建筑集成光伏系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要素
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1引言 隨著化石能源的日漸耗盡，開發(fā)新能源應(yīng)用技術(shù)勢在必行。以清潔、可再生的太陽能為能量來源的建筑集成光伏系統(tǒng)越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。BIPV系統(tǒng)將建筑與光伏系統(tǒng)結(jié)合在一起，能夠有效降低系統(tǒng)成本、提高建筑能效、縮短能量回收周期，是解決能源與環(huán)境問題的重要策略之一。 BIPV系統(tǒng)的研究與建設(shè)已經(jīng)引起世界各國的高度重視:美國、德國、日本先后提出了自己的“屋頂光伏計(jì)劃”，意大利、印度、瑞士、荷蘭和西班牙等國也都有類似的計(jì)劃在實(shí)施; “九五”期間我國在深圳、北京分別成功建成17kw. 7kw光伏發(fā)電屋頂并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，“十五”又在北京上海建成多座建筑一體化的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)m，越來越多的建筑集成光伏項(xiàng)目投入建設(shè)。 本文將就BIPV系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及其設(shè)計(jì)要素展開論述。
2 BIPV系統(tǒng)的'優(yōu)點(diǎn) 與一般光伏電站相比，BIPV系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)不需要額外占用珍貴的土地資源。一平方米的太陽能電池板平均發(fā)電功率在一般日照條件下僅為100W/ h左右，如果單獨(dú)建設(shè)供城市建筑基本用電的光伏電站，這將占用很大的土地面積，在臨近城市范圍內(nèi)，是不現(xiàn)實(shí)的。而BIPV系統(tǒng)可直接利用建筑屋頂及外墻等建筑面積，無需額外占用土地。這在土地昂貴的城市尤其重要，適于應(yīng)用在人口密集的鬧市區(qū)。
(2)系統(tǒng)成本回收期短。在BIPV系統(tǒng)中，光伏電池板扮演著雙重的角色，一方面作為電池板提供電能，另一方面作為建筑材料構(gòu)成建筑的頂部及外墻。光伏電池板的電氣屬性得到了很好的利用，其材料屬性也得到了發(fā)揮，加深了光伏電池板的利用程度，縮短了系統(tǒng)成本回收期。
(3)并網(wǎng)方便。比起戈壁、荒漠光伏電站需要架設(shè)專門的線路并網(wǎng)，BIPV系統(tǒng)大多應(yīng)用于臨近電網(wǎng)的建筑，節(jié)省了架設(shè)并網(wǎng)線路的資金。 提高建筑能效與品質(zhì)。當(dāng)代社會，建筑能耗通常占一個(gè)國家或地區(qū)全部能源消耗的。白夭是建筑用電的高峰，BIPV系統(tǒng)中的光伏電池板恰好可在白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供建筑使用，多余的電力還可并入電網(wǎng)或者儲存起來供夜晚使用。這就大大提高了建筑自身能效。另一方面，玻璃常作為光伏電池單元的載體，同時(shí)它也是建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中不可或缺的元素。光伏電池板可以按照不同的建筑要求制作成不同的形狀、顏色、透光度的建筑材料，應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中可以改良建筑的外觀。
此外，光伏電池板直接吸收輻射在屋頂及墻面上的太陽能，可以降低屋頂及墻壁的溫升，提升建筑品質(zhì)。 獨(dú)立BIPV系統(tǒng)主要用于解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)以及不方便架設(shè)電網(wǎng)地區(qū)的居民的生活用電問題，如偏遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村等。充電控制器實(shí)際上是一個(gè)直流變換裝置，它可以把光伏電池發(fā)出的不穩(wěn)定直流電能變成較穩(wěn)定的直流電能來給蓄電池充電或給直流負(fù)載提供電能。直流電能通過逆變器變成可供交流負(fù)載使用的交流電能。由于沒有連接電網(wǎng)，所以設(shè)置了儲能環(huán)節(jié)，以解決夜晚發(fā)電系統(tǒng)不能工作的問題。 并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)主要用于臨近電網(wǎng)的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
與獨(dú)立BIPV系統(tǒng)相比，在并網(wǎng)BIPV系統(tǒng)中光伏電池板產(chǎn)生的電能過剩時(shí)，可以饋入電網(wǎng);光伏電池板產(chǎn)生的電能不足時(shí)可以通過電網(wǎng)補(bǔ)充，能量利用率和供電可靠性得到了提高。由于無需考慮夜晚光伏發(fā)電系統(tǒng)不能工作的問題，所以省略了儲能環(huán)節(jié)。 現(xiàn)在學(xué)界還提出一種新的并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式運(yùn)行 BIPV系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。儲能環(huán)節(jié)圖1雙模式運(yùn)行BIPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 這種系統(tǒng)主要應(yīng)用在有對供電有不間斷性要求的關(guān)鍵負(fù)載的建筑中，如醫(yī)院、通信基站、雷達(dá)站等。為了保證BIPV系統(tǒng)在電網(wǎng)存在時(shí)可以并網(wǎng)發(fā)電，在電網(wǎng)故障丟失時(shí)馬上轉(zhuǎn)入獨(dú)立運(yùn)行模式，雙模式運(yùn)行系統(tǒng)在并網(wǎng) BIPV系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了能量儲存環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行模式的無縫切換，避免在切換時(shí)可能出現(xiàn)的負(fù)載電壓突變閃、輸出電流與電網(wǎng)電壓不同相位、輸出波形畸變等問題，有關(guān)的電流變換器的設(shè)計(jì)方法及其控制策略仍在進(jìn)一步探索中。
3 BIPV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 作為一種特殊的太陽能應(yīng)用形式，BIPV系統(tǒng)按照并網(wǎng)與否主要分為獨(dú)立BIPV光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)BIPV光伏發(fā)電系統(tǒng)。 BIPV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素 不同于在開闊地建設(shè)的并網(wǎng)光伏電站，BIPV系統(tǒng)因其設(shè)計(jì)施工是于建筑相結(jié)合，所以不得不考慮一般光伏電站建設(shè)設(shè)計(jì)要素意外的其它要素。 工作環(huán)境隨機(jī)性大。由于BIPV系統(tǒng)多應(yīng)用于城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其工作環(huán)境中的遮擋物較多，如建筑物之間遮擋、植物遮擋、雜物遮擋等。而且安裝在建筑物不同位置的光伏電池板其工作環(huán)境是不同的，很難保證整系統(tǒng)在工作時(shí)保持電氣參數(shù)的一致。
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