EPC项目中建筑光伏系统的设计要求和特点分析

曹 波

中国五冶集团有限公司 四川省成都市610063

摘要：在“十四五可再生能源发展规划”的推动下，大力发展再生能源使用，太阳能光伏实现了蓬勃发展，光伏装机容量每年飙升，光伏发电量屡创新高。光伏产业的发展整带动了建筑光伏的发展，建筑屋面光伏、建筑立面玻璃幕墙光伏不断涌现，光伏系统正在谱写新型再生能源建筑的新篇章。各地对光伏系统的使用，在政策上和设计规范上提出了新要求，了解建筑光伏系统的设计要求、原理、特点，才能更好地做好该系统的设计、安装、运行的具体工作。

关键词：建筑光伏系统  设计规范  原理  特点  发电量 并网

引言

根据“十四五可再生能源发展规划”，到2025年，可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时左右，可再生能源发电量增量在社会用电增量中的占比超过50%，风电和太阳能发电实现翻倍。根据中国光伏行业协会、中商产业研究院的相关数据，2022年全球新增光伏装机规模为230GW，同比增长率高达35.30%，截至2022年末全球累计光伏装机规模达到1156GW。预计2023年全球新增光伏装机容量将达300GW。

根据国家能源局、中商产业研究院的相关数据，2022年，我国光伏行业大基地建设及分布式光伏应用稳步提升，光伏新增装机达8741万千瓦，同比增长59.3%，再创新高，成为新增装机规模最大、增速最快的电源类型。2023年我国新增光伏装机将达9982万千瓦，累计光伏装机将达50261万千瓦。2021年，中国光伏发电量达3259亿千瓦时，2022年光伏发电量约为3708亿千瓦时，预计2023年将达4206亿千瓦时。

光伏产业的大量兴起，也带动了建筑光伏的蓬勃发展，大量的公共建筑、居住建筑，通过在建筑屋面设置光伏板，在建筑立面设置光伏玻璃进行可再生能源利用，光伏系统正在谱写新型再生能源建筑的新篇章。

1、建筑光伏系统及设计规范要求

1.1建筑光伏系统

建筑光伏系统是指安装在建筑物上，利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。该系统由具有封装及内部联结，能单独提供直流电输出的光伏组件构成，太阳能光伏组件类型可分为晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件及其他类型的光伏组件，常用光伏产品类型有单晶硅、多晶硅、碲化镉等。使用在建筑上时，多为屋面光伏板和立面光伏玻璃。

1.2设计规范要求

《成都市民用建筑节能设计导则及审查要点 （2022 版）》对太阳能光伏做出了如下要求：要在2016年执行的国家节能设计标准的基础上要分别降低 35%和20%以上，使成都市民用建筑平均节能率达到 72%；新建居住建筑、公共建筑应安装太阳能系统，太阳能系统含太阳能光伏系统和太阳能热利用系统（含太阳能热水、供暖、空调系统）；太阳能光伏组件冬至日光照时间不小于3h；可设置在屋顶和总平，可供景观、楼梯间等公共区域用电；应设计监测系统能监测发电量，背板温度，室外温度，太阳总辐射量；公共建筑采用屋顶分布式光伏时，屋顶可安装光伏发电面积占屋顶总面积的比例不宜低于 30%。

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（全文强条）对太阳能光伏做出了如下要求：新建建筑应安装太阳能系统；太阳能光伏系统设计寿命高于25年，单晶硅、多晶硅、薄膜电池组件自系统运行之日起，一年内衰减率分别不低于2.5%、3%、5%，之后每年衰减应低于0.7%。

2、光伏发电原理

单晶硅、多晶硅、碲化镉等半导体材料的电子吸收太阳能后，动能增加，发生光电效应，电子逸出而形成电流。

3、产品特点

3.1外观区别

单晶硅太阳能板里面的电池片四边是缺角的；多晶硅的四角是完整的。从外观上，单晶硅面板上可以看到规则的空白，多晶面板上则没有。单晶板一般偏黑色，多晶一般是蓝色，碲化镉黑色。

3.2成本对比

多晶硅小于单晶硅，单晶硅小于碲化镉；但现市场上多晶硅产品较难采购。每个项目因光伏板总面积有差别，光伏板总面积越大，单价可更便宜。碲化镉具有弱光性好，高温适应性好、能源回收期短、应用范围广等优点，成本价格也相应较高，若使用在建筑幕墙上，需将碲化镉薄膜加工在玻璃片之间，工序更复杂，相应会增加加工周期和制造成本。

3.3发电能力

根据相关分析数据，多晶硅小于单晶硅，单晶硅小于碲化镉。单晶硅发电量比多晶硅高约3%；碲化镉能弱光发电，每W装机容量发电量碲化镉比晶硅系列多发电约3.9%。

3.4项目使用特点分析

已新开工在建项目为例，分析太阳能光伏在项目使用中的特点，具体如下：

项目类型	光伏产品	装机容量	年预计发电量	产品规格、每平方功率、每平方发电量
酒店项目	单晶硅屋面光伏板	约262KW	约22.3万KWH	光伏板尺寸：1.2米X0.8米 光伏板数量：2112块 光伏板面积：1984.2m² 每平方瓦数：133W/平方 每平方发电量：112度/年/平方（约每天0.3度）
办公楼项目	单晶硅屋面光伏板	约502KW	约35.8万KWh	光伏板尺寸：2.3米X1.1米 光伏板数量：930块 光伏板面积：2402m² 每平方瓦数：209W/平方 每平方发电量：149度/年/平方（约每天0.4度）
工业类项目	单晶硅屋面光伏板	约3.2KW	约2560KWh	光伏板尺寸：1.8米X1.1米 光伏板数量：8块 光伏板面积：15.9m² 每平方瓦数：251W/平方 每平方发电量：211度/年/平方（约每天0.6度）
学校项目	单晶硅屋面光伏板	约217KW	约17.49万KWh	光伏板面积：980m² 每平方瓦数：209W/平方 每平方发电量：176度/年/平方（约每天0.5度）
综合分析	在相关政策和设计规范的推动下，新建公共建筑中太阳能光伏得到了普遍使用；在其他类型的项目中，太阳能光伏也在逐步推广，如为了获得绿色建筑更高设计等级，绿色建筑设计策划时可增加“再生能源的使用项”，使用太阳能光伏可加分；相同的产品类型不同的厂家，光伏产品参数不同，光伏组件的功率和使用面积决定了装机容量和发电量，设计阶段需光伏产品厂家参与提供相关设计参数，设计参数可影响投资造价。

4、发电量计算

根据《光伏发电站设计规范》GB50797-2012，发电量具体计算公式为：发电量=装机容量*太阳年水平平均辐射量*综合效率系数。

其中，太阳年水平平均辐射量需经过气象软件按地区查询，成都地区约为1050，综合效率系数约等于0.8，和10个参数有关（分别是光伏组件类型修正系数、倾角、方位角、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、电路损耗、变压器损耗、表面污染修正系数、转换效率等）。

设计规范中无具体发电量的要求，设计图纸中的发电量是根据厂家提供的单块光伏板功率和设置面积计算的总装机功率，根据总装机功率计算的理论发电量，市场上单块光伏板的每平方功率不尽相同，现有统计单块光伏板功率在130~250W/平方，若建设项目超概了，可通过选择低功率光伏板材料来降低一部分的造价。

以某学校项目为例：用电功率按二级负荷和三级负荷计算，不计算消防负荷，二级负荷+三级负荷=3584KW。按每天使用5个小时计算，每年耗电量约654万度电,发电量仅为17.49万度，发电比例仅占耗电量的2.6%；发电瞬时功率/用电瞬时功率：217.5/3584=6%，仅仅6%，仅仅靠光伏的发电量不够正常使用。

以家庭用电为例：假设每家每户每天使用10度电，年使用电量3650度，电费0.56X3650=2044元；若全部安装光伏板来发电，装机容量3650/1053.8/0.8=4.3kw,光伏板安装面积4300/200=21.5平方，光伏板造价按3.6X4300=1.5万元估算（不考虑逆变器和并网柜增加的费用，数据仅用于初步估算），回收周期约7.5年。

5、系统组成、电流传输途径及并网原理

5.1并网光伏系统组成

光伏组件—光伏专用电缆—汇流箱、逆变器—电缆—并网箱/柜（低压配电房）—电缆—变压器低压出线端（高压配电房）；同时汇流箱、逆变器、并网柜单独接入监测系统。

5.2离网光伏（独立光伏）

光伏组件—光伏专用电缆—汇流箱—充放电控制器—电化学储能电池—逆变器—监控系统及配电柜。

5.3电流传输途径及并网原理

光伏组件发出的电都是直流电，光伏组件分成十几个为一组，分组汇入汇流箱、逆变器，由逆变器实现直流电转交流电，各逆变器再汇集到并网柜进行并网，并网原理为：室内有用电时光伏发电和外部供电一起提供室内用电；室内无用电时或发电量有多余时，光伏发电通过并网柜并入高压配电房的低压输出端，对外电网供电，供电局安装的双向电表（电能计量装置）对这部分电量进行计量，双向电表进行联网，实现实际用电量折减，也可在并网柜设置防逆流装置，阻止并入外网。可根据装机容量并入不同电压端，如小于8KW的装机容量并入220V电网，8~500KW的装机容量并入380V电网，500~600KW的装机容量并入10KV电网。

6、并网手续办理

光伏发电，可按下面程序并入国家电网：

1）使用单位在发改委管网进行备案申请，取得备案二维码，需提交以下资料：提供营业执照、房产证、产权证、土地证、法人身份证；

2）使用单位提供备案二维码及相应的光伏发电接入方案到供电局进行审批，供电局审批通过后，出具《接入方案的审批意见函》；

3）开展光伏发电方案实施；

4）使用单位提出并网验收及并网调试申请；

5）供电局安装电能计量装置，并签署购电合同和并网协议，组织并网验收及并网调试。

结语：大力推广光伏系统在建筑中的使用，有助于更早实现“十四五可再生能源发展规划”的要求，坚信建筑光伏系统必将引来一个崭新的春天；EPC项目设计中，总承包方要搞清楚建筑光伏系统涉及的基本原理，及涉及的相关新技术、新工艺等，并在EPC设计管理中发挥主导作用；在项目的投资阶段或方案设计阶段，可根据光伏产品的不同类型和特点，充分发挥总承包单位丰富的光伏专业资源库优势，为设计选型提供必要的参数支持，为具体项目选择更合理的光伏方案服务；设计选型若采用光伏幕墙，应同步好幕墙的方案设计和幕墙深化设计工作，协调好光伏产品生产、加工、运输等各个环节，确保项目工期不受影响；并网光伏可实现用电量的消抵，无单独的电化学储能装置，并网光伏优于离网光伏，设计可优先选择并网光伏，同时协助建设单位做好相关并网手续的办理工作；在建筑光伏系统设计的基础上，还需对原设计进行细化、补充、完善的深化设计，满足可施工性的要求；为了最大化利用太阳光的辐射能量，最大化发挥光伏产品的性能，最大化提高发电量，建筑光伏系统投入使用后，还需定期进行维护，如定期对表面进行清洁维护等。

参考文献：

1)《建筑光伏系统应用标准》GB/T51368-2019

2)《光伏发电系统接入配电网技术规定》GB/T29319-2012

3)《光伏发电站设计规范》GB50797-2012

4)《并网光伏发电专用逆交器技术要求和试验方法》GB/T30427-2013

5)《建筑一体化光伏系统电气设计与施工》15D202-4

6)《低压电气装置第7-712部分:特殊装置或场所的要求太阳能光伏(PV)电源系统》 GB/T 16895

7)《光伏发电站防雷技术要求》GB/T32512-2016