太阳能光伏建筑一体化(BIPV)

太阳能光伏建筑一体化－BIPVBuilding Integrated Photovoltaic 一、 BIPV 的基本概念1 Basic Concepts（一） 、BIPV 的定义1.1 Definition所谓太阳能光伏建筑一体化是将太阳能利用设施与建筑有机结合。BIPV is a solar energy utilization mode which is combined with buildings. 从光伏方阵与建筑墙面、屋顶的结合来看，主要为光电采光顶和光电幕墙，前者是将光伏方阵作为建筑材料结构的功能部分，包括用太阳电池组件取代传统的屋顶覆盖层或替代屋顶保温层等；后者仅把特制的光伏组件作为建材的一部分，是在完整的建筑物上增加光伏方阵。BIPV can be divided into photoelectric lighting roof and photoelectric wall. The former uses the solar cells array as structure material and solar modules replace traditional roof facing or roof heat preservation layer; the latter adds the solar cells array which is used as part of construct material to integral buildings. 屋顶系统 墙面系统Roof system Wall system 而光伏组件与建筑的集成来讲，主要有光电幕墙、光电采光顶、光电遮阳板等形式，这种集成既消除了太阳能对建筑物形象的影响，又避免了重复投资，降低了成本。There are several integrated patterns between photovoltaic modules and buildings named photoelectric lighting roof, photoelectric wall, photoelectric sun visor and so on. Each of them not only reduces the cost but also keep the image of buildings.光电幕墙 光电采光顶photoelectric wall photoelectric lighting roof公交站光伏遮阳顶photoelectric sun visor of bus station光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。太阳能光伏建筑一体化是未来太阳能技术发展的方向。BIPV is a new energy utilization pattern in which the photovoltaic system depends on buildings. Buildings are the main part while photovoltaic systems are sections. This technology indicates the direction of solar energy utilization technology.（二）、BIPV 的特点1.2 Characteristics 1、把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，取代了传统太阳能的结构所造成的对建筑的外观形象的影响。1、BIPV takes solar energy using into consideration in the total environment design and makes architecture, technology and aesthetics integrate. The solar installation of BIPV is quite different from the traditional one because it does not affect the image of buildings at all. 2、利用太阳能设施完全取代或部分取代屋顶覆盖层，可减少成本，提高效益；可用于平屋顶或斜屋顶，一般对平屋顶而言用覆盖式，对斜屋顶用镶嵌式。2、BIPV uses solar installation to take the place of roof coatings totally or partly. As a result, cost is reduced and interest is increased. In BIPV modules often cover all over the flat roofs while inlay into the sloping roofs.3、适用于城建较严格，安装规范、美观的住宅小区、高层楼群、别墅等；对于新建小区和旧房改造，一般使用单台集体购买统一安装的形式；安装规范，便于管理；可以作为楼盘推销的卖点；目前还没有支持光伏系统和光伏发电的房地产税。3、BIPV is applicable to small districts high towers and villas which have high construction standard. In regard to new building construction and old building alteration BIPV also should be installed standard. So it is convenient to operate and administrate the system. BIPV is always helpful in selling new house but there are still no tax rules about this.4、可原地发电、原地使用，减少电能运输过程的费用和能耗；节省建筑和系统建造成本，美化建筑物外观；能提供并网支持，尤其是在夏季有负荷的地区，创造了一种多样的且可恢复的能源系统；能为电网高峰期提供电能，缓解高峰供电需求，具有极大的社会效益。4、BIPV can make electric energy local and it reduces the energy loss and cost generated in transmission greatly. It also can save the expenses in construction and prettify the buildings. Further more BIPV could be connected to State Grid and provides electric energy to the grid when the load is so high that the grid can not make it only. Overall BIPV and the grid together conform a self-recoverable energy system.5、避免了墙面和屋顶由太阳直接照射引起的温度过高，降低空调能耗；无污染，不排放温室气体，对于环保事业具有举足轻重的作用。5、BIPV prevents the high temperature of roofs and walls caused by exposure in direct sunlight. Therefore the energy depletion of air conditionings is made lower. Besides BIPV has zero emission of warm house gases and it takes decisive effect on the entire environment protection enterprise. （三）、BIPV 的战略意义1.3 Strategic meaning1、对解决我国的能源和环境问题意义重大。BIPV 的大力推广，使得太阳能光伏系统得以普遍使用。一方面，它可以改善目前太依赖常规能源的能源结构，为我们指出未来能源开发的方向；另一方面，它是真正的清洁能源，对改善和保护环境具有显著的成效。预计到 21 世纪中叶，中国的能源结构中新能源将占据 52％，而其中太阳能（包括光热和光电）占绝大部分。1、BIPV is unconditional important in solving the energy and environment crisis in China. 2、对国际能源发展战略具有深刻影响。在光伏建筑方面，德国、日本走在了前面，代表了人类可再生能源利用的发展方向。而西班牙、意大利、美国等发达国家也在大力发展太阳能光伏事业。预计在 2030 年左右，很多国家的新能源利用率要超过常规能源利用率。作为一种先进的能源利用技术，光伏发电技术的竞争直接决定了未来国家在国际社会中的科技实力和国际地位。因此，我们必须大力发展太阳能光伏事业。而 BIPV 就是该事业中最有效的方法。3、竞争归竞争，BIPV 的发展对于整个人类社会的进步具有巨大的推动力。它提出了“建筑物产生能源”的新概念，集发电、装饰和环保于一体，对解决整个人类社会的能源危机和环境污染具有指导性的意义。因此，它必将是 21 世纪能源与建筑市场的最亮点。二、BIPV 的分类和评价标准太阳能光伏建筑集成光伏系统的组件包括三种：建筑屋顶一体型组件、建筑幕墙一体型组件以及柔软型组件。（一） 、BIPV 组件类型1、建筑屋顶一体型组件建筑屋顶一体型太阳电池组件是指在屋顶的表面将太阳电池组件、屋顶的基础部分以及屋顶材料等组合成一体的屋顶层。建筑屋顶一体型太阳电池组件按建筑物上的安装方式，可以分成可拆卸式、屋顶面板式以及隔热式。建筑屋顶一体型它们的优点是：a. 太阳电池设置的部分可以省去屋顶瓦，从而可以降低成本，与框架式设置方法相比可以节约 50%的工时；b. 可以省去太阳电池下面铺设的屋顶材料，可以减轻屋顶的重量；c. 与平板瓦一样可以最大限度利用屋顶的面积，且外观也很美观。2、建筑幕墙一体型组件建筑幕墙一体化太阳电池组件适用于高层建筑物。作为壁材和窗材使用，建筑幕墙一体化太阳电池组件可分为：玻璃壁式建筑幕墙一体化太阳电池组件、金属壁式建筑幕墙一体化太阳电池组件等。建筑幕墙一体型3、柔性式建筑一体化太阳电池组件主要用于窗户玻璃、曲面建筑物等。柔性式建筑一体型（二） 、BIPV 评价标准光伏发电系统可以以优雅美学的方式集成在建筑物上，从而成为建筑物整体的一部分。衡量高质量建筑一体化项目，需要一些衡量标准，尽管大多数光伏建筑达到了好的技术性能，但是光伏系统与建筑的集成不是很好，同时建筑的质量也经常不很令人满意。一个集成度很好的项目，其建筑质量需要达到高的标准，同时建筑本身的质量以及光伏系统的技术性能也需要满足要求。1、自然集成 自然集成即光伏系统成为建筑物的自然逻辑部分，如果没有光伏发电系统，建筑物就像缺少什么，光伏发电系统与建筑物俨然构成一个不可分割的整体。2、建筑物令人满意 基于一个好的设计，光伏发电系统是否给设计增加了一些吸引眼球的特色。建筑物应该看起来比较吸引人，同时光伏发电系统也很明显地改善了设计，这是个非常直观的问题，毫无疑问，人们觉得有些建筑就是比其他建筑更具有吸引力。3、组成结构完善 光伏组件的颜色和质地需要与其他润色材料相一致。在大多数情况下，光伏系统是按一定的方式生产的。例如，用无框架组件取代有框架组件，采用特别的光伏技术可以获得适合的颜色、透明度、形状以及质地。4、栅格、融合以及组成 光伏系统的尺寸要与建筑物的尺寸以及建筑物上的栅格像匹配，这些决定了组件的尺寸以及建筑物上使用的栅格条的尺寸。5、整体融合 建筑的整个外表应该与光伏系统相融合，并与建筑物整体相一致。在具有历史意义的建筑物上，倾斜型光伏发电系统比大个组件耐看。同样，采用高科技的光伏发电系统应更适合高科技建筑。6、程质量良好 这不仅涉及到建筑的防水、可靠性，还包括细节的完美，细节部分是不是经过详细的构思，设计者是否注意到了细节部分？材料是否浪费？这些都决定了工作细节的效果。7、设计创新 光伏发电是一种技术创新，因此需要在建筑物上有创新的思维，新思维能够增强光伏市场，增加建筑物的价值。三、BIPV 的设计（一） 、设计原则光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统。因此，BIPV 设计应以不损害和影响建筑的效果、结构安全、功能和使用寿命为基本原则，任何对建筑本身产生损害和不良影响的 BIPV 设计都是不合格的设计。（二） 、建筑设计BIPV 的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地的地理气候条件及太阳能的资源情况进行分析，这是决定是否选用 BIPV 的先决条件；其次是考虑建筑物的周边环境条件，即选用 BIPV 的建筑部分接受太阳能的具体条件，如被其他建筑物遮档，也不必考虑选用 BIPV；第三是与建筑物的外装饰的协调，光伏组件给建筑设计带 来了新的挑战与机遇，画龙点睛的 BIPV 设计会使建筑更富生机，环保绿色的设计理念更能体现建筑与自然的结合；第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。（三） 、发电系统设计BIPV 的发电系统设计与光伏电站的系统设计不同，光伏电站一般是根据负载或功率要求来设计光伏方阵大小并配套系统，BIPV 则是根据光伏方阵大小与建筑采光要求来确定发电的功率并配套系统。BIPV 光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。1、光伏方阵设计光伏方阵设计，在与建筑墙面结合或集成时，一方面要考虑建筑效果，如颜色与板块大小；另一方面要考虑其受光条件，如朝向与倾角。2、光伏组件设计光伏组件设计，包括电池片的选型（综合考虑外观色彩与发电量）、布置（结合板块大小、功率要求、电池片大小）和组件的装配设计（组件的密封与安装形式）。3、光伏发电系统的设计光伏发电系统的设计，即系统类型（并网系统或独立系统）确定，控制器、逆变器、蓄电池等的选型，防雷、系统综合布线、感应与显示等环节设计。（四）结构安全性与构造设计1、结构安全性设计光伏组件与建筑的结合，结构安全性涉及两方面：一是组件本身的结构安全，如高层建筑屋顶的风荷载较地面大很多，普通的光伏组件的强度能否承受风压变形时是否会影响到电池片的正常工作等。二是固定组件的连接方式的安全性。组件的安装固定不是安装空调式的简单固定，而是需对连接件固定点进行相应的结构计 算，并充分考虑在使用期内的多种最不利情况。建筑的使用寿命一般在 50 年以上，光伏组件的使用寿命也在 20 年以上，BIPV 的结构安全性问题不可小视。2、构造设计构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。（五） 、BIPV 对光伏方阵和光伏组件的要求1、影响 BIPV 发电的因素简单地讲，影响光伏发电的有两个方面。一是光伏组件可能接受到的太阳能，二是光伏组件的本身的性能。建筑本身所处的自然条件是客观的，我们只能被动接受；对于光伏组件而言，光伏方阵的倾角、光伏组件的表面清洁度、光伏电池的转换率、 光伏电池的工作环境状态等是我们在设计过程中应该考虑的。2、BIPV 对光伏方阵的布置要求对于某一具体位置的建筑来说，与光伏方阵结合或集成的屋顶和墙面，所能接受的太阳辐射是一定的。为获得更多的太阳能，光伏方阵的布置应尽可能地朝向太阳光入射的方向，如建筑的南面、西南、东南面等。3、BIPV 对光伏组件的要求BIPV 将太阳能光伏组件作为建筑的一部分，对建筑物的建筑效果与建筑功能带来一些新的影响。作为与建筑结合或集成的建筑新产品，BIPV 对光伏组件提出了如下新的要求：（1）颜色与质感需要与整座建筑物协调。（2）强度上要能够抗一定的风压（采用增厚玻璃来实现） ，同时还要具有一定的抗变形能力，使组件在风荷载产生一定变形的条件下正常工作。（3）在光伏组件与建筑集成使用时，如光电幕墙和光电采光顶，通常对它的透光性会有一定要求。这对于本身不透光的晶体硅太阳电池而言，在制作组件时采用双层玻璃封装，同时通过调整电池片之间的空隙来调整透光量。（4）目前市场上大部分的光伏组件的为用于光伏电站和与光伏电子产品配套，规格相对比较单一，不能适应建筑多样化与个性化的要求。用于 BIPV 的光伏组件，需要结合建筑的不同要求，进行尺寸和外形的专门设计和生产。四、BIPV 的实施步骤太阳能光伏发电系统是一种高科技电源，无论其功率大小，都应当按照系统设计、施工（安装）设计进行。系统容量越大，电流电压越高。越要注意安装、调试及运行维护过程中的人身安全、用电安全、结构安全及工程安全问题，尤其需要接受过专业培训的合格工程技术员参与。（一） 、必须要把握安装太阳能光伏发电系统的一般规定1、太阳能光伏发电系统的安装应符合设计要求。2、编制施工方案。并应包括与主体结构、设备、建筑及环境相协调的配合方案及安全措施。3、安装前太阳能光伏发电系统应具备下列条件：设计文件齐备，并已审查通过；施工组织设计或施工方案已经批准；施工场地符合施工组织设计要求等。4、施工过程中，不应破坏建筑物的结构和建筑物的附属设施，需要不得已造成局部破损，应在施工后及时修复。应对设备采取保护措施，严格按照施工顺序施工。首先时基座施工，然后是架体安装，再厚是组件安装，最后是电气系统安装。5、施工过程应注意对组件的保护和对施工人员人身安全的保障。6、按设计设置牢固、平整的基座和组件支架，做好防水、防腐等措施，施工完按照国家标准《屋面工程质量验收规范》GB50207-2002 和国家标准《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》GB50212-2002、 《建筑防腐蚀工程质量检验评定标准》GB50224-1995 验收。钢结构的焊接应符合国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001 的要求。7、太阳能电池组件之间的连接方式，应按设计规定。互相间的上下左右防雨连接结构必须严格施工，严禁漏水、漏雨，外表必须整齐美观，避免光伏组件受力扭曲。8、电气装置安装应符合现行国家标准《建筑电气安装工程施工质量验收规范》GB50303 的相关要求；电缆线路施工和电气系统接地应符合现行国家标准《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168 的相关要求。（二） 、必须要解决 BIPV 核心问题以及电学方面的问题1、核心问题是确立组件数、组件尺寸、集成在屋顶或正面发电系统的整体尺寸。2、避免安装时产生阴影，考虑安装倾角、建筑物距离、安装方向以及反射强光这些对阵列产生阴影的因素，合理合计和安装。3、选择合适的逆变器。4、考虑温度影响。一方面在高温时做好通风措施，降低组件温度，提高效率；另一方面在低温下产生冰雪情况下，把组件设计成可以很顺利让冰雪滑走的结构。（三） 、政府要出台一些 BIPV 实施政策以及办法1、政府要大力支持，采用上网电价补助政策，制定合理的上网电价。建设部门也应该制定相应的政策，鼓励和激励房地产商大力采用光伏发电技术。政府要带头大力推广太阳能技术，有可能应率先在政府大楼、公共建筑、市政工程中推广太阳能光伏发电系统使用。2、制定符合我国国情的太阳能为主的激励政策，确定年度、中、长期发展目标，并建立检测、评估与监督机制，以促进我国光伏建筑快速健康的发展。3、加大研究开发的投入，从技术创新和突破上加快降低光伏产品成本的步伐，争取在不远的将来太阳能光伏发电成本与电网电价基本一致。4、加强与国际合作和技术交流，促进我国光伏技术、产业和市场的发展。五、BIPV 项目简介（一） 、洛阳中硅 14KWpBIPV 并网电站1、建筑物概况 该建筑位于河南省洛阳市高新技术产业开发区，是国家硅材料工程技术研究中心的研发楼，此建筑为三层建筑，建筑物为东西走向，楼顶面积 18*82.5m2，楼顶有五大块倾角为 20 度的采光顶，其中两块为两道楼梯采光顶，面积均为 12*4 m2，其余三块面积分别为16.95*6 m2、18.9*6 m 2、16.95*6 m 2，如图示，这三块采用 BIPV 形式。建筑物概况2、组件参数（1）组件结构：4mm 玻璃＋胶膜及硅电池＋8mm 玻璃＋中空层＋12mm 夹胶玻璃;（2）标准测试条件（1000w/m2,25 ±2°C, AM 1.5)下：峰值功率 (Pmax)：110W 开路电压 (Voc) ：33.6V 短路电流 (Isc) ：4.46A 峰值电压 (Vmp) ：26.8V 峰值电流 (Imp) ：4.10A3、系统组成此 BIPV 并网电站是由 CSI 阿特斯设计建造，于 07 年 7 月建成并运行至今。光伏系统主要由太阳能电池阵列、并网逆变器、远程数据采集及监控系统、阵列架体、监控主机、低压交流屏配电柜和数据显示屏组成。此外，为彰显展示效果，特设 LED 数据显示屏一块，以显示系统运行状况及主要数据。4、特点使建筑物的外观更有魅力，既可发电又可采光、保温隔热、防水防潮，节能又环保；避免了屋顶温度过高，降低了空调负荷，并改善了室内环境；光伏阵列可代替常规建筑材料，节省材料费用，寿命周期内降低了建筑成本；充分利用空间节能，建筑物能为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地；结构安全可靠；光伏阵列的安装 连接很简便，建筑施工时间缩短；安装与建筑施工结合，省去输电费用，节省安装成本；分散发电，避免传输和分电损失（5～10%） ，降低输电和分电投资和维修成本。（二） 、北京 66KW BIPV 奥运景观灯柱项目1、我公司参与的奥运 BIPV 项目的情况介绍位置：在水立方和鸟巢之间的奥运大道上，是奥运的中心区，也是奥运的主要休闲的中心地区。内容：太阳能双玻遮阳篷，为信息树提供电源。规模：共 29 个信息柱和遮阳蓬，约 125K 瓦；我方占 15 个，共 66KW。阿特斯的 BIPV 就在鸟巢,水立方的旁边，在北京的中轴线上。CSI 的 BIPV 组件在中国的奥运场址的最显著的地方展示着阿特斯人的风貌和骄傲。奥运景观工程 CSI 的 BIPV 组件在奥运大道的安装的照片。施工图2、系统组成（1）组件结构：6mm 玻璃＋胶膜及硅电池＋14mm 夹胶玻璃 。（2）标准测试条件（1000w/m2,25 ±2°C, AM 1.5)下：峰值功率 (Pmax)：88W 开路电压 (Voc) ：23.6V 短路电流 (Isc) ：4.97A 峰值电压 (Vmp) ：18.8V 峰值电流 (Imp) ：4.68A。完工图（三） 、洛阳阿特斯二期约 12KWp 光电采光顶工程1、组件结构6mm 玻璃＋胶膜及硅电池＋6mm 玻璃＋中空层＋12mm 夹胶玻璃。2、组件参数标准测试条件（1000w/m2,25 ±2°C, AM 1.5)下：峰值功率 (Pmax)：111W 开路电压 (Voc) ：44.39V 短路电流 (Isc) ：3.66A 峰值电压 (Vmp) ：33.58V 峰值电流 (Imp) ：3.32A