5.7光伏建筑一体化BIPV的设计

　　5.7.1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。

　　5.7.2建筑设计

　　BIPV的设计应从建筑设计入手，首先对建筑物所处地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；其次是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；第三是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。第四，考虑光伏组件的吸热对建筑热环境的改变。

　　5.7.3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光伏系统设计包含三部分，分别为光伏方阵设计、光伏组件设计和光伏发电系统设计。

　　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。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）。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。

　　5.7.4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：一是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。二是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最不利情况。建筑的使用寿命一般在50年以上，光伏组件的使用寿命也在20年以上，BIPV的结构安全性问题不可小视。

　　构造设计是关系到光伏组件工作状况与使用寿命的因素，普通组件的边框构造与固定方式相对单一。与建筑结合时，其工作环境与条件有变化，其构造也需要与建筑相结合。

　　5.8太阳能光伏发电系统的组成   

　　太阳能光伏发电系统的组成，根据联网光伏系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为可逆流与不可逆流联网光伏发电系统。可逆流系统，是指光伏系统产生剩余电力时将该电能送入电网，由于是同电网的供电方向相反，所以称为逆流；当光伏系统产生电力不够时，则由电网供电。这种系统，一般是为光伏系统的发电能力大于负载或发电时间同负荷用电时间不相匹配而设计的。不可逆流系统，是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，电量不够时由电网供电，即光伏发电系统与电网形成并联向负荷供电。这种系统，即使当光伏系统由于某种特殊原因产生剩余电能，也只能通过某种手段加以处理或放弃。由于不会出现光伏系统向电网输电的情况，所以称为不可逆流系统。根据联网光伏系统是否配贮能装置，分为有贮能装置和无贮能装置联网光伏发电系统。配置少量蓄电池的系统，称为有贮能系统。不配置蓄电池的系统，称为无贮能系统。有贮能系统主动性强，当出现电网限电、掉电、停电等情况时仍可正常供电。

　　5.9光伏电站设计实例

　　（一）光伏子系统设计

　　光伏子系统包括光伏组件、基础、支撑结构、内部电气化连接、防护设施、接地等。

　　1． 负载日功耗QL（W.h）计算

　　(1) 主要依据：某工程合同要求建设1座光伏电池组件装机容量为25KW的独立光伏电站；已知当地年总辐射量为6782.3MJ/m^2.

　　(2) 计算公式为  

　　QL=PKOPHL/ (5618A×365) 
　　P=25KW    HL=6782.3MJ/m^2
　　式中   A—安全系数,取1.2；KOP—最佳辐射系数，取1.1；
　　HL—水平面上太阳总辐射量，KJ/m^2；P—光伏电池功率，KW。
　　于是有QL=25KW×1.1×6782.3MJ/m^2/ (5618×1.2×365)
　　=75.8  KW.h

　　2. 光伏电池组件设计

　　(1)光伏电池组件总功率为25KW。选用德国西门子公司生产的140W单晶硅太阳能电池组件。其主要技术参数为：额定峰值功率140W；额定峰值电压34V；额定峰值电流4.5A。设计发电系统的额定直流电压220V。

　　(2) 太阳能电池组件串联数Ns的确定

　　Ns=Uf+Ui/Um
　　式中   Uf—蓄电池半浮充工作电压,取303VDC；Ui—串联回路线路电压降，取3V；
　　Um—光伏电池组件的峰值电压，34V；P—光伏电池功率，KW。
　　于是有Ns=（303+3）/ 34=9，取9块。

　　(3) 太阳能电池组件并联数NP的确定

　　NP=P/Ns P1
　　式中  P—光伏电池方阵功率；Ns—太阳能电池方阵组件串联数；
　　P1—光伏电池组件峰值功率。
　　于是有Ns=25000W/ 9×140W=19.8组，取20组。

　　(4)太阳能电池组件实际数为N=Ns×NP=9×20=180块。

　　(5) 太阳能电池组件实际总功率为N=Ns×NP×P1=9×20×140=25200W。

　　3. 光伏方阵接线箱选型

　　接线箱装于光伏发电系统光伏方阵的输出端，其输入端连接各组子方阵，输出端连接控制器，具有防反充和防雷击功能。选用上海某公司生产的TRJX-3/1光伏方阵接线箱6只和TRJX-2/1光伏方阵接线箱1只。

　　4. 光伏方阵设计

　　(1)设计中应注意以下两点a. 方阵场地的选择避免阴影影响，各子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；b.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°+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°)]
　　=3624 mm，取3700 mm

　　（5）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600 mm。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10Ω，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。

　　（6）连接电缆选择  采用可满足室外使用要求的耐候性良好的电缆。电缆的线径通过计算可满足方阵最大输出电流的要求，以减少线路的损耗。电缆与线端的连接紧固无松动。