光伏建筑一体化在城市住宅中应用潜力

付志红

大恒建设集团珠海有限公司 广东 珠海 519085

摘要：在现阶段的城市中，建筑行业有了很大进展，随着“双碳”政策的推行，建筑耗能成为了我国亟需解决的首要问题，降低建筑能耗成为了实现碳达峰/碳中和的重要途径，优化能源结构推广太阳能再生资源的利用尤为重要。本文首先分析光伏发电的原理，其次探讨应用存在的问题，最后就光伏建筑一体化在城市住宅中应用潜力进行研究，以期为可再生能源的利用提供参考，进而实现碳达峰/碳中和。

关键词：光伏建筑；住宅；潜力；应用；城市；一体化

引言

近年来随着经济社会的快速发展，人类对于能源的需求不断提高，全世界化石资源面临枯竭，生态环境持续恶化。据统计，2015年我国民用建筑能耗总量为8.20亿t标准煤，占全社会终端能耗总量的19.6%，建筑行业是能源消耗的主力行业之一，与工业和交通业相比，建筑业节能减排的空间最大。工业革命后，人类对于建筑的需求逐渐变得多样化，建筑不仅需要承担照明、供水供电等实用功能，还应具有赏心悦目的外观设计，与环境融为一体。既要保留建筑物内部丰富的功能以满足人类需求，又要最大限度地降低建筑向大自然索取的能量和排放的有害物质，给建筑配备发电系统以供自给自足是有效的解决手段之一。

1光伏发电原理

光伏发电是在光生伏特效应上产生的一种放电现象，其原理为：在太阳光照射到太阳能光伏板上后，太阳能电池组件变回将光能转换为相应的电能，当光照充足时，由于单块太阳能电池板的发电量有效，为了获取更多的电能，通常是将电池板进行串联，组成太阳能电池方阵的形式，进而增加相应地电动势，为系统提供充足的电压输入，并通过充放电控制器将电能储蓄在电池中，将多余的电能存储。当太阳光线不足时，蓄电池便会将存储的电能输出，通过逆变器将直流电转换为交流电，然后再讲转换的电能输入配电柜中，以满足用电设备运行需求。在光伏发电系统中，控制器主要是控制电池组的充放电，进而实现太阳能一电能一化学能一电能一光能的转化。

2应用存在的问题

（1）逆变器故障的处理。常规的运行故障物业电工可以解决，但相对核心的控制板块则难以修复，厂家一般以升级换代为由建议更换新的逆变器，但对于小型电站而言更换逆变器的成本偏高。（2）光伏组件破损的更换。项目采用的是定制双玻光伏组件，市场上无备件供应，质保期后项目裙楼屋面光伏系统累计有13块光伏组件玻璃自爆或受外物撞击破损有待更换。（3）供应商的服务问题。光伏建筑一体化系统一般规模小，供应商服务不积极，面对定制系统在服务方面更是难以跟上。受行业发展整合的影响，目前本项目要找到原供应商或合适的光伏组件已十分困难。（4）维护成本偏高的问题。相关费用的投入几乎没有产出，难以下决心续使用。

3光伏建筑一体化在城市住宅中应用潜力

3.1建筑项目数据调查分析

基于BIM技术进行BIPV设计前，需要对项目施工区域进行严格调查，并对相关数据信息进行筛选和分析，掌握区域气候环境，确保建筑结构中的光伏系统在7点到17点之间不会被其他建筑、树木等遮挡，能够持续接收太阳光，为建筑提供充足电能。收集的信息包括区域气候数据、环境信息和建筑负荷建模信息。分析结束后，应将收集的数据信息归类传输到数据库中。Ecotect是现阶段BIPV设计中分析阴影和日照常用的软件，将建筑项目的朝向、地理位置输入软件系统，同时放入建筑项目的概念模型，软件即可自动计算出建筑某一部分时段接收日照的情况，提升光伏电池组建的日照精确度，为后续建筑项目模型调整提供数据参考。

3.2光伏组件产品要通用

项目在选择光伏组件时，由于常规组件的承载力没有数据，为避免出现系统性破损而完全以玻璃构件的承载要求作参考，最终选用了夹胶玻璃生产工艺的“双玻组件”。但使用过程中破损后的补片十分困难，甚至难以为继。光伏建筑一体化项目规模一般不大，特别是在城市公共建筑上的应用，如选择订制的光伏组件，必然会带来维护使用的问题，选择常规组件会从容得多。常规光伏组件的构造一般为3.2mm超白压花玻璃+EVA&CELL+TPT背板，俗称“单玻组件”。TPT为组合结构卷材，外层保护层PVF具有良好的抗环境侵蚀能力，中间层为聚酯薄膜具有良好的绝缘性能，内层PVF经表面处理和EVA具有良好的粘接性能。如果做BAPV系统，尽可能选用该类产品。BIPV系统对组件有特殊要求，多采用“双玻组件”，需要因地制宜，组件尽可能具有互换性，完工后应保存一部分备片。

3.3屋顶光伏电站安装

安装屋顶光伏电站时必须同时满足屋顶系统的建筑使用要求（抗风性、水力隔离）和光伏组件的应用要求。钢缆固定结构的整体为直筒翻转夹盖结构，其上部设置转动连接结构。直筒夹盖为2个对合的半筒结构，端侧各设置安装板，安装板内设置定位孔。将钢缆放入直筒夹盖内，然后在定位孔内穿入螺栓，并通过螺母锁紧，使得对向的直筒夹盖压紧钢缆。上部的转动连接件下部连接一个直筒夹盖，转动连接件为自转结构的杆状结构，杆端部设有外螺纹，将杆部插入钢框架结构的安装孔内，并用螺母锁紧，因而顺接钢缆的旋转，同时使得钢缆拉紧钢框架。

3.4在线监控系统部分

在并网光伏发电项目中，具有数据采集功能与远程通讯功能，可实现对变电站的实施监控，为电站的运营管理提供了依据。数据采集系统主要由数据采集控制器、显示终端、测量仪器等部分组成，在采集相应地数据信息后，通过远程通讯的方式将数据传输至控制器中，由于控制其与局域网相互连接，操作人可通过局域网在计算机中监视逆变器的运行状态。

3.5分析BIPV建筑的耗能情况

基于BIM技术，建筑模型能够直接由Ｒeivt软件进入Ecotect软件，利用Ecotect软件分析自然光的相关数据，调整光伏系统太阳能接收板，提升透光率;基于环境风场数据，调整光伏系统通风策略;基于影子相关数据，及时发现设计方案中光伏组件被遮挡部分，优化建筑中光伏系统的安装位置及其他参数。相对应的能源分析软件，主要功能为分析建筑整体能耗情况。以EnergyPlus软件为例，该软件在1h内即可模拟出建筑物及空调系统全年内耗及负荷量，为建筑工程师和设计师提供降低建筑能耗的依据，基于该系统可以准确计算出建筑物全年能耗数据，为光伏发电系统构建提供参考，使其能够满足建筑能耗需求。

3.6运行维护管理要规范

光伏建筑一体化系统是光伏电站建设在建筑上，日常的运行维护应按光伏电站的要求去做。目前建筑的运行管理往往委托给物业公司，对物业服务而言光伏系统的维护管理是新需求。在工程移交时除做好交底培训外，还要有书面的维护管理指南，对日常的巡查、光伏组件清洁、组件安全检查、常见故障排除等作规定。另建筑光伏一体化项目设计时要考虑光伏组件清洁时的废水收集与排放构造设施，避免清洁时对其他部位造成污染。

结语

综上所述，在光伏建筑一体化（BIPV）技术的应用下，不仅有效满足了建筑用电需求，还能将用地低估其对多余的电量分配至配电网中，以供其他负载使用。光伏建筑一体化系统作为中小型的近用户端分布式新能源电站，成为近年城市建筑减碳举措的发展热点，如何抓住此次重大发展机遇，让光伏建筑持续发挥作用，需要我们对光伏建筑一体化技术的全面消化理解与因地制宜的应用。在“热”的行业前景和政府激励政策的感召下，仍要保持“冷”的思考。以安全可靠、经济适用为原则进行合理规划设计，落实好建设质量和维护管理，避免出现为建而建、粗制滥造的冒进工程。

参考文献

[1]余杰.光伏建筑一体化在建筑立面和屋顶的安装方法研究[J].能源科技,2022,20(04):58-61+74.

[2]曹磊,袁天驰.“双碳”目标下光伏建筑一体化发展现状及前景分析[J].智能建筑电气技术,2022,16(04):42-45+54.

[3]林政扬,倪肖婕,王博.基于改进ARIMA模型的光伏建筑一体化股票短期预测[J].计算机时代,2022,(07):40-43.