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　　摘要：BIPV（詞條“BIPV”由行業(yè)大百科提供）(建筑光伏一體化)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)電氣專業(yè)相融合的設(shè)計(jì)，本文主要對(duì)BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理、BIPV項(xiàng)目典型應(yīng)用場(chǎng)景及設(shè)計(jì)流程進(jìn)行闡述，并展望BIPV行業(yè)的未來發(fā)展情況。

　　關(guān)鍵詞：BIPV;建筑光伏一體化;光伏組件;設(shè)計(jì)方法

　　1.前言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已是世界上最大的能源消費(fèi)國，能源短缺問題日趨嚴(yán)重,提高清潔能源等非石化能源在我能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比至關(guān)重要，而太陽能作為一種儲(chǔ)量巨大、清潔可再生且分布廣泛的清潔能源已得世界主要國家政策的大力支持。

　　近年來，在政策的支持下，我國的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模已居世界第一。隨著大型集中地面電站建設(shè)開發(fā)趨近飽和，具有即采即用、分布靈活、較少損耗等優(yōu)點(diǎn)BIPV電站等分布式光伏應(yīng)用將成為我國太陽能應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。去年上半年，工信部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局等6部門聯(lián)合發(fā)布《智能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018～2020年)》，明確提出：“在有條件的城鎮(zhèn)建筑屋頂(政府建筑、公共建筑、商業(yè)建筑、廠礦建筑、設(shè)施建筑等)，采取“政府引導(dǎo)、企業(yè)自愿、金融支持、社會(huì)參與”的方式，或引入社會(huì)資本出租屋頂、EMC節(jié)能服務(wù)合同管理等多種商業(yè)模式，建設(shè)獨(dú)立的“就地消納”分布式建筑屋頂光伏電站和建筑光伏一體化電站，促進(jìn)分布式光伏應(yīng)用發(fā)展”。此項(xiàng)計(jì)劃將大力推動(dòng)BIPV項(xiàng)目的實(shí)施和行業(yè)的發(fā)展。

　　2.BIPV系統(tǒng)介紹

　　2.1什么是BIPV

　　BIPV英文全稱是 building integrated photovoltaic,引進(jìn)國內(nèi)后譯為“建筑光伏一體化”。在《民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》JGJ 203-2010中第一次在行業(yè)規(guī)范中對(duì)BIPV進(jìn)行定義，即“在建筑上安裝光伏系統(tǒng)，并通過專門設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與建筑的良好結(jié)合�！�，并引申出了“建材型光伏構(gòu)件”的定義---“太陽電池與建筑材料復(fù)合在一起，成為不可分割的建筑材料或建筑構(gòu)件。”， 因此BIPV項(xiàng)目中的建材型光伏構(gòu)件要具備普通構(gòu)件的功能特性，并成為BIPV項(xiàng)目不可缺少的組成部分。BIPV組件屬于建材型光伏構(gòu)件的組成部分，合理使用建材型光伏構(gòu)件的建筑可稱之為BIPV項(xiàng)目。

　　2.2BIPV的典型場(chǎng)景介紹

　　隨著科技的進(jìn)步及BIPV行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)出各種類型的建材型光伏構(gòu)件，這些構(gòu)件在建筑的不同部位發(fā)揮著建材功能的同時(shí)亦為建筑的美學(xué)設(shè)計(jì)增磚添彩。建筑中常用的部位主要包括建筑的立面、屋面、外遮陽、雨棚及外窗等有較好光照條件的部位，附屬設(shè)施常用的有停車棚、車庫入口等部位。

　　2.3BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理

　　BIPV系統(tǒng)是個(gè)較復(fù)雜的電氣系統(tǒng)，分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型。本文以常用的并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)為例對(duì)其發(fā)電原理進(jìn)行描述。并網(wǎng)型BIPV系統(tǒng)發(fā)電原理為由BIPV組件通過“光生伏打”效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，匯流系統(tǒng)將直流電傳輸至逆變設(shè)備，逆變?cè)O(shè)備及其它設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電后并入電網(wǎng)，其原理圖如下：

　　3. BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程

　　BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)專業(yè)及電氣專業(yè)相融合的設(shè)計(jì)過程。優(yōu)秀的BIPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師除應(yīng)具備結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)能力外，尚應(yīng)掌握BIPV系統(tǒng)的發(fā)電原理、組串設(shè)計(jì)、設(shè)備的初步選型及發(fā)電量估算等電氣專業(yè)知識(shí)，并應(yīng)有較好的溝通能力，以下為BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程。

　　3.1 確定BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)范圍

　　在進(jìn)行BIPV項(xiàng)目的設(shè)計(jì)前，委托方會(huì)提供現(xiàn)場(chǎng)踏勘、項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)等流程，在此過程中，設(shè)計(jì)人員須同委托方明確BIPV項(xiàng)目在建筑的意向位置、項(xiàng)目所需發(fā)電量及初步預(yù)算等內(nèi)容，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展奠定基礎(chǔ)。

　　3.2 收集項(xiàng)目地氣象資料

　　BIPV項(xiàng)目的發(fā)電量或收益同項(xiàng)目所在地年峰值日照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，其它氣象資料如年最大溫差、海拔高度、最大連續(xù)陰雨天數(shù)、冬至日太陽高度角等亦是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。目前市場(chǎng)常用的氣象數(shù)據(jù)庫有NASA數(shù)據(jù)、Meteonorm氣象數(shù)據(jù)、Ecotect軟件 Weather Tools數(shù)據(jù)及國家氣象數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫，前兩者為免費(fèi)提供，后者需付費(fèi)。目前市場(chǎng)常用的為更接近實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的Meteonorm數(shù)據(jù)，其在新版的光伏設(shè)計(jì)軟件PVsyst中已內(nèi)置

　　以北京為例示意如下：

　　若委托方因有對(duì)建筑進(jìn)行LEED（詞條“LEED”由行業(yè)大百科提供）認(rèn)證、綠建評(píng)級(jí)需求而有明確發(fā)電量數(shù)量要求時(shí)，建議采用氣象站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　3.3 繪制BIPV項(xiàng)目組件布置圖

　　1) 模擬陰影遮擋區(qū)域

　　根據(jù)項(xiàng)目的位置、周邊環(huán)境及擬安裝組件區(qū)域的遮擋情況，通過軟件計(jì)算出擬安裝區(qū)域的陰影位置，并綜合考慮建筑的外觀要求等因素，合理在擬安裝區(qū)域排布BIPV組件，以達(dá)到最大化的利用可發(fā)電區(qū)域、排除陰影遮擋造成的經(jīng)濟(jì)損失及安全問題的目的。常用的陰影模擬軟件有PVsyst、Sketch up(含skelion插件)、Ecotect、天正建筑等具有建筑物理環(huán)境模擬功能的軟件。

　　2) BIPV組件的選型設(shè)計(jì)

　　根據(jù)安裝區(qū)域的位置及BIPV項(xiàng)目的類型，BIPV組件的物理性能及電氣性能均應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。以BIPV幕墻為例：BIPV組件的物理性能應(yīng)滿足幕墻四性、保溫、隔聲（詞條“隔聲”由行業(yè)大百科提供）等性能，其它性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》GB/T 21086、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102、《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113及《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽能光伏中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業(yè)大百科提供）》GB/T 29759等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。常見BIPV組件均為夾層類構(gòu)造，目前國內(nèi)廠商生產(chǎn)的非晶硅類BIPV組件電池芯片大多為浮法玻璃且厚度不大于4mm,在使用時(shí)須對(duì)其抗彎強(qiáng)度（詞條“抗彎強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）及最大跨中撓度進(jìn)行計(jì)算，以符合上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;晶硅類BIPV組件多為內(nèi)、外兩片玻璃中間夾晶硅電池片的構(gòu)造，目前尚無標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶硅電池片的力學(xué)性能進(jìn)行規(guī)定，但使用前亦要有防止其在風(fēng)等外部荷載長(zhǎng)期作用下出現(xiàn)隱裂等問題的構(gòu)造措施。BIPV組件的電氣安全性能與組件的封邊質(zhì)量正相關(guān)，此在現(xiàn)行國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽能光伏中空玻璃》GB 29759中有明確規(guī)定。

　　3) 繪制BIPV組件排布方案

　　組件的排布方案應(yīng)契合建筑的美學(xué)設(shè)計(jì)，并應(yīng)得到委托方的認(rèn)可。好的排布方案可讓BIPV項(xiàng)目增色，下圖所示為兩個(gè)排布方案。

　　從以上兩個(gè)案例可知，好的組件排布方案在滿足BIPV采光頂采光的同時(shí)兼顧了遮陽功能，亦令人賞心悅目。在BIPV項(xiàng)目可視位置，組件正、負(fù)極出線及接線盒應(yīng)進(jìn)行隱蔽設(shè)計(jì)，背部線槽宜采用與框架同色、同材質(zhì)等不破壞美觀的設(shè)計(jì)。

　　3.4 BIPV組件的組串設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

　　根據(jù)各安裝區(qū)域組件排布方案圖中BIPV組件的安裝容量、組件排布的朝向及各朝向年太陽能輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）量等因素對(duì)BIPV系統(tǒng)中的逆變?cè)O(shè)備、隔離裝置等進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，所選擇設(shè)備、裝置等均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定且應(yīng)通過相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品認(rèn)證，并根據(jù)其所處環(huán)境因素對(duì)容量預(yù)留冗余。

　　根據(jù)所選逆變?cè)O(shè)備的各項(xiàng)電氣性能對(duì)BIPV組件進(jìn)行組串設(shè)計(jì)。顧名思義，BIPV組件的組串設(shè)計(jì)即為計(jì)算一組串聯(lián)BIPV組件的數(shù)量�，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50797 6.4.2條對(duì)所有光伏項(xiàng)目的組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算提供了依據(jù)，而現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽能光伏玻璃幕墻電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T 365對(duì)220V/380V電壓等級(jí)用戶側(cè)并購或離網(wǎng)的BIPV玻璃幕墻及采光頂?shù)拇�、并�?lián)數(shù)量時(shí)行了規(guī)定：“3.5.3 2 光伏組串的并聯(lián)數(shù)可根據(jù)逆變器額定容量及光伏組串功率確定。3.5.4 同一方陣內(nèi)，光伏玻璃幕墻組件電性能參數(shù)宜一致。同一組串內(nèi)，光伏玻璃幕墻組件的短路電流和最大工作點(diǎn)電流的離散性偏差應(yīng)為±3%;有并聯(lián)關(guān)系的各組串間，總開路電壓和最大功率點(diǎn)電壓的離散性允許偏差應(yīng)為±2%�！�，此規(guī)定進(jìn)一步減少了因BIPV組件自身電氣性能的偏差造成在建筑上使用可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)組串設(shè)計(jì)的要求亦可用于其它分步式光伏應(yīng)用項(xiàng)目。

　　3.5 BIPV項(xiàng)目電氣方案圖紙

　　BIPV項(xiàng)目電氣圖紙一般包含BIPV系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)說明、電氣原理圖、BIPV系統(tǒng)組串圖、BIPV系統(tǒng)電氣設(shè)備路由圖、設(shè)備接線圖及設(shè)備材料清單。

　　BIPV系統(tǒng)組串圖詳細(xì)體現(xiàn)了BIPV組件串內(nèi)及串間走線及接線方式，合理的組串方案可以節(jié)省線纜、線槽的長(zhǎng)度，直接降低項(xiàng)目造價(jià);電氣設(shè)備路由圖則在圖紙上明確了各電氣設(shè)備的安裝位置及走線方式，合理的設(shè)備布置不僅能降低線纜、線槽的長(zhǎng)度，亦能大幅的降低施工難度，進(jìn)而降低項(xiàng)目造價(jià)。

　　以上僅對(duì)筆者認(rèn)為的BIPV項(xiàng)目重要設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概圖的說明，并未考慮覆蓋全部項(xiàng)目設(shè)計(jì)步驟。例如，因BIPV項(xiàng)目的不同，其細(xì)部構(gòu)造方式亦不同，所以并未對(duì)BIPV項(xiàng)目的安裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概述。

　　4 BIPV項(xiàng)目案例介紹

　　4.1 國家電投總部大樓智慧能源示范項(xiàng)目

　　國家電投總部大樓智慧能源示范項(xiàng)目，位于北京市西城區(qū)金融街。該項(xiàng)目南、東、西立面的層間部位安裝非晶硅BIPV組件;樓頂選用柔性CIGS組件，總裝機(jī)量約170kWp，使整體建筑達(dá)到了綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的，大大提高了科技感、現(xiàn)代感。

　　4.2 內(nèi)蒙古自然歷史博物館BIPV項(xiàng)目

　　內(nèi)蒙古自治區(qū)自然歷史博物館BIPV項(xiàng)目位于呼和浩特市，在主樓南立面層間部位安裝非晶硅BIPV組件28kWp。

　　4.3 云南麗江市光伏瓦（詞條“光伏瓦”由行業(yè)大百科提供）BIPV項(xiàng)目

　　該項(xiàng)目位于麗江，在建筑屋頂安裝CIGS光伏瓦BIPV組件共6kWp。光伏瓦的外片為鋼化超白玻璃，有傳統(tǒng)琉璃瓦神昀，與整個(gè)建筑融為一體。

　　4.4 國家電網(wǎng)北方呼叫中心大樓BIPV外遮陽項(xiàng)目

　　該項(xiàng)目位于天津，是在國家電網(wǎng)北方呼叫中心大樓的4號(hào)研發(fā)樓東、西側(cè)及連廊外安裝BIPV組件，項(xiàng)目總裝機(jī)容量20.16KW。

　　5 結(jié)語

　　國家對(duì)建筑能耗的重視程度越來越高，各地方政府對(duì)BIPV項(xiàng)目的支持舉措俞來合理，廣東、山西、上海等地相繼出現(xiàn)大型地標(biāo)型BIPV項(xiàng)目的身影，且應(yīng)用方式亦呈現(xiàn)多樣化。近日，國內(nèi)神化公司宣布其研發(fā)的CIGS組件全面積效率達(dá)到17.6%，打破世界紀(jì)錄，此對(duì)光伏市場(chǎng)尤其是BIPV市場(chǎng)將帶來更大的希望。相信隨著國內(nèi)政策的支持、標(biāo)準(zhǔn)的完善及BIPV組件效率的提升，BIPV項(xiàng)目的投資回收期將更短，其必將在國內(nèi)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，為“美麗中國”和我們的綠水青山貢獻(xiàn)一份力量。

　　參考文獻(xiàn)

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作者單位：中國建筑科學(xué)研究院有限公司