太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計分析

張 揚(yáng) 屈志浩 曾文明 趙嘉睿 劉佳偉

建筑是人類生活與工作的主要場所，每天需要消耗大量的能源。同時，建筑還會排放出大量的二氧化碳?xì)怏w，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在社會能源消耗當(dāng)中，建筑能耗的占比最高，在40%以上，而在二氧化碳排放量方面，建筑排放量更是超過50%，不利于社會可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，現(xiàn)代建筑領(lǐng)域逐漸開始對太陽能、風(fēng)能等可再生資源進(jìn)行了應(yīng)用，其中，太陽能是最常見且分布較廣泛的能源，已應(yīng)用到屋頂、墻體等結(jié)構(gòu)中，有效降低了建筑對傳統(tǒng)能源的消耗量。

1 光伏發(fā)電的原理

半導(dǎo)體是現(xiàn)代電子領(lǐng)域比較常見的材料，具有良好的光電特性，即被陽光照射后，材料內(nèi)部會生成相應(yīng)的電荷載流子。結(jié)構(gòu)內(nèi)部較為純凈的半導(dǎo)體通常稱之為本征半導(dǎo)體，當(dāng)其溫度處于0 K，且外部沒有任何激發(fā)的情況下，共價鍵可約束所有電子。而處于室溫環(huán)境，或是受到外部激勵后，共價鍵的約束會明顯降低，部分電子掙脫約束，變成可以隨意移動的自由電子，這些電子移動后，所產(chǎn)生的空位叫做空穴，相鄰原子的價電子會填補(bǔ)這些空穴，進(jìn)而產(chǎn)生新空穴?？昭ㄅc自由電子不斷生成的過程中，原有空穴與自由電子會不斷復(fù)合，以使材料內(nèi)部重新處于平衡狀態(tài)。若電子數(shù)量超過空穴數(shù)量，則稱為N 型半導(dǎo)體材料，反之則稱為P 型半導(dǎo)體，兩種材料獨立應(yīng)用時，均呈電中性。而兩種材料聯(lián)合使用時，N 型的電子會逐漸向P 型移動，從而出現(xiàn)P-N 結(jié)界面。在P-N 界的周邊，N 型側(cè)的電子數(shù)量越來越少，而P 型側(cè)的電子數(shù)量則越來越多，并對空穴進(jìn)行填補(bǔ)，因而P-N結(jié)界面的N 型側(cè)呈正電荷，而P 型側(cè)則呈負(fù)電荷，兩者共同構(gòu)成了內(nèi)建電場。太陽光照射到P-N 結(jié)界面時，由于兩側(cè)電子或空穴數(shù)量的提升，所產(chǎn)生的內(nèi)建電場強(qiáng)度也會越強(qiáng)，加快了電子與空穴的移動速度。隨著P-N 結(jié)界面的兩側(cè)電荷不斷積累，材料內(nèi)會出現(xiàn)較大的電勢差，從而產(chǎn)生電流[1]。材料獲取的光照越多，結(jié)界面的面積越大，因而會產(chǎn)生更多的電流。

2 太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 設(shè)計條件

2.1.1 氣候條件

太陽能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）系統(tǒng)運(yùn)行時，光電轉(zhuǎn)換效率與很多因素有關(guān)，如光照時間、輻射量、氣候條件等。其中，光照時間與輻射量是最基礎(chǔ)的因素，只有保證充足的光照時間與較高的輻射量，才能使BIPV 系統(tǒng)正常發(fā)電。而溫度、降雨等氣候因素是主要的影響因素，溫度過高會影響光伏陣列的運(yùn)行效率，從而降低發(fā)電量，因而通常情況下，環(huán)境最佳溫度應(yīng)控制在25 ℃以下。而降雨會影響光線的傳輸，降低半導(dǎo)體材料接收太陽光的數(shù)量。

針對氣候條件對光伏發(fā)電的影響，美國國家航空航天局設(shè)計了一種水平面太陽輻射量的計算公式，具體公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hb為直接輻射量；Hd為散射輻射量[2]。

2.1.2 建筑條件

不同的建筑條件，將會使BIPV系統(tǒng)具有不同的運(yùn)行效率，因而設(shè)計BIPV 系統(tǒng)時，應(yīng)以建筑條件為核心，注重系統(tǒng)整體的設(shè)計，合理對裝置進(jìn)行布設(shè)，選擇最佳的連接方式。其中，針對建筑的結(jié)構(gòu)形態(tài)，不僅可以確定BIPV 系統(tǒng)的具體形式，還可以明確最佳的光伏板集成方式，從而為BIPV系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供支持。

現(xiàn)代城市中，建筑數(shù)量越來越多，兩座建筑間的距離越來越近，使得兩座建筑間必然不會出現(xiàn)一定的遮擋，若選擇硅光伏系統(tǒng)，受到陰影遮擋，將會導(dǎo)致被遮擋處無法發(fā)電，并影響與其他區(qū)域光伏板的連接，進(jìn)而嚴(yán)重干擾整個系統(tǒng)的發(fā)電水平。

所以，設(shè)計BIPV 系統(tǒng)時，應(yīng)針對建筑的遮擋情況，選擇最佳的光伏陣列，以保證整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。此外，還應(yīng)針對建筑能耗水平，選擇最佳的BIPV 系統(tǒng)規(guī)模，并判斷系統(tǒng)是否需要并網(wǎng)，將多余的電能傳輸給市政電網(wǎng)，或者從市政電網(wǎng)中獲取適量電能。

2.1.3 電網(wǎng)條件

光伏發(fā)電根據(jù)運(yùn)行模式可以劃分成3 種類型―獨立發(fā)電、并網(wǎng)發(fā)電及混合發(fā)電，每種發(fā)電模式具有不同的特點，因此在選取光伏模式前，應(yīng)該準(zhǔn)確了解區(qū)域的電網(wǎng)條件。若無電網(wǎng)覆蓋，僅可選取獨立發(fā)電或是混合發(fā)電模式；若有電網(wǎng)覆蓋，則可以根據(jù)具體情況，隨意選擇任意一種發(fā)電模式。

2.2 系統(tǒng)選型

2.2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

所謂的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，指的是只利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的裝置，該系統(tǒng)通常應(yīng)用在市政電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域。需要注意的是，由于該系統(tǒng)發(fā)電源只有太陽能，當(dāng)陰雨天氣或夜晚時，系統(tǒng)無法正常發(fā)電，因而發(fā)電能力較差。這類光伏系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)最精簡的為直聯(lián)系統(tǒng)，內(nèi)部并無儲能裝置。

對于安裝了儲能裝置的系統(tǒng)來說，則應(yīng)用較為廣泛，常見于市政路燈、通信及居民生活等諸多方面。這類系統(tǒng)的能量利用率并不高，供電穩(wěn)定性較差，因此在使用該類型的光伏系統(tǒng)時，需要配備相應(yīng)的蓄電池，以確保整個供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

2.2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)以并網(wǎng)逆變器為媒介，與市政電網(wǎng)連接到一起，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生電能后，將其傳輸給市政電網(wǎng)，由市政電網(wǎng)重新分配。該類型系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成―光伏陣列、逆變器、控制器、DC/DC 變換器及繼電保護(hù)元件。

光伏陣列，用于將太陽能轉(zhuǎn)化成電能；逆變器，主要對陣列產(chǎn)生的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其變?yōu)橄鄳?yīng)的交流電；控制器，根據(jù)整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，自動對電流波形、功率予以調(diào)節(jié)，以確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；DC/DC 變換器，用于直流電與直流電的轉(zhuǎn)換；繼電保護(hù)元件，用于保護(hù)整個系統(tǒng)。

2.2.3 混合光伏發(fā)電系統(tǒng)

這類光伏發(fā)電系統(tǒng)與上述2 種系統(tǒng)的主要區(qū)別是安裝了獨立的備用發(fā)電裝置。主系統(tǒng)發(fā)電量較少，或是蓄電池內(nèi)電能儲量不足時，則自動跳轉(zhuǎn)到備用發(fā)電裝置，由其繼續(xù)發(fā)電，以此驅(qū)動負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。同時，備用設(shè)備產(chǎn)生多余電能后，還可在逆變器的作用下，將其傳輸給蓄電池。

2.3 整體設(shè)計

2.3.1 光伏屋頂

屋頂是建筑的主要結(jié)構(gòu)，位于建筑的最上方，面積較大，且與太陽光的夾角較大，是光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)合最佳的區(qū)域。

相對于傳統(tǒng)屋頂，光伏屋頂對防水性、透光性等方面具有更高的要求。根據(jù)屋頂?shù)念愋?，可將其劃分成水平光伏屋頂和傾斜光伏屋頂:

1）水平光伏屋頂。光伏屋頂呈水平狀，可通過2 種方式布置。一種為支架布置法，該方法布置比較靈活，可根據(jù)實際情況隨意調(diào)節(jié)光伏板的傾角、間距等，使整個光伏系統(tǒng)不會出現(xiàn)陰影，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。同時，該布置方法結(jié)構(gòu)比較簡單，所需成本較低，易于大規(guī)模推廣。但是，建筑的整體性較差，并且影響建筑的美觀性[4]。另一種為嵌入式布置法，即直接將光伏板嵌入屋面中，不僅能夠用于發(fā)電，還可以作為屋面結(jié)構(gòu)，因此能夠節(jié)約屋面建設(shè)材料，但屋面自潔性較差，應(yīng)定期安排人員清理。

2）傾斜光伏屋頂。傾斜光伏屋頂也可采用2 種布置方法：一是鋪設(shè)法，即直接將光伏板鋪設(shè)到屋頂表面，光伏板用于發(fā)電，屋面用于遮擋雨水、陽光等；二是嵌入法，與水平光伏屋頂嵌入法基本相同。

2.3.2 光伏墻體

現(xiàn)代建筑建設(shè)過程中，可將BIPV系統(tǒng)與外墻結(jié)合到一起，一方面提升外墻的美觀性，另一方面用于轉(zhuǎn)換太陽能。

光伏幕墻主要由5 層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，最外兩側(cè)為玻璃基片，用于固定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與玻璃基片黏結(jié)的是聚乙烯醇縮丁醛酯（Polyvinyl Butyral，PVB）膠片，用于玻璃基片與晶硅片的黏結(jié)。最中間為晶硅片，即太陽能電池板，用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)太陽光照射到光伏幕墻上后，一部分輻射被吸收，并通過晶硅片的轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變成一定量的電能，而另一部分則被幕墻反射回去，有利于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，以降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗量。

2.3.3 光伏遮陽板

建筑建設(shè)主要是為人類構(gòu)建出良好、舒適的內(nèi)部空間環(huán)境，而要想達(dá)到這一要求，應(yīng)在確保采光良好的基礎(chǔ)上，盡可能多地減少透過窗戶的太陽輻射。所以，BIPV 系統(tǒng)中，還應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的光伏遮陽板。陽光照射到遮陽板上后，一方面，可將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，用于建筑電力系統(tǒng)的使用；另一方面，可根據(jù)室內(nèi)空間溫度，結(jié)合光伏板接收到的太陽能輻射量，自動調(diào)節(jié)遮陽板的角度，以此對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制。

2.4 陣列設(shè)計

斜面太陽輻射，計算斜面太陽輻射量是影響B(tài)IPV 系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素之一，因而在光伏陣列設(shè)計時，需要確定合理的斜面太陽輻射量。對于斜面太陽輻射量來說，應(yīng)滿足直散分離的原理，即總輻射量等于直接輻射與散射的總和。

需要注意的是，大地表面接收的輻射量沒有地表反射分量。確定朝向赤道斜面上的太陽能輻射量時，計算公式為：

式中：Ht為總輻射量；Hbt為直接輻射量；Hdt為天空中的散射量；Hrt為大地的反射量。

若具體地點位置已知，可通過查詢相關(guān)資料獲取當(dāng)?shù)靥栞椛涞南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)，通過相應(yīng)的公式確定上述幾個指標(biāo)。

計算Hbt時，可引入?yún)?shù)Rb，即直接輻射量與總輻射量的比值，即：

式中：φ為地點的緯度坐標(biāo)；α為斜面的傾角；δ為太陽的赤緯坐標(biāo)；hs表示水平面日落時角；hs'為斜面上日落時角，可由式（4）推導(dǎo)得出：

確定Hdt時，選擇Hay 模型。該模型指出，在天空散射當(dāng)中，主要由兩部分構(gòu)成，一部分為太陽光的散射，另一部分為其他穹頂?shù)纳⑸?，因而可通過下述公式推導(dǎo)Hdt值，表達(dá)式為：

式中：H0為大氣層外水平面上的太陽能輻射量，可由式（6）推導(dǎo)得出：

式中：Isc為太陽常數(shù)，一般可設(shè)置成1367 W/m2。

確定Hrt時，可通過式（7）推導(dǎo)得出：

式中：Hh為水平面總輻射量；ρ為地表的反射率，具體可根據(jù)現(xiàn)場具體情況而定，如表1 所示[5]。

表1 地表反射率表

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代建筑工程建設(shè)過程中，應(yīng)提高對太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)的重視程度，并根據(jù)工程現(xiàn)場的氣候、建筑及電網(wǎng)條件，選擇合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)，合理對光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮擋板進(jìn)行設(shè)計，并確定最佳的斜面太陽輻射量與列陣傾角，以使太陽能在建筑工程領(lǐng)域發(fā)揮出最大的作用。同時，需要注意的是，為了使太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用，未來還應(yīng)逐漸融入更多光伏發(fā)電功能，以向用戶提供更好的服務(wù)。