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0引言 能源建筑就是利用太阳能集热器和光电设备来收集和存储太阳能,从中所获取的电能不仅可以满足建筑物自身的需要,而多余出来的电力还可以输送到公共电网或者其他的建筑。将耗能建筑逐步转化为能源建筑已成为人类面临的一大课题。而太阳能的利用,特别是硅片技术的发展进而推动光电设备的进步给这一课题带来了希望。 1太阳能在建筑中的利用 在德国,先进的太阳能集热器m2/a提供的能量等于燃烧40L燃煤或者400m3天然气,这不仅节约了资源,还大大减轻了二氧化碳对环境的污染。此外,一台太阳能集热器设备在大约1a内产生的能量足以用于生产一台新的太阳能集热器,所以,1a后它就真正成为一个能量的来源。我国具有丰富的太阳能资源,每年照射时在2200h以上地区约占国土面积的2/3以上,年辐照量超过600MJ/m2,每年地表吸收的太阳能相当于17万亿t标准煤的能力,约等于上万个三峡工程发电量的总和。如此丰富的太阳能资源使我国较早就开始利用太阳能。近几年,太阳能科技突飞猛进,太阳能产品不断升级。特别是硅片技术的发展,使得太阳能在建筑领域有了长足的发展。我国太阳能建筑领域中技术最成熟、应用范围最广、产业化发展最快的是家用太阳能热水器(系统),其次是被动式采暖太阳房。同时,太阳能光伏技术和照明技术通过若干建筑示范工程实践,也积累了相当的应用数据和经验。如昆明冶研新材料股份公司的3000t多晶硅产业化项目就部分采用了太阳能光伏技术发电。 2.1能源与建筑的一体化(BIFV)设计 2.1.1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。 2.1.2建筑设计 BIPV的设计应从建筑设计入手:①对建筑物所处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;②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;③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。④考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。光电的能量转换需要足够的阳光接受面,而建筑物本身就是一个理想的受光载体,国外把外墙的玻璃装饰与光电元件有机地结合起来,取得了许多经验。例如,德国柏林能源论坛大厦仅利用斜度为8度的屋顶和建筑物的局部西南向外墙(斜度为80度)上就安装了总功率约55kWp的光伏设备。彼得斯山天主教乡村大学校舍也是利用外廊通道和南侧玻璃房安装光电设备,所有部件安装在结构上,使锥形的玻璃与之结合紧密,形成一体。这套设备还具有双重功效,一方面发电,另一方面又能在柱廊通道里达到必要的遮阳效果。柱廊通道中的电气连接装置做的非常小,从而能将包括避雷针和光电设备配线在内的缆线铺设在拱形的T字梁中,并把暴露在外的设备颜色与整体建筑设计协调一致。如果把光电设备置于屋顶,还可以起到隔热保温的效果。光电设备与建筑设计有机结合将是未来建筑设计的一大亮点,有可能是未来建筑装饰材料发展的方向。 2.1.3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3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,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,涉入电池片的选型(综合考虑外观色彩与发电量)与布置(结合板块大小、功率要求、电池片大小进行);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,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。 2.1.4结构安全性与构造设计 光伏组件与建筑的结合,结构安全性涉及两方面:①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。②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不利情况。1)设计中应注意两点:①方阵场地的选择避免阴影影响,各方阵间应有足够的间距,以保证全年每天当地时间上午9时至下午3时之间光伏电池组件无阴影遮挡;②将方阵场地表面层切实夯实,并于场地周围设计排水沟。2)方阵倾角设计计算。根据当地地理、交通、居民文化水平等情况确定采用固定式支架。为了全年均可较好地接受太阳辐射能量,方阵倾角确定为当地纬度+5°,即32°十5°=37°3)光伏方阵方位角选择为使方阵全年接受日光照射的时间最长,选择的方位角为正南。4)光伏方阵间距设计计算。D=0.707H/tan[arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)]H=1480mm(φ选取37°)于是有D=0.707×1480/tan[arcsin(0.648cos37°-0.399sin37°)]=3624mm,取3700mm5)光伏方阵支架设计地面安装的光伏方阵支架采用钢结构。钢结构支架符合GB/T50250的要求,以保证光伏组件与支架连接牢固可靠,底座与基础连接牢固。组件与地面距离设计为600mm。支架采用直接接地,支架与预埋螺栓连接的接地体接地电阻不大于10n,接地进行防腐及降阻处理。支架钢结构件采用热镀锌防锈处理,以满足长期室外使用要求。光伏组件和方阵使用的紧固件采用不锈钢螺栓。 2.1.5光伏组件设计 1)蓄电池配置注意事项。每只蓄电池应有生产合格证,合格证上应标明蓄电池型号和生产日期。制造商应提供型号产品国家认可质检机构出具的质检报告。蓄电池的生产时间靠近发货日期,存放时间应不超过6个月。同一路充放电控制的蓄电池应采用同一生产厂家、同一规格和容量的产品,生产日期的间隔时间应不超过1个月。蓄电池的外观无变形、漏液、裂纹及污迹,标志清晰。蓄电池的并联组数量最多不超过6组。2)蓄电池连接电缆。蓄电池连接电缆端头上设冷压铜接头。所选用的电缆铜接头和接线端子的设计及尺寸应使其流过最大电流时的温度不超过电缆绝缘的允许温度。#p#分页标题#e# 3光伏发电系统设计 功率调节器主要由控制器、逆变器、交流配电柜、电子限荷器、输出防雷隔离器等设备组成。 3.1一般要求 1)功率调节器设备选型应满足光伏系统设计功能的需要,各功能设备间应考虑功能和功率(容量)的协调及匹配。2)功率调节器设备应符合产品标准并通过检验的合格产品。出厂时应带有铭牌标志、接地标志、功能标志等,标识应清晰、正确。铭牌至少要标明制造商品名称、出厂编号、生产日期以及该设备的主要特征参数。3)设备柜架应有足够的刚性并设有安装孔或吊装位置,运行操作的器件应适宜人员操作,应有可靠接地。4)设备绝缘性能应符合相关要求。耐振动性能应满足频率在10~55Hz间变化、振幅0.35mm的三轴向各振动30min后正常工作。 4控制器选型 技术要求正常运行情况下,控制器及相关器件应提供至少10a的服务期。当没有LED发光时,控制器最大自身耗电量不得超过其额定充电电流的1%。充电或放电回路电压降不得超过系统额定电压的5%。控制器的调节点须根据具体蓄电他的特性在出厂前预调好过充点或过放点。控制器应具有防止蓄电池过充电和过放电的保护、防止任何负载过流或短路的电路保护、防止任何负载极性反接的电路保护、防止控制器内部短路的电路保护、在多雷区防止雷击引起击穿的保护、防止夜间蓄电池通过太阳能电池组件反向放电的保护等功能。 5逆变器选型 其功能是将直流电变换成交流电,具有断路、过流、过压、过热、防蓄电池过放电等保护功能。6交流配电柜选型可接入逆变器,对用户供分配进行操作控制,装有用电计量电能表。选用上海某公司生产的型号为KPA-220~200的交流配电柜一台。 7输出防雷隔离器选型 输出防雷隔离器可安装在光伏电站控制机房的入口端和出口端,当遭到雷击或发生过流时,隔离器内防雷器件劣化,过流保护器自动跳出,自动脱扣脱离电路,以保证光伏电站设备的安全。 8机房、围栏、防雷及低压配电线路设计与建设 8.1光伏系统机房设计与建设 1)电站机房的面积包括蓄电池室、控制室和值班室。机房建设的原则为,结合当地的地理、气象条件,充分考虑蓄电池、控制器的最佳工作温度,符合当地的特殊地理、气象情况。2)为满足对于机房的温度要求,以确保冬天室内温度在0℃以上;地面采用防火阻燃木地板,机房设计要充分考虑空气对流,采用良好的通风结构,以确保夏天室内温度不超过28℃。3)为优化机房周围环境,要在机房周围设置排水沟和散水坡。 8.2光伏系统围栏设计与建设 1)采用防盗式热浸塑墨绿色钢焊接成网。2)焊接网热浸塑PE粉,单边厚度为0.4~0.45mm。3)设置防盗4N网围栏。4)焊接网用的钢丝为冷拔状态,抗拉强度为640~800N/mm2,实际直径为cp4.5mtna。 9光伏电站防雷设备设计与建设 1)电站系统线路不论是受到直接雷击还是间接雷击,都将产生过电压,若不能使雷击电流讯速流入大地,雷击就会浸入房屋,损坏建筑物或设备,严重的话会引起火灾,造成人身伤亡事故。因此,光伏电站必须采取有效措施防止雷击。2)电站的避雷系统设计,采用安装输人避雷器和输出避雷器,以确保电站设备安全,并将所有设备的金属外壳接地,以确保电站管理人员人身安全。 10结语 如果建筑物的外围装饰与光电组片结合起来,建筑与能源之间的关系将更加紧密。将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给甚至将电能输出,是未来建筑的发展趋势。
