裝。安裝時應(yīng)當(dāng)特別注意使用安裝支架將光伏設(shè)備固定在斜度較大的屋面上，防止風(fēng)力、雷電造成的傷害。

③彩鋼瓦屋面。

彩鋼瓦是近年來興起的一種建筑材料，相較于混凝土建造的屋面，彩鋼瓦屋面具有安裝簡單、造價低的優(yōu)勢在一些對屋面強(qiáng)度要求較低的建筑中得到了廣泛應(yīng)用。鋼瓦屋面的承載力較低，安裝光伏設(shè)備時應(yīng)進(jìn)行平鋪安裝，盡量不加設(shè)支架，安裝密度也不宜過大，防止超過彩鋼瓦屋面承載力。

BIPV和BAPV在綠色建筑內(nèi)的應(yīng)用，推動了分布式光伏系統(tǒng)在綠色建筑內(nèi)的廣泛應(yīng)用，發(fā)揮出分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)電優(yōu)勢，降低綠色建筑的能耗，使綠色建筑具備更強(qiáng)大的節(jié)能、環(huán)保等功能。

3 結(jié)語

隨著綠色建筑的快速發(fā)展，越來越多的分布式光伏系統(tǒng)在綠色建筑中得到應(yīng)用，有力推動了綠色建筑的發(fā)展。分布式光伏系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在安裝方式、安裝形式、一體化的光伏系統(tǒng)組建等，能夠建立高效的、綠色的、節(jié)能的光伏系統(tǒng)。