0引言

能源建筑就是利用太陽能集熱器和光電設(shè)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(wǎng)或者其他的建筑。將耗能建筑逐步轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展進(jìn)而推動光電設(shè)備的進(jìn)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(jìn)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(jié)約了資源,還大大減輕了二氧化碳對環(huán)境的污染。此外,一臺太陽能集熱器設(shè)備在大約1a內(nèi)產(chǎn)生的能量足以用于生產(chǎn)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(qū)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(dāng)于17萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能力,約等于上萬個三峽工程發(fā)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(jìn),太陽能產(chǎn)品不斷升級。特別是硅片技術(shù)的發(fā)展,使得太陽能在建筑領(lǐng)域有了長足的發(fā)展。我國太陽能建筑領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的是家用太陽能熱水器(系統(tǒng)),其次是被動式采暖太陽房。同時,太陽能光伏技術(shù)和照明技術(shù)通過若干建筑示范工程實踐,也積累了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。如昆明冶研新材料股份公司的3000t多晶硅產(chǎn)業(yè)化項目就部分采用了太陽能光伏技術(shù)發(fā)電。

2.1能源與建筑的一體化(BIFV)設(shè)計

2.1.1設(shè)計原則

光伏建筑一體化是光伏系統(tǒng)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(tǒng)。因此,BIPV設(shè)計應(yīng)以不損害和影響建筑的效果、結(jié)構(gòu)安全、功能和使用壽命為基本原則,任何對建筑本身產(chǎn)生損害和不良影響的BIPV設(shè)計都是不合格的設(shè)計。

2.1.2建筑設(shè)計

BIPV的設(shè)計應(yīng)從建筑設(shè)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(jìn)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(huán)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(xié)調(diào),光伏組件給建筑設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇,畫龍點睛的BIPV設(shè)計會使建筑更富生機,環(huán)保綠色的設(shè)計理念更能體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合。④考慮光伏組件的吸熱對建筑熱環(huán)境的改變。光電的能量轉(zhuǎn)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(jié)合起來,取得了許多經(jīng)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(shè)備。彼得斯山天主教鄉(xiāng)村大學(xué)校舍也是利用外廊通道和南側(cè)玻璃房安裝光電設(shè)備,所有部件安裝在結(jié)構(gòu)上,使錐形的玻璃與之結(jié)合緊密,形成一體。這套設(shè)備還具有雙重功效,一方面發(fā)電,另一方面又能在柱廊通道里達(dá)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(shè)備配線在內(nèi)的纜線鋪設(shè)在拱形的T字梁中,并把暴露在外的設(shè)備顏色與整體建筑設(shè)計協(xié)調(diào)一致。如果把光電設(shè)備置于屋頂,還可以起到隔熱保溫的效果。光電設(shè)備與建筑設(shè)計有機結(jié)合將是未來建筑設(shè)計的一大亮點,有可能是未來建筑裝飾材料發(fā)展的方向。

2.1.3發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

BIPV的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與光伏電站的系統(tǒng)設(shè)計不同,光伏電站一般是根據(jù)負(fù)載或功率要求來設(shè)計光伏方陣大小并配套系統(tǒng),BIPV則是根據(jù)光伏方陣大小與建筑采光要求來確定發(fā)電的功率并配套系統(tǒng)。BIPV光伏系統(tǒng)設(shè)計包含3部分,分別為光伏方陣設(shè)計、光伏組件設(shè)計和光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。1)光伏方陣設(shè)計,在與建筑墻面結(jié)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(shè)計,涉入電池片的選型(綜合考慮外觀色彩與發(fā)電量)與布置(結(jié)合板塊大小、功率要求、電池片大小進(jìn)行);組件的裝配設(shè)計(組件的密封與安裝形式)。3)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計,即系統(tǒng)類型(并網(wǎng)系統(tǒng)或獨立系統(tǒng))確定,控制器、逆變器、蓄電池等的選型,防雷、系統(tǒng)綜合布線、感應(yīng)與顯示等環(huán)節(jié)設(shè)計。

2.1.4結(jié)構(gòu)安全性與構(gòu)造設(shè)計

光伏組件與建筑的結(jié)合,結(jié)構(gòu)安全性涉及兩方面:①組件本身的結(jié)構(gòu)安全,如高層建筑屋頂?shù)娘L(fēng)荷載較地面大很多,普通的光伏組件的強度能否承受風(fēng)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(diào)式的簡單固定,而是需對連接件固定點進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算,并充分考慮在使用期內(nèi)的多種不利情況。1)設(shè)計中應(yīng)注意兩點:①方陣場地的選擇避免陰影影響,各方陣間應(yīng)有足夠的間距,以保證全年每天當(dāng)?shù)貢r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(shè)計排水溝。2)方陣傾角設(shè)計計算。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩怼⒔煌ā⒕用裎幕降惹闆r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(dāng)?shù)鼐暥?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(shè)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(shè)計地面安裝的光伏方陣支架采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)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(chǔ)連接牢固。組件與地面距離設(shè)計為600mm。支架采用直接接地,支架與預(yù)埋螺栓連接的接地體接地電阻不大于10n,接地進(jìn)行防腐及降阻處理。支架鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計

1)蓄電池配置注意事項。每只蓄電池應(yīng)有生產(chǎn)合格證,合格證上應(yīng)標(biāo)明蓄電池型號和生產(chǎn)日期。制造商應(yīng)提供型號產(chǎn)品國家認(rèn)可質(zhì)檢機構(gòu)出具的質(zhì)檢報告。蓄電池的生產(chǎn)時間靠近發(fā)貨日期,存放時間應(yīng)不超過6個月。同一路充放電控制的蓄電池應(yīng)采用同一生產(chǎn)廠家、同一規(guī)格和容量的產(chǎn)品,生產(chǎn)日期的間隔時間應(yīng)不超過1個月。蓄電池的外觀無變形、漏液、裂紋及污跡,標(biāo)志清晰。蓄電池的并聯(lián)組數(shù)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(shè)冷壓銅接頭。所選用的電纜銅接頭和接線端子的設(shè)計及尺寸應(yīng)使其流過最大電流時的溫度不超過電纜絕緣的允許溫度。