南昌市城市规划设计研究总院南昌330038
摘要：本文主要介绍了光伏建筑一体化的多种形式，尤其针对光伏幕墙技术，详细阐述了其原理及组成要素。随着社会对节能和环保的关注，光伏幕墙技术必将得到更加有效的发展。
关键词：BIPV；光伏幕墙；光伏组件；建筑节能；模块化设计；
引言
近几年来，随着传统能源的日渐枯竭，我国在不断地开发新能源取代传统化石能源。光伏发电是一种将太阳能转化为可直接利用的技术，作为绿色节能建筑设计中重要措施之一，其合理有效的设计显得尤为重要。
随着光伏应用越来越广泛，光伏建筑一体化（BuildingIntegratedPhotovoltaics，简称BIPV）技术应用而生。BIPV是指在建筑外围护结构的表面安装光伏组件提供电力，同时作为建筑结构的功能部分，取代部分传统建筑结构如屋顶板、建筑立面、遮雨棚等。其主要有以下八种形式：1.光伏采光板（天窗）；2.光伏屋顶；3.光伏幕墙（透明幕墙）；4.光伏幕墙（非透明幕墙）；5.光伏遮阳板（有采光要求）；6.光伏遮阳板（无采光要求）；7.屋顶光伏方阵；8墙面光伏方阵；
光伏幕墙作为光伏建筑一体化的重要形式，本课题将对其原理做认真分析，同时对其在建筑光伏一体化中的应用做深入探讨。
1、光伏幕墙技术原理及组成
光伏幕墙通常是将光伏组件放在两层玻璃之间而形成的幕墙材料，结合相配套的配电柜、逆变器、变压器等电气设备，组成光伏发电系统。
太阳能电池板在光照条件下接收太阳光并产生电能，使电池组件产生一定的电动势，通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换产生的电能储存在蓄电池里。到需要用电时，蓄电池组为逆变器提供电源，通过逆变器将直流电转换成交流电，输送到配电柜，给终端设备供电。太阳能电池板本身只能发电而不能储存电能，蓄电池能储存或输出直流电。逆变器能够将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。
2、光伏幕墙的设计
2.1建筑设计
光伏幕墙的设计应从建筑设计入手，首先要对建筑物所处的地理位置、气候条件以及太阳能的资源状况进行分析；其次是考虑建筑物的周边环境条件；第三是考虑与建筑物的外围装饰相协调。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑周围热环境的改变。
2.2发电系统设计
光伏系统设计主要包含以下三部分：光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。
光伏方阵设计：一方面要考虑建筑的整体效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其朝向与倾角等受光条件所产生的影响。
光伏组件设计：电池组件的选型与布置；组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。
发电系统的设计，即系统类型（并网系统或独立系统）。
2.3建筑材料设计
根据电池组件材料的不同，光伏幕墙可分为晶体硅材料幕墙和非晶硅材料幕墙。前者的光伏组件是多晶硅或单晶硅材料，优点是光电转换效率高、安装尺寸小、生产材料和技术都较为成熟。但缺点在于幕墙透光性不好，在高温和弱光条件下表现较差。材料的选择需结合项目投资及发电效率综合考虑，同时，还应符合建筑设计的气密性、水密性、耐撞击、隔声、保温等技术要求。
2.4结构安全性与构造设计
光伏幕墙可采用框架式、单元式等结构形式。但需要满足有关幕墙的行业标准和技术规范，满足建筑装饰性和抗风、抗震、平面内变形等安全要求，同时要保证用电安全，具有可靠的绝缘性。
3、光伏幕墙工程案例
3.1项目介绍
某项目位于南昌市，该地区水平面平均年太阳辐射量4968MJ/㎡，太阳能资源丰富。建筑幕墙标高最高为57.9米，在南侧立面装设光伏幕墙，总安装面积约为2893.2平方米。系统采用自发自用、余电上网形式，总装机容量为242kWp。
3.2技术方案及设备选型
（1）光伏组件选型
本工程光伏幕墙采用光伏组件，玻璃外包，材质按建筑专业要求确定。容量为275Wp，共计220块。参数如下：
外型尺寸：1640×992×35；重量：18kg；峰值功率：275Wp；峰值功率误差范围：0/+5w；工作电压（Vmp）：0/+5w；工作电流（Imp）：8.84A；开路电压（Voc）：43.3V；峰值功率温度系数：43.3V；峰值功率温度系数：-0.45%/℃；开路电压温度系数：-0.33%/℃；短路电流温度系数：+0.062%/℃；10年功率衰降：10%；20年功率衰降≤20%。
（2）组串设计
选用4台60KW逆变器，该逆变器最大功率电压跟踪范围为200-1000Vdc，最大开路电压为1100Vdc。组件串直流输入符合以下条件：-15℃时的开路电压小于逆变器的最大直流电压，正常工作电压满足逆变器的MPPT范围。
每串组件为22片，晶体硅组件串在最低温度-15℃下的开路电压为：22×39.8×[1+0.37%×（15+25）]＝1010V，小于逆变器最大直流电压1100V。正常工作时，晶体硅组件串的工作电压为：22×31.7V=697.4V，在并网逆变器200-1000V电压MPPT跟踪范围之内。
由计算可知，若选择每个支路的光伏组件数量较大，则最低温度时开路电压将突破极限，损坏系统；若选择每个支路的光伏组件数量较小，则组串工作电压虽可能在MPPT范围内，但是电压较低，损耗较大。
22片组件串联功率为275Wp×22＝6050W，40个回路通过4台逆变器，总功率为242KWp。
（3）模块化设计
本项目光伏幕墙系统采用模块化设计、安装施工。系统为一个独立的发电单元，就近设置在建筑用电配电房附近。优点如下：
1）各子系统各自独立；2）有利于工程分段实施；3）减少光伏组件至并网逆变器的直流电缆用量，减少系统线路损耗，提高系统的综合效率；
3.3发电量估算
本项目光伏幕墙年平均每天太阳辐射量为4.2kWh/㎡/日，即年太阳总辐射量达到1486kWh/㎡，折合标准日照条件（1000W/㎡）下日照峰值小时数约为1540h。年发电利用小时数（发电当量小时数）初始值：1540×78%（系统效率）≈1200小时；
光伏组件光电转换效率逐年衰减，整个光伏发电系统25年寿命期内平均年有效利用小时数也随之逐年降低，采用的光伏组件10年内年平均衰减率不超过1％，25年内衰减不超过20％。具体发电量估算时多晶硅组件按1年内衰减不超过2%，10年内衰减不超过10%计算。预计25年运营期内上网电量为545万kWh，其年发电量估算如下表。
4、结论
光伏幕墙技术是一个综合工程，一个成功的工程需要从最初的方案构思，精心策划，考虑建筑物的周边环境、建筑美学、整体效果、投资规模等等，需要建筑、结构、电气等多专业的共同努力和配合。如今，以光伏幕墙为代表的建筑一体化技术以其优异的性能，从耗能建筑向产能建筑指出了发展方向，必将得到大面积的推广和应用。
参考文献
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