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探究光伏技术的运用要点

一、建筑光伏的工程设计要点

(1)建筑光伏的恒荷载对于在建建筑,光伏系统的荷载问题一般已提前考虑,这里主要介绍已建成建筑的荷载问题。对于屋顶光伏系统而言,当安装屋面为上人屋面时,安装光伏组件后,由于缺乏活动空间,可视为非上人屋面,屋面的使用属性由上人转变为非上人,由此而产生的光伏组件安装荷载余量为1.417kN/m2,通常能满足光伏组件的安装需求。当安装屋面为非上人屋面时,安装的光伏组件增加了屋面的恒荷载,这时需对屋面的承重进行仔细校核,若屋面没有足够承载力余量,直接安装会给建筑的结构安全带来威胁。这种情况下,对于跨度较小的建筑结构来说,通常将光伏支架直接生根于框架柱,避免其与屋面发生关联,从而避免屋面恒荷载的增加;对于跨度较大的建筑结构,一般采用屋面加固的方法,但此方法成本较高。

(2)建筑光伏的风荷载对于建筑光伏系统,光伏阵列的抗风能力设计是非常重要的。在既有建筑上安装光伏系统,光伏阵列在设计与建筑的结合方式时往往不希望“生根安装”,对于既有建筑安装光伏,往往设计成配重抗风或集中连片的支架形式。在采用适合的支架形式后,为保障建筑光伏的安全性,在进行建筑墙面安装或屋面支架安装时,光伏系统的风荷载应按国家标准GB50009-2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)设计,并应考虑:分离式光伏面板的风荷载应计入迎风面风荷载和背风面风荷载;支架的风荷载应计入面板传来的风荷载和支架直接承受的风荷载;合一式面板系统应分。

(3)安装便利性的要求为了与建筑结合和安装方便,一般将太阳电池制作成太阳电池瓦,组件结构和安装方式与普通的建筑用瓦并无差异;对于应用于光伏幕墙的组件,其边框结构也要求与建筑幕墙的模数相同,安装方式也要与普通幕墙玻璃一致。如果采用普通光伏组件,则需制作专用托架或导轨,可方便将普通太阳电池安装在其上;另外,太阳电池也常常被制作成无边框组件,而且接线盒一般安装在组件侧面,以便于安装。在一些特殊应用场合,会对太阳电池组件的形状提出要求,不再只是常规的方形,如圆形屋顶要求太阳电池呈圆带状,带有斜边的建筑要求太阳电池组件也要有斜边,拱形屋顶要求太阳电池组件能有一定的弯曲度等。

(4)建筑光伏寿命问题众所周知,一般的混凝土建筑物设计寿命在50年以上,但普通光伏组件寿命只有25年,尤其是采用EVA胶的组件,相比之下采用PVB封装的组件寿命会相对较长。建筑光伏系统中的关键设备光伏并网逆变器,通常寿命仅有8~10年,因此为保证光伏系统与光伏建筑的寿命相一致,需考虑光伏并网逆变器的定期更换问题。普通光伏系统的大部分连接线都是敞开在大气中,空气对流充分,温度低,BIPV建筑系统中的连接线大多都在幕墙立柱、横梁等密闭结构中,温度不易散去,电线电缆的寿命也受到影响,因此对BIPV建筑系统中电线的要求更高。综上可知,在建筑光伏系统设计中需统筹考虑各个部件,使其使用寿命或与建筑本身协调一致,或做到易于更换。

二、建筑光伏的光伏特性

(1)电气设计从成本上考虑,仍建议采用集中型并网逆变器;对于BIPV系统,由于光伏组件安装角度多样,电池组件安装地点分散,一般建议采用小功率逆变器或者使用组串型逆变器。所有建筑内使用的电缆均应为阻燃型电缆。在某些应力较大的场合,应使用铠装电缆。当用于光伏发电的电缆需与建筑配电电缆敷设于同一槽、孔、桥架内时,宜选用与建筑配电电缆相同材料的电缆。在人手可触及的电缆敷设场合,电缆外皮的温度不应高于70℃。在严寒的环境中,室外敷设的电缆要求耐低温。当电缆布线需穿墙时易造成“冷桥”,应做特殊断桥和保温构造处理。对于以低压380V接入市电的系统,对配电网影响最大的因素就是配电网末梢电压的升高,尤其是出现逆功率时,这种电压的升高会更加明显。电压升高超限会对用电设备造成损害,如果采用不可逆并网方式,应设置逆功率保护。

(2)监控通讯设计光伏建筑一体化项目的通讯通常采用无线和有线两种方式。无线主要包括:Zigbee和GPRS用于RS485、WIFI用于以太网;有线主要包括:双绞线用于RS485和以太网、同轴电缆用于以太网和视频信号、光纤用于以太网。对于光伏建筑一体化项目,通常设置监控的位置主要有智能型光伏汇流箱、逆变器、多功能表和环境监测仪。对于需升压的项目还包括微机综合自动化系统。微机综合自动化系统一般用于变电站。站内的每台高压开关柜都是一个独立的监控子系统。这些子系统将继电保护功能和监控功能等集成在一起,实现就地数据采集和就地控制,并提供远动通道。

三、结论

总之,建筑光伏一体化并非是建筑与光伏组件简单的“堆砌”,而是建筑特性和光伏特性在建筑光伏中的有机结合,建筑光伏系统充分发挥了光伏方阵的建筑特性和绿色电力特性,为节能建筑和光伏电力发展提供了一条创新之路。

作者:吕芳 马丽云 单位:中国科学院电工研究所