0引言

能源建筑就是利用太陽能集熱器和光電設備來收集和存儲太陽能,從中所獲取的電能不僅可以滿足建筑物自身的需要,而多余出來的電力還可以輸送到公共電網或者其他的建筑。將耗能建筑逐步轉化為能源建筑已成為人類面臨的一大課題。而太陽能的利用,特別是硅片技術的發展進而推動光電設備的進步給這一課題帶來了希望。

1太陽能在建筑中的利用

在德國,先進的太陽能集熱器m2/a提供的能量等于燃燒40L燃煤或者400m3天然氣,這不僅節約了資源,還大大減輕了二氧化碳對環境的污染。此外,一臺太陽能集熱器設備在大約1a內產生的能量足以用于生產一臺新的太陽能集熱器,所以,1a后它就真正成為一個能量的來源。我國具有豐富的太陽能資源,每年照射時在2200h以上地區約占國土面積的2/3以上,年輻照量超過600MJ/m2,每年地表吸收的太陽能相當于17萬億t標準煤的能力,約等于上萬個三峽工程發電量的總和。如此豐富的太陽能資源使我國較早就開始利用太陽能。近幾年,太陽能科技突飛猛進,太陽能產品不斷升級。特別是硅片技術的發展,使得太陽能在建筑領域有了長足的發展。我國太陽能建筑領域中技術最成熟、應用范圍最廣、產業化發展最快的是家用太陽能熱水器(系統),其次是被動式采暖太陽房。同時,太陽能光伏技術和照明技術通過若干建筑示范工程實踐,也積累了相當的應用數據和經驗。如昆明冶研新材料股份公司的3000t多晶硅產業化項目就部分采用了太陽能光伏技術發電。

2.1能源與建筑的一體化(BIFV)設計

2.1.1設計原則

光伏建筑一體化是光伏系統依賴或依附于建筑的一種新能源利用形式,其主體是建筑,客體是光伏系統。因此,BIPV設計應以不損害和影響建筑的效果、結構安全、功能和使用壽命為基本原則,任何對建筑本身產生損害和不良影響的BIPV設計都是不合格的設計。

2.1.2建筑設計

BIPV的設計應從建筑設計入手:①對建筑物所處的地理氣候條件及太陽能的資源情況進行分析,這是決定是否選用BIPV的先決條件;②考慮建筑物的周邊環境條件,即選用BIPV的建筑部分接受太陽能的具體條件,如被其他建筑物遮檔,也不必考慮選用BIPV;③與建筑物的外裝飾的協調,光伏組件給建筑設計帶來了新的挑戰與機遇,畫龍點睛的BIPV設計會使建筑更富生機,環保綠色的設計理念更能體現建筑與自然的結合。④考慮光伏組件的吸熱對建筑熱環境的改變。光電的能量轉換需要足夠的陽光接受面,而建筑物本身就是一個理想的受光載體,國外把外墻的玻璃裝飾與光電元件有機地結合起來,取得了許多經驗。例如,德國柏林能源論壇大廈僅利用斜度為8度的屋頂和建筑物的局部西南向外墻(斜度為80度)上就安裝了總功率約55kWp的光伏設備。彼得斯山天主教鄉村大學校舍也是利用外廊通道和南側玻璃房安裝光電設備,所有部件安裝在結構上,使錐形的玻璃與之結合緊密,形成一體。這套設備還具有雙重功效,一方面發電,另一方面又能在柱廊通道里達到必要的遮陽效果。柱廊通道中的電氣連接裝置做的非常小,從而能將包括避雷針和光電設備配線在內的纜線鋪設在拱形的T字梁中,并把暴露在外的設備顏色與整體建筑設計協調一致。如果把光電設備置于屋頂,還可以起到隔熱保溫的效果。光電設備與建筑設計有機結合將是未來建筑設計的一大亮點,有可能是未來建筑裝飾材料發展的方向。

2.1.3發電系統設計

BIPV的發電系統設計與光伏電站的系統設計不同,光伏電站一般是根據負載或功率要求來設計光伏方陣大小并配套系統,BIPV則是根據光伏方陣大小與建筑采光要求來確定發電的功率并配套系統。BIPV光伏系統設計包含3部分,分別為光伏方陣設計、光伏組件設計和光伏發電系統設計。1)光伏方陣設計,在與建筑墻面結合或集成時,一方面要考慮建筑效果,如顏色與板塊大小;另一方面要考慮其受光條件,如朝向與傾角。2)光伏組件設計,涉入電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發電量)與布置(結合板塊大小、功率要求、電池片大小進行);組件的裝配設計(組件的密封與安裝形式)。3)光伏發電系統的設計,即系統類型(并網系統或獨立系統)確定,控制器、逆變器、蓄電池等的選型,防雷、系統綜合布線、感應與顯示等環節設計。

2.1.4結構安全性與構造設計

光伏組件與建筑的結合,結構安全性涉及兩方面:①組件本身的結構安全,如高層建筑屋頂的風荷載較地面大很多,普通的光伏組件的強度能否承受風壓變形時是否會影響到電池片的正常工作等。②固定組件的連接方式的安全性。組件的安裝固定不是安裝空調式的簡單固定,而是需對連接件固定點進行相應的結構計算,并充分考慮在使用期內的多種不利情況。1)設計中應注意兩點:①方陣場地的選擇避免陰影影響,各方陣間應有足夠的間距,以保證全年每天當地時間上午9時至下午3時之間光伏電池組件無陰影遮擋;②將方陣場地表面層切實夯實,并于場地周圍設計排水溝。2)方陣傾角設計計算。根據當地地理、交通、居民文化水平等情況確定采用固定式支架。為了全年均可較好地接受太陽輻射能量,方陣傾角確定為當地緯度+5°,即32°十5°=37°3)光伏方陣方位角選擇為使方陣全年接受日光照射的時間最長,選擇的方位角為正南。4)光伏方陣間距設計計算。D=0.707H/tan[arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)]H=1480mm(φ選取37°)于是有D=0.707×1480/tan[arcsin(0.648cos37°-0.399sin37°)]=3624mm,取3700mm5)光伏方陣支架設計地面安裝的光伏方陣支架采用鋼結構。鋼結構支架符合GB/T50250的要求,以保證光伏組件與支架連接牢固可靠,底座與基礎連接牢固。組件與地面距離設計為600mm。支架采用直接接地,支架與預埋螺栓連接的接地體接地電阻不大于10n,接地進行防腐及降阻處理。支架鋼結構件采用熱鍍鋅防銹處理,以滿足長期室外使用要求。光伏組件和方陣使用的緊固件采用不銹鋼螺栓。

2.1.5光伏組件設計

1)蓄電池配置注意事項。每只蓄電池應有生產合格證,合格證上應標明蓄電池型號和生產日期。制造商應提供型號產品國家認可質檢機構出具的質檢報告。蓄電池的生產時間靠近發貨日期,存放時間應不超過6個月。同一路充放電控制的蓄電池應采用同一生產廠家、同一規格和容量的產品,生產日期的間隔時間應不超過1個月。蓄電池的外觀無變形、漏液、裂紋及污跡,標志清晰。蓄電池的并聯組數量最多不超過6組。2)蓄電池連接電纜。蓄電池連接電纜端頭上設冷壓銅接頭。所選用的電纜銅接頭和接線端子的設計及尺寸應使其流過最大電流時的溫度不超過電纜絕緣的允許溫度。