李 佳

(昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明 650031)

光伏技術(shù)與能源建筑的一體化設(shè)計及應(yīng)用

李 佳

(昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明 650031)

闡述了能源與建筑的一體化設(shè)計及應(yīng)用,并通過實踐,指出將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合,使未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給甚至將電能輸出是未來建筑的發(fā)展趨勢。

光伏技術(shù);太陽能;光電利用;能源建筑

0 引言

能源建筑就是利用太陽能集熱器和光電設(shè)備來收集和存儲太陽能,從中所獲取的電能不僅可以滿足建筑物自身的需要,而多余出來的電力還可以輸送到公共電網(wǎng)或者其他的建筑。將耗能建筑逐步轉(zhuǎn)化為能源建筑已成為人類面臨的一大課題。而太陽能的利用,特別是硅片技術(shù)的發(fā)展進(jìn)而推動光電設(shè)備的進(jìn)步給這一課題帶來了希望。

1 太陽能在建筑中的利用

在德國,先進(jìn)的太陽能集熱器 m2/a提供的能量等于燃燒 40 L燃煤或者 400 m3天然氣,這不僅節(jié)約了資源,還大大減輕了二氧化碳對環(huán)境的污染。此外,一臺太陽能集熱器設(shè)備在大約 1 a內(nèi)產(chǎn)生的能量足以用于生產(chǎn)一臺新的太陽能集熱器,所以,1 a后它就真正成為一個能量的來源。

我國具有豐富的太陽能資源,每年照射時在2 200 h以上地區(qū)約占國土面積的 2/3以上,年輻照量超過 600 MJ/m2,每年地表吸收的太陽能相當(dāng)于 17萬億 t標(biāo)準(zhǔn)煤的能力,約等于上萬個三峽工程發(fā)電量的總和。如此豐富的太陽能資源使我國較早就開始利用太陽能。近幾年,太陽能科技突飛猛進(jìn),太陽能產(chǎn)品不斷升級。特別是硅片技術(shù)的發(fā)展,使得太陽能在建筑領(lǐng)域有了長足的發(fā)展。我國太陽能建筑領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的是家用太陽能熱水器 (系統(tǒng)),其次是被動式采暖太陽房。同時,太陽能光伏技術(shù)和照明技術(shù)通過若干建筑示范工程實踐,也積累了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。如昆明冶研新材料股份公司的3 000 t多晶硅產(chǎn)業(yè)化項目就部分采用了太陽能光伏技術(shù)發(fā)電。

2.1 能源與建筑的一體化 (B IFV)設(shè)計

2.1.1 設(shè)計原則

光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式,其主體是建筑,客體是光伏系統(tǒng)。因此,B IPV設(shè)計應(yīng)以不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命為基本原則,任何對建筑本身產(chǎn)生損害和不良影響的 B IPV設(shè)計都是不合格的設(shè)計。

2.1.2 建筑設(shè)計

B IPV的設(shè)計應(yīng)從建筑設(shè)計入手:①對建筑物所處的地理氣候條件及太陽能的資源情況進(jìn)行分析,這是決定是否選用 B IPV的先決條件;②考慮建筑物的周邊環(huán)境條件,即選用 B IPV的建筑部分接受太陽能的具體條件,如被其他建筑物遮檔,也不必考慮選用 B IPV;③與建筑物的外裝飾的協(xié)調(diào),光伏組件給建筑設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇,畫龍點睛的B IPV設(shè)計會使建筑更富生機,環(huán)保綠色的設(shè)計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合。④考慮光伏組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。

光電的能量轉(zhuǎn)換需要足夠的陽光接受面,而建筑物本身就是一個理想的受光載體,國外把外墻的玻璃裝飾與光電元件有機地結(jié)合起來,取得了許多經(jīng)驗。例如,德國柏林能源論壇大廈僅利用斜度為8度的屋頂和建筑物的局部西南向外墻 (斜度為80度)上就安裝了總功率約 55 kWp的光伏設(shè)備。彼得斯山天主教鄉(xiāng)村大學(xué)校舍也是利用外廊通道和南側(cè)玻璃房安裝光電設(shè)備,所有部件安裝在結(jié)構(gòu)上,使錐形的玻璃與之結(jié)合緊密,形成一體。這套設(shè)備還具有雙重功效,一方面發(fā)電,另一方面又能在柱廊通道里達(dá)到必要的遮陽效果。柱廊通道中的電氣連接裝置做的非常小,從而能將包括避雷針和光電設(shè)備配線在內(nèi)的纜線鋪設(shè)在拱形的 T字梁中,并把暴露在外的設(shè)備顏色與整體建筑設(shè)計協(xié)調(diào)一致。如果把光電設(shè)備置于屋頂,還可以起到隔熱保溫的效果。光電設(shè)備與建筑設(shè)計有機結(jié)合將是未來建筑設(shè)計的一大亮點,有可能是未來建筑裝飾材料發(fā)展的方向。

2.1.3 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

B IPV的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與光伏電站的系統(tǒng)設(shè)計不同,光伏電站一般是根據(jù)負(fù)載或功率要求來設(shè)計光伏方陣大小并配套系統(tǒng),B IPV則是根據(jù)光伏方陣大小與建筑采光要求來確定發(fā)電的功率并配套系統(tǒng)。

B IPV光伏系統(tǒng)設(shè)計包含 3部分,分別為光伏方陣設(shè)計、光伏組件設(shè)計和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。

1)光伏方陣設(shè)計,在與建筑墻面結(jié)合或集成時,一方面要考慮建筑效果,如顏色與板塊大小;另一方面要考慮其受光條件,如朝向與傾角。

2)光伏組件設(shè)計,涉入電池片的選型 (綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置 (結(jié)合板塊大小、功率要求、電池片大小進(jìn)行);組件的裝配設(shè)計 (組件的密封與安裝形式)。

3)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計,即系統(tǒng)類型 (并網(wǎng)系統(tǒng)或獨立系統(tǒng))確定,控制器、逆變器、蓄電池等的選型,防雷、系統(tǒng)綜合布線、感應(yīng)與顯示等環(huán)節(jié)設(shè)計。

2.1.4 結(jié)構(gòu)安全性與構(gòu)造設(shè)計

光伏組件與建筑的結(jié)合,結(jié)構(gòu)安全性涉及兩方面:①組件本身的結(jié)構(gòu)安全,如高層建筑屋頂?shù)娘L(fēng)荷載較地面大很多,普通的光伏組件的強度能否承受風(fēng)壓變形時是否會影響到電池片的正常工作等。②固定組件的連接方式的安全性。組件的安裝固定不是安裝空調(diào)式的簡單固定,而是需對連接件固定點進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算,并充分考慮在使用期內(nèi)的多種不利情況。

1)設(shè)計中應(yīng)注意兩點:①方陣場地的選擇避免陰影影響,各方陣間應(yīng)有足夠的間距,以保證全年每天當(dāng)?shù)貢r間上午 9時至下午 3時之間光伏電池組件無陰影遮擋;②將方陣場地表面層切實夯實,并于場地周圍設(shè)計排水溝。

2)方陣傾角設(shè)計計算。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩?、交通、居民文化水平等情況確定采用固定式支架。為了全年均可較好地接受太陽輻射能量,方陣傾角確定為當(dāng)?shù)鼐暥?+5°,即 32°十 5°=37°

3)光伏方陣方位角選擇為使方陣全年接受日光照射的時間最長,選擇的方位角為正南。

4)光伏方陣間距設(shè)計計算。

D=0.707H/tan[arcsin(0.648 cosφ-0.399 sinφ)]

H=1 480 mm(φ選取 37°)

于是有

D=0.707×1 480/tan[arcsin(0.648 cos37°-0.399 sin37°)]

=3 624 mm,取3 700 mm

5)光伏方陣支架設(shè)計地面安裝的光伏方陣支架采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)支架符合 GB/T50250的要求,以保證光伏組件與支架連接牢固可靠,底座與基礎(chǔ)連接牢固。組件與地面距離設(shè)計為 600 mm。支架采用直接接地,支架與預(yù)埋螺栓連接的接地體接地電阻不大于 10 n,接地進(jìn)行防腐及降阻處理。支架鋼結(jié)構(gòu)件采用熱鍍鋅防銹處理,以滿足長期室外使用要求。光伏組件和方陣使用的緊固件采用不銹鋼螺栓。

2.1.5 光伏組件設(shè)計

1)蓄電池配置注意事項。每只蓄電池應(yīng)有生產(chǎn)合格證,合格證上應(yīng)標(biāo)明蓄電池型號和生產(chǎn)日期。制造商應(yīng)提供型號產(chǎn)品國家認(rèn)可質(zhì)檢機構(gòu)出具的質(zhì)檢報告。蓄電池的生產(chǎn)時間靠近發(fā)貨日期,存放時間應(yīng)不超過 6個月。同一路充放電控制的蓄電池應(yīng)采用同一生產(chǎn)廠家、同一規(guī)格和容量的產(chǎn)品,生產(chǎn)日期的間隔時間應(yīng)不超過 1個月。蓄電池的外觀無變形、漏液、裂紋及污跡,標(biāo)志清晰。蓄電池的并聯(lián)組數(shù)量最多不超過 6組。

2)蓄電池連接電纜。蓄電池連接電纜端頭上設(shè)冷壓銅接頭。所選用的電纜銅接頭和接線端子的設(shè)計及尺寸應(yīng)使其流過最大電流時的溫度不超過電纜絕緣的允許溫度。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

功率調(diào)節(jié)器主要由控制器、逆變器、交流配電柜、電子限荷器、輸出防雷隔離器等設(shè)備組成。

3.1 一般要求

1)功率調(diào)節(jié)器設(shè)備選型應(yīng)滿足光伏系統(tǒng)設(shè)計功能的需要,各功能設(shè)備間應(yīng)考慮功能和功率 (容量)的協(xié)調(diào)及匹配。

2)功率調(diào)節(jié)器設(shè)備應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并通過檢驗的合格產(chǎn)品。出廠時應(yīng)帶有銘牌標(biāo)志、接地標(biāo)志、功能標(biāo)志等,標(biāo)識應(yīng)清晰、正確。銘牌至少要標(biāo)明制造商品名稱、出廠編號、生產(chǎn)日期以及該設(shè)備的主要特征參數(shù)。

3)設(shè)備柜架應(yīng)有足夠的剛性并設(shè)有安裝孔或吊裝位置,運行操作的器件應(yīng)適宜人員操作,應(yīng)有可靠接地。

4)設(shè)備絕緣性能應(yīng)符合相關(guān)要求。耐振動性能應(yīng)滿足頻率在 10～55 Hz間變化、振幅 0.35 mm的三軸向各振動 30 min后正常工作。

4 控制器選型

技術(shù)要求正常運行情況下,控制器及相關(guān)器件應(yīng)提供至少 10 a的服務(wù)期。當(dāng)沒有 LED發(fā)光時,控制器最大自身耗電量不得超過其額定充電電流的 1%。充電或放電回路電壓降不得超過系統(tǒng)額定電壓的 5%?？刂破鞯恼{(diào)節(jié)點須根據(jù)具體蓄電他的特性在出廠前預(yù)調(diào)好過充點或過放點。控制器應(yīng)具有防止蓄電池過充電和過放電的保護(hù)、防止任何負(fù)載過流或短路的電路保護(hù)、防止任何負(fù)載極性反接的電路保護(hù)、防止控制器內(nèi)部短路的電路保護(hù)、在多雷區(qū)防止雷擊引起擊穿的保護(hù)、防止夜間蓄電池通過太陽能電池組件反向放電的保護(hù)等功能。

5 逆變器選型

其功能是將直流電變換成交流電,具有斷路、過流、過壓、過熱、防蓄電池過放電等保護(hù)功能。

6 交流配電柜選型

可接入逆變器,對用戶供分配進(jìn)行操作控制,裝有用電計量電能表。選用上海某公司生產(chǎn)的型號為 KPA-220～200的交流配電柜一臺。

7 輸出防雷隔離器選型

輸出防雷隔離器可安裝在光伏電站控制機房的入口端和出口端,當(dāng)遭到雷擊或發(fā)生過流時,隔離器內(nèi)防雷器件劣化,過流保護(hù)器自動跳出,自動脫扣脫離電路,以保證光伏電站設(shè)備的安全。

8 機房、圍欄、防雷及低壓配電線路設(shè)計與建設(shè)

8.1 光伏系統(tǒng)機房設(shè)計與建設(shè)

1)電站機房的面積包括蓄電池室、控制室和值班室。機房建設(shè)的原則為,結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩?、氣象條件,充分考慮蓄電池、控制器的最佳工作溫度,符合當(dāng)?shù)氐奶厥獾乩?、氣象情況。

2)為滿足對于機房的溫度要求,以確保冬天室內(nèi)溫度在 0℃以上;地面采用防火阻燃木地板,機房設(shè)計要充分考慮空氣對流,采用良好的通風(fēng)結(jié)構(gòu),以確保夏天室內(nèi)溫度不超過 28℃。

3)為優(yōu)化機房周圍環(huán)境,要在機房周圍設(shè)置排水溝和散水坡。

8.2 光伏系統(tǒng)圍欄設(shè)計與建設(shè)

1)采用防盜式熱浸塑墨綠色鋼焊接成網(wǎng)。

2)焊接網(wǎng)熱浸塑 PE粉,單邊厚度為 0.4～0.45 mm。

3)設(shè)置防盜 4 N網(wǎng)圍欄。

4)焊接網(wǎng)用的鋼絲為冷拔狀態(tài),抗拉強度為640～800 N/mm2,實際直徑為 cp 4.5 mtna。

9 光伏電站防雷設(shè)備設(shè)計與建設(shè)

1)電站系統(tǒng)線路不論是受到直接雷擊還是間接雷擊,都將產(chǎn)生過電壓,若不能使雷擊電流訊速流入大地,雷擊就會浸入房屋,損壞建筑物或設(shè)備,嚴(yán)重的話會引起火災(zāi),造成人身傷亡事故。因此,光伏電站必須采取有效措施防止雷擊。

2)電站的避雷系統(tǒng)設(shè)計,采用安裝輸人避雷器和輸出避雷器,以確保電站設(shè)備安全,并將所有設(shè)備的金屬外殼接地,以確保電站管理人員人身安全。

10 結(jié)語

如果建筑物的外圍裝飾與光電組片結(jié)合起來,建筑與能源之間的關(guān)系將更加緊密。將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合,使得未來的大型建筑實現(xiàn)電力自給甚至將電能輸出,是未來建筑的發(fā)展趨勢。

[1]王長貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)甲[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]崔容強,趙春江,吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[3]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[4]太陽光發(fā)電協(xié)會,劉樹民,宏偉譯.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

Integrated Design of Photovolta ic Technology and Energy Buildings and Its Application

LI Jia
(Kunming Yeyan New Material Co.,Ltd.,Kunming 650031,China)

The integrated design of energy and buildings and its application were expounded.It was pointed out through practice that the combination of the solar power and building materials would achieve large buildings’self-sufficiency in electricity supply,even electricity output,which will be the development trend of buildings in the future.

Photovoltaic technology;solar energy;photoelectric utilization;energy building

TU201.5

A

1004-2660(2011)01-0048-04

2011-01-02.

李佳 (1963-),男,云南人,工程師.主要研究方向:建筑工程施工管理.