小型公共建筑光伏发电设计难点分析.pdf

铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）78建筑绿色化和低碳化是我国今后主要发展内容，能源的可持续发展与安全问题将是未来发展绿色节能建筑的主要矛盾之一。对于这个问题，大力发展新能源成为解决之道。我国的太阳能储备丰沛，通过使用光伏板，可以将太阳能转化为电能，并且在能源转化过程中，对环境绿色无害，是适合大力发展的新能源之一。不同于大型建筑，小型公共建筑通常层数少、面积小，在这种情况下，如何选择合适的太阳能系统、如何合理设计是设计师应当思考和讨论的重点。1 光伏发电原理目前我国运用太阳能的主要手段之一就是光伏发电，这种方式在光照充足、日照时间长的地区有较为广泛的发展和推广，光伏发电系统的核心是太阳能光伏板，除此之外，光伏发电系统还包括逆变器、配电端、储能设施等1，光伏发电系统能将太阳能转换为电能并存储后供用电端使用或上传至电网，现在光伏发电系统已成为我国诸多新能源生产形式的重要组成部分之一2。光伏发电主要的工作原理是利用半导体界面的光生伏特效应，将太阳能转化为电能，再利用光伏逆变器使光伏电能由直流电转变为交流电3。光伏发电及控制流程如图 1 所示4。图 1 光伏发电及控制流程2 基于不同安装方式的两种光伏系统根据在建筑中光伏系统的不同安装方式，可以简单的将光伏系统分为两种：附加型（BAPV）和一体化型（BIPV）5。2.1 附加型（BAPV）BAPV 系统是指附着在建筑物上的太阳能光伏发电系统，也称为“安装型”太阳能光伏建筑，BAPV系统安装示意图如图 2 所示。BAPV 的光伏组件通常附着于屋面，不破坏或削弱原有建筑物的功能。BAPV 系统具有安装简单方便、成本较低、光伏发电小型公共建筑光伏发电设计难点分析肖茗方（广东省铁路规划设计研究院有限公司 广州 510000）【摘 要】随着相关政策的出台，光伏系统在新建民用建筑中的应用越来越广。根据建筑特点与实际需求，设计师应选择基于不同安装方式的光伏系统。本文主要讨论受限于屋顶面积小等问题的小型公共建筑的光伏系统设计。【关键词】光伏发电 光伏建筑一体化（BIPV）附加型太阳能光伏发电（BAPV）Analysis of Design Diffi culties of Photovoltaic Power Generation for Small Public BuildingsXIAO Mingfang（Guangdong Provincial Railway Planning and Design Institute Co.，Ltd Guangzhou 510000）Abstract:With the introduction of relevant policies,the photovoltaic system is more and more widely used in new civil buildings.According to the characteristics of the building and the actual needs,designers should choose photovoltaic systems based on different installation methods.This paper mainly discusses the photovoltaic system design of small public buildings limited by some problems such as small roof.Key words:Photovoltaic power generation,Building Integrated Photovoltaic(BIPV),Building Attached Photovoltaic(BAPV).小型公共建筑光伏发电设计难点分析 肖茗方792023 No.4转化率高等优点，其缺点是对屋顶面积占用较多、增加建筑负载、影响建筑屋面效果等5。图 2 BAPV 系统安装示意图2.2 一体化型（BIPV）BIPV 是与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，也称为“构建型”和“建材型”太阳能光伏建筑，BIPV系统安装示意图如图 3 所示。它作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，还能够提高建筑物的太阳能利用率6。图 3 BIPV 系统安装示意图2.3 BAPV 与 BIPV 的分析比较BIPV 系统的应用广泛且多样，根据不同的建筑条件，在建筑外立面、屋面、遮阳棚等部位应用。但相较于 BAPV 系统，BIPV 系统存在光伏发电转换率较低的缺点。因此在实际应用过程中，设计和安装时通常需要扩大光伏组件的安装面积，来保证光伏组件与周边建筑材料在颜色或样式上能够形成统一，这将导致 BIPV 系统的安装成本从某种程度上来说高于BAPV 系统的安装成本5。3 设计难点分析在一般的建筑绿色化和低碳化设计中，设计师普遍采用的光伏发电设计方式为 BAPV 系统，主要因为BAPV 系统的光电转换效率更高，也更加适用于改造项目，可以直接将光伏板安装至已经建成的建筑屋面、外墙上，相较于 BIPV 系统，BAPV 系统在设计中的使用更为广泛。但是小型公共建筑具有建筑面积小的特点，如果我们采用 BAPV 安装方式，则会面临几个难题：第一，能够用于安装光伏板的屋顶面积有限，转化太阳能得到的电能较少；第二，如果我们采用离网、自发自用模式，因为电能太少，对于建筑用电并无太大节能作用；第三，如果采用并网模式，得到的电能过少，可能并不会降低电费成本，因为还要将电送至电网，成本甚至可能因此更高。以广州市南沙区某公交首末站工程、垃圾压缩站工程为例，由于广州市住房和城乡建设局发布了贯彻执行建筑节能与可再生能源利用通用规范（强制性工程建设规范）的通知，该规范在第 5.2 条要求新建建筑应安装太阳能系统7，因此公交首末站工程和垃圾压缩站工程在设计时需要考虑在这两个小型公共建筑中安装太阳能系统。这两个小工程的设计难点十分典型，建筑体量小，建筑面积小，如果采用电力设计的一般思路，太阳能系统采用光伏发电的 BAPV 系统，则面临上述问题，实际上并不会使建筑达到电能节能的作用。如果不使用光伏发电系统，采用太阳能热水器的形式令建筑具备太阳能系统功能来响应规范要求，但是由于这两个工程的主体建筑的功能为办公，没有淋浴功能，太阳能热水器在这里的使用同样非常鸡肋，甚至可能会增加造价。在响应规范的条件下，如何更好、更合理地令小型公共建筑具有太阳能系统是我们需要讨论的问题。4 解决方式探讨对于上述类型的小型公共建筑，如果建筑单体有淋浴功能，那么这是最简单的情况，电力设计可以放弃采用光伏发电系统，由给排水专业设计太阳能热水器，电力设计只需要为热水器提供电源和防雷。但是对于没有淋浴功能的建筑单体，尤其在南方地区，冬季温度不低，在对于热水的需求并不高的情况下，电力设计应考虑采用光伏发电系统。相较于BAPV 系统的模式，BIPV 系统模式具有太阳能利用率更高的优势，更能达到实际绿色化建筑的目的，在新建小型公共建筑中，显然 BIPV 系统的模式更适用于小型公共建筑。BIPV 系统的适用范围很广，除了将光伏板作为屋顶使用之外，还有很多种方式。铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）80例如山东大学国家大学科技园的露天停车场采用光伏车棚，以光伏板作为停车棚，可以提供遮阳、遮雨的功能之外，晴天时还可同时发电。再例如刘嘉懿等人模拟研究了广州办公建筑光伏建筑一体化遮阳百叶系统6，研究者将建筑百叶外遮阳与光伏发电组件相结合，生成一套立面 BIPV 百叶遮阳系统，以此来达到增加可再生能源的利用率8。以及王君等人关于太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）的研究9，研究者将太阳能光伏光热综合利用技术与建筑一体化，例如光伏光热屋顶、墙体、窗户、遮阳等，在发电的同时，利用在发电过程中电池产生的热量，以此达到高品质电力和低品质热能的用户需求10。以上三个例子中，均可以作为我们的设计参考，考虑 BIPV 系统安装模式，与建筑设计相结合，增加光伏发电面积，以此来提高太阳能的利用率，达到实际节能效果。采用 BIPV 系统安装模式后，还存在电力专业与建筑专业、结构专业的设计接口问题。电力设计应与建筑设计统一意见，探讨决定光伏组件与建筑物哪一部分融合；还应请结构专业核算载荷是否满足需求，做到各专业之间的同步统一。在此基础上，电力设计还应当思考光伏发电系统应用模式和对象。如前文所述，光伏发电有离网和并网两种模式，对于这类小型公共建筑来说，即使是采用 BIPV 系统安装模式，其发电规模和发电量也很难达到大型建筑甚至光伏发电厂的水平，并且采用并网模式时，还需要考虑并网所产生的成本问题。因此相比之下更优的方式是采用离网模式，自发自用。在离网模式下的光伏发电系统接入配电箱，由于小型公共建筑的光伏系统每日的发电量有限，相较于接入动力配电箱，照明用电量小，光伏发电系统接入照明配电箱使用更为合理。5 结论目前来说，BIPV 具有高定制化特征，对厂家的光伏组件设计开发和传统建材的设计施工能力都有较高要求11。作为我国推动能源结构转型的重要保障，随着环境问题日益严峻，我国通过优化产业结构体系加快太阳能光伏产业的发展，不断出台保障政策，与此同时，太阳能产业不断扩大规模，逐渐完善相关技术体系，并加快健全太阳能产业配套，在未来，采用BIPV 系统融入新建建筑的形式也将会是趋势12。实际上，无论是小型公共建筑，还是高层公共建筑，只要是面临屋面面积较小问题的建筑而言，设计人员采用 BIPV 系统，结合幕墙、外窗等实际情况，将光伏组件融合于建筑内，不仅增加建筑的美观，也能更好地达到实际节能需求，实现功能性和观赏性的有机融合。参考文献1 GB T 51368-2019建筑光伏系统应用技术标准.2 高长伟，刘晓明，孟昭军.分布式光伏发电系统改进虚拟同步发电机控制J.太阳能学报，2021，42（2）：376-382.3 李晓瑜.光伏新能源技术在建筑电气节能中的应用J.光源与照明,2021(12):145-146.4 沈弘.光伏新能源技术在城市智能建筑电气中的应用 J.光源与照明,2022(08):75-77.5 唐家玮.基于不同安装方式的光伏系统在建筑中的应用对比以徐州市某综合体建筑项目为例 J.房地产世界,2022,(21):138-141.6 戴军,宋占强.某体育中心屋顶光伏系统的设计探讨 J.山 西 建 筑,2015,41(16):121-123.DOI:10.13719/14-1279/tu.2015.16.068.7 GB 55015-2021建筑节能与可再生能源利用通用规范.8 刘嘉懿,毕广宏,赵立华.广州办公建筑光伏建筑一体化遮阳百叶系统模拟研究 J.建筑节能(中英文),2022,50(09):57-61.9 王 君,余 本 东,王 矗 垚,季 杰.太 阳 能 光 伏光 热 建 筑 一 体 化（BIPV/T）研 究 新 进 展 J.太 阳 能学报,2022,43(06):72-78.DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1029.10 CHOW T T.A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technologyJ.Applied energy，2010，87（2）：365-379.11 任小玲,周逸铖,杨晨旭.光伏建筑一体化应用 及 经 济 效 益 分 析 J.建 筑 经 济,2022,43(S1):975-978.DOI:10.14181/ki.1002-851x.2022S10975.12 王 捷,林 余 杰,吴 成 坚,杨 斌 浩.碳 中 和 背景 下 太 阳 能 光 伏 产 业 现 状 及 发 展 J.储 能 科 学 与 技术,2022,11(02):731-732.收稿日期：2023-2-11