光伏别墅建筑一体化

光伏建筑一体化的简介摘要随着世界能源危机的日益显现，节能建筑是世界建筑发展的趋向，洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是未来建筑设计的重要内容其中，代表太阳能应用最尖端、最有潜力的光伏发电将是节能建筑的主角联合国能源机构的调查报告显示，太阳能光伏建筑一体化业将是21世纪最重要的新兴产业之一从当前世界金融危机促进太阳能光伏建筑一体化发展入手，论述太阳能光伏建筑一体化的定义、原理、类型、方式、特点和要求证明光伏建筑一体化太阳能将成为功效最佳、价格最低廉的替代新能源.关键词太阳能；建筑一体化使用寿命6至8年额定电压12v额定容量lOOAh工作温度-25℃—40℃最低工作温度-20℃最大允许放电深度80%尺寸341*173*213mm重量33Kg工作湿度74%—80%

3.4太阳电池组件选择太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的新余地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，转换效率也比多晶硅要高组件的基本参数如下表所示:品牌Nasun型号Nasun-P80类型单晶硅尺寸770x670x30mm重量

10.2Kg价格

500.00元功率80W开路电压

21.24V短路电流

6.12A填充因子73%最大工作电压18V最大工作电流

6.55A工作温度范围-40℃―+80℃表面可以承受的最大压60/m/s200kg/sq.m第四章太阳能电池方阵设计及角度选择

4.1太阳能电池方阵设计单体太阳能电池是不能直接作为电源使用的它是光电转换的最小单元，尺寸一般为4—100cm2,工作电压约为

0.45—

0.sv,工作电流约为20—25mA/cmZo在实际应用的时候，是按照电池性能的要求，将几十片或者上百片单体太阳能电池通过串联、并联连接起来，这些电池经过封装，组成一个可以单独使用的最小单元，这即是太阳能电池组件太阳能电池方阵则是由若干个太阳能电池组件通过串、并联连接排列成的阵列一般来说，太阳能电池方阵的设计就是按照用户的要求和负载的用电量及技术条件计算出太阳能电池组件的串、并联数量串联数是由太阳能电池方阵的工作电压决定的，在太阳能电池组件串联数确定后，即可按照气象台提供的太阳年辐射总量或年日照时数的10年平均值计算确定太阳能电池组件的并联数太阳能电池方阵的输出功率及组件的串、并联的数量有关，组件的串联是为了获得所需的电压，组件的并联是为了获得所需要的电流2太阳能光伏方阵规模的大概估算这里讨论的关于确定光伏方阵的大小只是针对采用独立系统的小型住宅的并网系统的光伏阵列大小及独立系统的是相差很大的这是因为对于独立系统来说，光伏阵列的大小非常重要，阵列过大，不但会造成电能的浪费，而且对于光伏板也是一种浪费对并网系统而言,却不会造成浪费，过剩的电能会被并到共用电网需要考虑的只是使用光伏系统节省的电能是否能大于过剩光伏阵列所需的费用为什么只是针对小型住宅呢这并不是说明公共建筑不需要确定光伏阵列的大小，而是因为对于一些较大的商业，公共机构和工业建筑来说，即使在后面提到的三种主要方式中都用到光伏模块，也不一定能满足一栋建筑的用电要求而小型住宅如别墅仅在屋顶布置光伏发电板，可能就能满足一家的日常用电了在确定太阳能光伏方阵规模之前，必须先搞清楚用电需求总量，这个总量是通过列出所有的日常负载计算出来的用电负载包括任何使用电源的东西，如电灯、电视，音响等一些负载是需要全天用电的如电冰箱，然而有一些则用的非常少像电钻确定一天的用电总量需要将用电设备的瓦特数乘以此设备一天用的小时数在将所有设备的用电量加起来，就能大致确定所需光伏发电系统的输出电量计过程从常用太阳能光伏电池中选择及现有建筑物例如屋面尺寸相匹配的组因为BIPV中的发电系统，是在现有建筑物上尽可能铺设太阳能电池板，在设件在本案例中，通过现场实测和计算，已经知道屋面的太阳能光伏方阵的最大尺寸范围是33X1101,通过计算和比较，选择常规组件的尺寸为1485X665mm,峰值电压为

17.2V,峰值电流为

6.31A,峰值功率110W的太阳能光伏组件当然，也可以按照屋面现有尺寸重新加工太阳能光伏组件，但成本会高很多1太阳能光伏方阵的总数量33/

1.485X11/

0.665^22X16=352块2太阳能光伏方阵的组件的串联数量380/

17.2^22块市政电网电压是380V,每个组件的电压

17.2V o3太阳能光伏方阵组件的并联数量负载总负荷/单片组件负荷二15X2X6X3/

6.31^86块普通居民家庭负荷通常是3K肌也就是15A的电流根据上面的数据，就需要一个日平均能输出2777/W.H的光伏系统,这是需要计算出光伏阵列的发电量Q=H*P*Y*T式中:Q—当日发电量H一该日太阳平均辐射时数；P一光伏方阵功率；Y一方阵到逆变控制器的输出效率包括组件失配、线路损耗、灰尘覆盖和温升等损失，通常可取

0.9;T一逆变控制器的效率，一般取

0.9;因为不同的地方会有不同的太阳辐射量，并且阳光是光伏系统输出能量的来源，所以先需要查找建筑所在地的当日阳光平均辐射量假设该建筑建在新余市，可以得到新余的日辐射量为12525,将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht,转换成在标准光强下的平均日辐射时数H:H=HtX

2.778/10000hl式中

2.778/10000h.mZ/kJ为将日辐射量换算为标准光强1000W/m2下的平均日辐射时数的系数可以算出新余的平均日辐射时数为:H二12525x

2.778/10000=

3.shrs如果假定选择功率为50瓦的光伏模块的话，就可以算出需要几个光伏模块:2777/

3.5/50/

0.9/

0.9=20即需要20个光伏模块

4.2倾角的设计我们一般采用一种比较近似的方法来确定方阵倾角一般的，在我国南方地区，方阵的倾角可比当地的纬度增加10到15度；在北方地区倾角可以比当地纬度增加5到10度，纬度较大时增加的角度可以小一些例如，在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度同时，为方阵的设计，安装方便，方阵倾角常取成整数下表是我国各大主要城市的纬度及辐射量我国各大主要城市的最佳倾角;城市纬度中日辐射量Ht:最佳倾角

①op斜面日辐射量修正系数Kop:12703|

45.68|O+

3158381.1400I哈尔滨

143.90|13572j6+

1171271.1548I长春|

41.7704-

113793165631.0671j沈阳:北京:

39.8015261

①+

41.097618035t

39.10!14356:16722

①+5L06921天津i

①+3|

200751.

146840.7816574i呼和浩特

37.7815061

①+

5173941.1005I太原鸣鲁木齐

43.78:

14464165941.0092

①+

12167771.

136036.75

①+119617I西宁卜

36.0514966

①+

8158420.94891兰州

1..（银川―

38.

4816553196151.15590+2

①+14i

129520.9275西安

34.30127816+

3136910.

990031.17127601上海

32.

001.024913099

①+514207，而京

1....二:合肥

0.

998831.85125256+

91329930.

230.9362;杭州11668

①+312372|南昌

28.6713094

①+

20.

86401371426.0812001

①+

4124510.89781福州.....

36.68140436+

61.063015994济南i

34.7213332二0+

7145581.0476郑州11——un1132010+713707|

0.90361武汉

30.63［；

28.2011377

①+

6115890.8028长沙

23.13；

①一

121107127020.88501广州i...I

20.03，138356+

12135100.87611海口-22,821125156+512734j

0.8231,南宁

130.6710392

①+

2103040.75531i贵成阳都I11r

26.581103270+

8102350.813525,02[14194

①一

0.92161昆明1!

81533329.7021301

①一

241511.0964拉萨!8■■MA*w••1111•t・・・1••••I•«*1•I«第五章防雷设计

5.1防直击雷措施安装于屋顶的光伏方阵，如果处于接闪装置的保护范围内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击按照规定，大于10KW的光伏设备，应设计为III级”防雷电系统接闪器有避雷针、避雷线和避雷带，应根据实际选用根据建筑物的防雷类别，使用滚球法来确定避雷针的高度和数量对于一般公共建筑，其屋面上的光伏方阵应按60米滚球半径来防直击雷止匕外，还应注意保持光伏支架和避雷针之间的隔离距离1单针型避雷针若光伏方阵较小，可选用单针型避雷针，其保护范围如下图所示图2单针型避雷针的保护范围上图中h为避雷针高度，hr为60米滚球半径，XX,连线处的高度为hx若o光伏方阵的高度小于hx,且占地范围小于以rx为半径的圆形区域，则光伏方阵可以免遭直击雷侵袭2双支等高避雷针当光伏方阵较大，单支避雷针不能有效防护时，可在被保护范围的两侧竖立2支等高避雷针作为接闪器，保护效果明显优于单支避雷针保护区示意图3所示华华-------------图3双支等高避雷针保护范围3多根避雷针当光伏方阵更大，双支等高避雷针不能有效防护时，可采用多根避雷针作为接闪器4避雷线及避雷针的组合当光伏方阵比较长，利用避雷针不能有效防护时，可采用避雷线作为接闪器避雷线相互连通组成架空网并很好接地，引下线也可以作为接闪器的一部分在架空网下是保护区，光伏方阵及架空网间应有安全距离，以保证防雷效果当光伏方阵很大时，接闪器可以采用以下形式先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据屋顶形状组合安装避雷线和避雷针用相应的滚球半径来确定接闪器的保护范围防雷等级越高，滚球半径越小，保护范围越小，但保护效果越好，可能进入保护区击中被保护建筑物的雷电流要小些防雷等级越低，滚球半径越大，保护范围大，但保护效果较差,实际保护范围线是一复杂的近似圆弧线

5.2防雷电感应措施防雷电感应主要采用等电位连接和防雷保护器进行保护原则上说，从外部进入建筑物的所有导电部件都必须接入等电位连接系统中，所有不带电的金属部件直接连接到等电位系统不带电的金属部件分为室外和室内两种情况处于室外的太阳能电池板四周铝合金框架及支架、接地线等要可靠连接，使光伏方阵形成一个相等的电位，这样做可以防止光伏方阵遭到雷电感应侵袭处于控制机房内的全部金属物品，包括各种设备、各个机架、所有金属管道及电缆的金属外皮都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上带电部件（如电缆）则通过安装电涌保护器间接接入等电位连接系统等电位连接最好在建筑物入口附近执行，以便防止部分雷电流侵入建筑物低电压供电系统可用多极复合型雷电流和电涌保护器保护光伏发电系统的雷电浪涌入侵路径除了光伏方阵外，还有配电线路、接地线以及它们的组合从接地线侵入是由于附近的雷击使大地电位上升，使得大地电位比电源高，从而产生从接地线向电源侧的反向电流要防止雷电浪涌对光伏发电系统的破坏，推荐以下措施避雷元件要分散安装在电池阵列的主回路内，也安装在接线箱内对第一章太阳能光伏建筑一体化的定义及优点

1.1光伏建筑一体化的定义1太阳能光伏建筑一体化Building IntegratedPhotovoltaic,简称BIPV技术即将太阳能发电光伏产品集成或结合到建筑上的技术，它不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用光伏及建筑一体化BIPV是“建筑物产生能源”新概念的建筑，是利用太阳能可再生能源的建筑2太阳能光伏建筑一体化不等于太阳能光伏加建筑所谓太阳能光伏建筑一体化不是简单的‘相加，而是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，将太阳能光伏发电作为建筑的一种体系进入建筑领域，纳入建设工程基本建设程序，同步设计，同步施工,同步验收，及建设工程同时投入使用，同步后期管理，使其成为建筑有机组成部分的一种理念、一种设计、一种工程的总称3光伏建筑一体化的核心建筑是一体化设计、一体化制造、一体化安装，而其辅助技术则包括了低能耗、低成本、优质、绿色建筑材料的技术光伏建筑一体化也是光伏建筑的规范化和标准化4BIPV是房地产业未来发展的新天地光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性，首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不仅能够供人居住，还提供能源随着光伏建筑一体化的进一步发展，于从低压配电线侵入的雷电浪涌，通过安装在配电盘中的避雷元件应付在雷雨多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压器更加安全对供电线路、传输电缆和架空线路，可以在线路上安装金属氧化物避雷器光伏逆变器的输入直流导线必须由适配的基于火花间隙的雷电流保护器保护

5.3雷电波侵入通过对太阳能光伏电站可能遭受雷击事件的概率大小来分析，控制机房内的控制器或逆变器遭损坏的概率最大，分析其原因，都是由于雷电波侵入造成的所以，考虑用避雷器等对雷电感应和雷电波侵入进行防护雷电波侵入的主要途径是架空导线和光伏阵列到机房的引入线为此，可以采取多级防护措施进行保护在光伏方阵接线箱内安装防雷模块；保持光伏方阵接线箱及控制柜间距大于10m；在控制器、逆变器内安装防雷元器件，使其具有防雷保护功能；在交流输出端安装低压阀式避雷器或浪涌保护器；防雷器件全部安装于防雨防尘的电源箱内，固定在架空出线杆上，防止雷电波由输电线路进入机房这样就可以很好地对雷电波侵入进行有效防护在出线杆上安装阀型避雷器，对于低压的220/380V可以采用低压阀型避雷器要在每条回路的出线和零线上装设架空引入室内的金属管道和电缆的金属外皮在入口处可靠接地，冲击电阻不宜大于30欧姆接地的方式可以采用电焊，如果没有办法采用电焊，也可以采用螺栓连接结束语BIPV是房地产业未来发展的新天地光伏建筑一体化赋予了建筑物以新的属性，首先它使建筑物具有了能源的功能，建筑物不仅能够供人居住，还提供能源随着光伏建筑一体化的进一步发展，今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，以及采用更加科学和严格的价格评价体系上来，从而告别了房地产只能靠恶性炒作加快升值的时代，使建筑行业能够协同采用多门高新技术，丰富了建筑物的科技内涵，提高了建筑物的使用价值，成为产品附加值高的高产出行业所有这些，同时也使建筑工程行业极大地拓展自己的市场及发展空间，成为我国社会和经济发展的支柱型产业今后房产的升值将会逐步地转变到更多地依靠科技价值的含量和提升，以及采用更加科学和严格的价格评价体系上来，从而告别了房地产只能靠恶性炒作加快升值的时代，使建筑行业能够协同采用多门高新技术，丰富了建筑物的科技内涵，提高了建筑物的使用价值，成为产品附加值高的高产出行业所有这些，同时也使建筑工程行业极大地拓展自己的市场及发展空间，成为我国社会和经济发展的支柱型产业

1.2光伏及建筑一体化的必要性1光伏建筑一体化的系统，如幕墙光伏发电系统，其成本随建筑物的设计阶段和光伏电池及建筑装饰材料生产过程的结合程度有很大的关系研究表明，如果设计院、建材生产商和光伏制造商能够充分协作，建材光伏一体化的发电单元制造成本及单独生产光伏组件的成本类似，甚至比建材加光伏组件的成本还低；而逆变和布线系统则可整体并入建筑物的电力系统中去，BIPV的成本可能比单独的光伏发电低得多2我国人口多，电力需求很大，大、中城市更为突出，电力负载主要在建筑物内或其四周，BIPV可充分利用建筑物的外部空间面积,自产能源，减少电缆线架设及电力输送就近利用，BIPV使PV系统及建筑、艺术及生活紧密结合3发展BIPV建筑，可推进节能省地型住宅建设，充分体现资源的节约和可持续发展当前我国人均土地占有量是世界平均水平的1/3,而960万km的国土中，适宜居住的只有23%,其中耕地只占13%,人均耕地面积只有940nl

1.41亩因此，我国不仅粮食需要进口，能源更需要大量进口截至2008年底，全国既有房屋建筑面积为500亿m,随着经济发展，估计到2020年，我国还将新增建筑面积约300万m,因此，“充分利用屋顶资源，向屋顶要能源”，发展BIPV建筑是十分

1.3光伏及建筑相结合的优点从建筑、技术和经济角度来看,光伏建筑一体化有以下诸多优点⑴光伏组件可以有效的利用围护结构表面,如屋顶或墙面,无需额外用地或增建其他设设，适用于人口密集的地方使用，这对于土地昂贵的城市尤其重要⑵可原地发电、原地用电,在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资在那些架起公共电网非常昂贵的地方，太阳能光伏发电是一个具有很高性价比的替代物3夏季,处于日照时，由于大量制冷设备的使用，形成电网用电高峰BIPV并网系统除保证自身建筑用电外,还可以向电网供电,从而舒缓高峰电力需求,解决电网峰谷供需矛盾,具有极大的社会效益4由于光伏阵列安装在屋顶和墙壁等外围护结构上，吸收的太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体得热和室内空调冷负荷，既节省了能源,又利于保证室内的空气品质⑸由于大尺度新型彩色光伏模块和各种造型的光伏模块的诞生，不仅节约了昂贵的外装饰材料玻璃幕墙、屋顶瓦片等，而且使建筑外观更具有魅力6可确保自身建筑全部或大部分用电，这对于用电高峰期电力紧张的地区及无电地区极为重要⑺避免传统电力输送时的电力损失⑻避免由于使用一般化石燃料发电所导致的空气污染和废渣污染,这对于环保要求越来越高的今天和未来是至关重要的9光伏建筑系统没有移动部分并且不需要任何维护10由于光伏电池的组件化,光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量11如果把光伏电池模块作为建筑物的玻璃幕墙，可以减少建筑物的整体造价当然,对于光伏模块来说,还应具有建筑材料所要求的隔热保温、防水防潮并且要具有一定的强度,若作为采光构件窗户、天窗等还要有一定的透明度12在建筑围护结构上安装光伏阵列，可以促进光伏组件的大规模生产，从而进一步降低PV部件的市场价格,这对BIPV系统的广泛应用有着极大的推动作用光伏及建筑相结合应用时，通常采用并网发电的方式，这类系统及独立光伏系统相比，具有突出的优点第二章新余的地理位置及气象简介

2.1新余的地理位置及气象简介新余市地处赣西中部，是江西省直辖市，现辖分宜县、渝水区、仙女湖风景名胜区和高新技术开发区，总面积3178平方公里，人口110万世界级的赛维Idk建设的年生产规模达1万吨的太阳能多晶硅工厂都将于明年竣工，从2014年开始正式投产多晶硅是太阳能产业的核心原料，用于制造太阳能电池中国企业以在石油化学产业积累的技术经验为基础，在该市场上争夺主导权新余位于北纬27°3328°057,东经114°29115°24〜〜7,属亚热带湿润性气候，具有四季分明、气候温和、日照充足、雨量充沛、无霜期长、严冬较短的特征年平均气温

17.7℃,年平均地温值

20.1℃,年平均相对湿度80%年平均降雨量

1594.8毫米历年平均日照时数为

1655.4小时，年平均日照百分率为38%风力达8级（相当风速

17.2-

20.7米/秒）年平均大风日数为

2.6-

12.4天新余地区是雷电多发区，年平均雷暴日数5060天，全年各月均会发生雷暴，〜但最多出现时段是39月份年平均基本气象资料如下表:〜水平斜面最低气相对日照最长连续辐射辐射年气温温湿度时数阴雨天数量量1309413714KJ/m/KJ/m/平均

29.4℃-

7.2℃74%-84%1655h5天m m第三章负载的计算及蓄电池的选择

3.1负载的计算根据一个普通家庭的用电情况列出下例我名称负载功率合计工作时间/耗电Av序号数出台/w（h/d）h功率/w1001004400彩电1128284112机顶盒131001003300电脑14电冰箱95195109505微波炉

75017500.1756电开水器

60016000.21207电热水器

80018000.64808小家电

25095000.21009电灯12560424010合计30332777首先要确定负载，为了方便计算，采用安时数作为负载的计算单位用负载的功率乘以每天工作的小时数，再除以工作电压就得到了日负载的安时数日负载（安时）=负载（瓦）X日工作时数+工作电压+逆变器效率带入上面的数据，其中逆变器的效率按照85%计算1日负载二安时数=2777+220+

0.85=

153.2确定蓄电池容量根据新余的地理环境和气温选着的蓄电池的最大放电深度为80%需要的蓄电池容量=日负载（安时）x需要维持天数最大放电深度+温度因子♦2需要的蓄电池容量=15x5+

0.8+

0.7=135

（3）蓄电池串联数计算公式:负载标称电压蓄电池串联数=蓄电池标称电蓄电池串联数二券=2个系统蓄电池的总容蓄电池并联数量所选单个蓄电池的

（4）蓄电池并联计算公式容量蓄电池并联数二篇二个取个

0.31所以该系统需要使用的蓄电池个数为2串联X1并联二2（个）

3.3蓄电池的选择由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池，系统才能工作一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态,影响蓄电池寿命，同时造成浪费蓄电池应及太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配太阳能电池功率必须比负载功率高出3—4倍以上,系统才能正常工作太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压2030%,才能保证给蓄电池正常充电蓄电池容量必须比负载日耗量高6〜倍以上为宜蓄电池的基本参数:型号BST12-100品牌百斯特铅酸免维护封闭式蓄电池价格600元/个。