双碳目标下建筑光伏一体化技术应用.pdf

双碳目标下建筑光伏一体化技术应用湖南省建筑设计院集团股份有限公司双碳工程研究中心 谢敏 1、背景介绍2 、光伏组件常见型式3 、建筑光伏结构结合型式4 、建筑光伏发电系统设计要点5 、光储直柔技术介绍6 、建筑光伏案例及软件应用 1、背景介绍 政策大力支持 1、背景介绍 20年4月1日-《建筑节能与可再生能源利用通用规范》 《规范》要求，新建、扩建和改建建筑以及既有建筑节能改造工程的建筑节能与可再生能源建筑应用系统的设 计、施工、验收及运行管理必须执行该规范。 《规范》提出，新建建筑群及建筑的总体规划应为可再生能源利用创造条件，建设项目可行性研究报告、建设 方案和初步设计文件应包含建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放分析报告。施工图设计文件应明确建筑节 能措施及可再生能源利用系统运营管理的技术要求 规范要求 城乡建筑屋顶及其他可获得太阳辐射表面的光伏发电应是我国未来大规模发展光伏发电的主要方向。 清华大学建筑节能研究中心、中国建筑设计研究院有限公司与自然资源部卫星信息研究所合作，利用高分卫星图片和现场抽样调查统计分析研究认为,我国城乡可用的屋顶折合水平表面面积为412亿m ，在充分考虑 各种实际的安装困难，留有充分余地后，可得到结论：城镇空闲屋顶可安装光伏发电容量 8.3亿kW ，年发电量1.3万亿kW· h；农村空闲屋顶可安装光伏发电容量197亿，年发电量95万亿 。城乡可安 装光伏发电容量2亿 ，超过我国规划的未来光伏装机总量的70％ ，潜在年发电量4.万亿·h，超过我国规划未来光伏发电总量的％。 1、背景介绍 电力能源规划 零碳情景下 20—6 年发电量结构 零碳情景下 20—6 年电源装机结构 Ø随着建筑节能的深入推进，超低能耗建筑、近零、零耗等新概念成为关注焦点。这些新型除了水平一步提高外了实现电力自产太阳可再生源技术的应用比例更Ø通过建筑光伏体化，深入挖掘建筑中光伏产能，使能大于或等全部能。1、背景介绍 建筑节能要求 2、光伏组件常见型式 Ø钢化玻璃—保护电池（透光性、高硬度）EVA薄膜粘接封装要求导铜带聚导太阳能片转化Ø光伏背板密绝缘防水铝合金边框—支撑、保护（强度耐腐蚀性）接线盒连常规光伏组件成： 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 多晶硅太阳能电池p层压前呈深蓝色，封装后天光转换效率稍低制造成本较p使用寿命长（20~5年）一按片材料分类 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 单晶硅太阳能电池p层压前呈深蓝色，封装后黑光转换效率高制造成本约束p使用寿命长（20~5年）一按片材料分类 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 硅基薄膜太阳电池p弱光相应好转换效率较低制造成本使用寿命长（10年以上）一按片材料分类 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池p 光电转换效率较高 制造成本低，可实现产业化一般设计使用时间20年一按片材料分类 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池p光电转换效率较高 制造成本低、制备条件苛刻池性能稳定尚未实现规模化生产一按片材料分类 2、光伏组件常见型式 太阳 能电 池 晶硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池铜铟镓硒（IGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（aAs）薄膜太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳电池p光电转换效率超高 制造成本昂贵常用于太空发一按片材料分类 2、光伏组件常见型式二按边框材料分类 塑料外框无框结构金属外框三、按安装选用 隐框式光伏组件无框式光伏组件明框式光伏组件 2、光伏组件常见型式 数据引自《智能建筑电气技术》（20第3期) 《“光储直柔”建筑电气设计探究》（莫理莉等） 2、光伏组件常见型式 部分厂家样本资料数据汇总 3、建筑光伏结构结合型式BIPV ：光伏建筑一体化 BAPV：安装型太阳能光伏建筑 p仅考虑发电利用闲置空间简单附着适用存量改造p 兼顾发电和外观充当建筑构件部分 与建筑一体成型同步设计、施工、安装屋顶\光伏幕墙\遮阳板\光伏天棚… 3、建筑光伏结构结合型式p屋顶 光伏采光顶（天窗） 功能：建筑效果/采光/遮风挡雨/结构强度 组件要求：透明（薄膜太阳能电池）类型：集成 优势：兼具美观、发电性能BIPV 光伏屋顶 功能：发电组件要求：普通光伏组件 类型：结合优势：经济性、最佳角度BAPV GB 503 建筑采光设计标准J2采光顶与金属屋面技术规程 安装倾角间隔放置 平屋顶：混凝土、彩钢板、钢结构 BT 51368-09规定:、光伏方阵应设置方便人工清洗、 维护的设施与通道；2、在平屋面防水层上安装光伏组件时， 其支架基座下部应增设附加防水层；3、光伏组件周围屋面、 检修通道、 屋面出入口和光伏方阵之间的人行通道上部宜铺设保护层。 3、建筑光伏结构结合型式p屋顶 光伏屋顶 功能：发电、美观组件要求：普通光伏组件/光伏瓦 类型：结合/集成优势：近最佳角度、自动清洗 光伏组件宜采用平行于屋面、 顺坡镶嵌或顺坡架空的安装方式； 通风散热要求、维护要求；组件与屋面的连接要求。 斜(坡)屋顶：单面坡屋顶、“人”字坡屋顶BIPVA 3、建筑光伏结构结合型式p幕墙 外挂幕墙 • 独立于建筑实墙构造变动小 有效保障通风及温度 框架式幕墙 • 构件替代防尘透光 保温隔热 双层幕墙 • 光伏置于外侧幕墙排风口降低温度 组件提效•室内遮阳 单元幕墙 • 加工阶段预制一体化整合 无线路走向和密封问题 3、建筑光伏结构结合型式p遮阳板 光伏水平遮阳•遮阳板：层间的窗间墙 光伏电池：遮阳板上方辐射：高度角较大、上 方投射•适用：中低纬度 光伏综合遮阳•遮阳板：窗户三侧 光伏电池：遮阳板上方+两侧• 辐射：高度角中等、窗前斜射 适用：东南向、西南向、高纬度南向 光伏垂直遮阳•遮阳板：主体结构柱 光伏电池：遮阳板两侧辐射：高度角较小、窗侧斜射• 适用：北向、北偏东、北偏西向窗口 光伏挡板遮阳• 遮阳板：窗口、透明墙光伏电池：遮阳板上方+表面 辐射：高度角较小、正射窗口•适用：东向、西向窗口 JGT 482-015 建筑用光伏遮阳构件通用技术条件 3、建筑光伏结构结合型式p遮阳板 3、建筑光伏结构结合型式p阳台雨棚车… 4、建筑光伏发电系统设计要点-资源分析 我国太阳辐射量分布图 一类地区 年太阳辐射总量680-4 MJ/m2，相当于日辐射量5.16.4KWh。 宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西和西藏西等地 二类地区 年太阳辐射总量- /，相当于日辐射量.5.1。 河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南甘肃中青海东部、西藏东部和新疆南部等地 三类地区 年太阳辐射总量50-8 J/2，相当于日辐射量3.4.Khm。 山、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部吉林、辽宁云南、陕西北部、甘肃东南部广东部福建南苏北、皖北、台湾西南等地 四类地区 年太阳辐射总量4- MJ/，相当于日辐射量.23.8W2。 湖、湖广西江、浙江、福建北部广东北部、陕南苏北皖南以及黑龙江、台湾东北部等地 五类地区年太阳辐射总量350- /，相当于日辐射量Kh。 四川、贵州两省 4、建筑光伏发电系统设计要点-资源分析 湖南年太阳总辐射分布图(单位：MJ/m2) 湖南省年太阳总辐射在 320MJ/m2～460MJ/m2之间，以湘东北洞庭湖区年总辐射较多，湘西山区 较少；超过 420J/的高值区出现在包括安乡、长沙、华容、澧县、临湘、汨罗、湘阴、沅江等县 市在内的洞庭湖地区以及汝城、宁乡等地，低于 360MJ/m2 的低值区出现在包括保靖、龙山、桑 植、永顺、花垣等县市在内的湘西北地区以及凤凰、新晃等地，其他大部分地区的年太阳总辐射在 360J/2 ～40MJ/m2之间。 4、建筑光伏发电系统设计要点-专业 建筑设计：根据建筑物的建筑造型确定太阳能光伏系统安装位置、色调、构造要求，安装幕墙的光伏系统还需 由幕墙公司进行深化设计。 结构设计：根据太阳能光伏系统各组成部分的构造和荷载进行结构设计和设置预埋件，以确保安全可靠。 电气设计：根据太阳能光伏系统的使用要求进行系统设计。 给排水设计：根据光伏构件的类型设计清洗系统，给水点应就近布置 4、建筑光伏发电系统设计要点-安全措施p 大面积连续铺设光伏构件时，应预留安装及检修通道；多雪地建筑屋面安装光伏构件时，宜设置便于人工融雪、除雪的安全通道。 光伏构件不应跨越建筑变形缝设置。安装在建筑各部位的光伏构件，包括作为建筑围护结构的光伏构件，应设有带电警告标识和电气安全防护 措施，确保人身安全。在既有建筑上进行改建、扩建工程安装光伏系统时，必须进行建筑结构和电气安全的复核，并应满足光伏 构件所在建筑部位的防火、防雷、防静电等相关功能要求。p光伏构件或方阵的支架，应与屋面板上的预埋件固定牢固，并在地脚螺栓处做密封防水处理。 连接件与其基座的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。支架基座设计应进行稳定性验算，包括抗滑移验算和抗倾覆验算。 光伏方阵与主体结构采用后锚固连接时，应符合现行行业标准《混凝土结构后锚固技术规程》JG 145的规定。 光伏构件或方阵的支架、支撑金属件和其他的安装材料，应根据光伏系统设定的使用寿命选择相应的耐候材料并采取适宜的维护保养方法。受盐雾影响的安装区域和场所，应选择符合使用环境的材料及部件作为 支撑结构，并采取相应的防护措施。p屋面安装光伏系统时，光伏构件最低点据屋面完成面不宜小于30m。 4、建筑光伏发电系统设计要点-量算 太阳能光伏发电系统设计时，应给出系统装机容量和年发电总量。 建筑光伏系统实际运行中，影响发电量的因素更多，如建筑间遮挡，为满足建 筑效果而特殊设置的光伏安装角度等。 摘自《光伏发电站设计规范》GB 5079-21 4、建筑光伏发电系统设计要点-并网求 《光伏发电接入配电网设计规范》GB_T5086-213；《光伏发电站接入电力系统设计规范》 ；《光伏发电系统接入配电网技术规定》/ 9； 《光伏发电系统接入电力系统技术规定》 4； 以及电网公司相关技术规定。 摘自《建筑光伏系统应用技术标准》_T568-2019 4、建筑光伏发电系统设计要点-防雷p 对于光伏系统的避雷设计，主要考虑直击雷和感应雷的防护。光伏阵列安 装在室外，当雷电发生时可能会受到直击雷的侵入。 直击雷的防护通常都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件 作为接闪器，将雷电流接收下来，并通过引下线引至埋于大地起散流作用 的接地装置再泄散入地。p感应雷的防护主要考虑在太阳能电池 板四周铝合金框架与支架作等电位连接并可靠接地，交直流输电线路和逆 变器等的感应雷防护措施主要采用防雷保护器。 简易型太阳能光伏发电系统防雷示意图