引言

目前主要有兩種光伏應(yīng)用形式：大型地面電站和分布式光伏電站，其中分布式電站由于具有不額外占用土地、分散接入電網(wǎng)以及就地消納等特點[1,2]，得到了國家的大力推廣。2015年3月國家能源局《關(guān)于下達(dá)2015年光伏發(fā)電建設(shè)實施方案的通知》中指出，2015年規(guī)劃全國新增光伏電站規(guī)模為1780萬千瓦，其中對分布式光伏發(fā)電項目不做建設(shè)規(guī)模的限制，由此可見國家對分布式光伏發(fā)電的扶持力度。

BIPV作為分布式光伏發(fā)電的一種重要應(yīng)用形式，由于光伏構(gòu)件集建筑材料和發(fā)電材料為一體，因此近年來取得了快速發(fā)展，尤其光伏幕墻和采光頂?shù)膽?yīng)用，實際幕墻項目案例如圖1所示。但是光伏幕墻尚且存在一些問題，如安全可靠性、同幕墻分格尺寸匹配性、通風(fēng)散熱、電氣布線等[圖3,4,5]，尤其對于大尺寸點支承薄膜光伏幕墻的實際案例還非常少。本文詳細(xì)介紹了一個大尺寸點支承薄膜光伏幕墻以及不同顏色光伏采光頂?shù)腂IPV實際案例，包括光伏構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣走線的優(yōu)化、光伏系統(tǒng)配置以及發(fā)電量的預(yù)測，為BIPV的發(fā)展提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

▲圖1（a）江蘇薄膜硅光伏幕墻項目

▲圖1（b）河北晶體硅光伏幕墻項目

項目介紹

漢能控股集團(tuán)有限公司光伏連廊項目坐落于北京市，北京位于東經(jīng)115.7°E-117.4°E，北緯39.4°N-41.6°N，年平均日照峰值小時數(shù)為4小時左右，是太陽能輻照資源較豐富的地區(qū)之一。連廊東、西兩側(cè)立面安裝透光率為20%的光伏組件，光伏裝機(jī)容量約為11kW；連廊頂部安裝透光率為20%的彩色光伏組件，光伏裝機(jī)容量約為8kW。項目實際照片如圖2所示。

▲圖2（a）點支承薄膜硅光伏幕墻內(nèi)視圖

▲圖2（b）薄膜硅光伏采光頂內(nèi)視圖

▲圖2（c）整體外視圖

光伏組件的選取和制備

項目采用非晶硅/微晶硅疊層光伏組件，為滿足分格尺寸及建筑功能（如熱工性能）要求，先將不同尺寸的電池芯片進(jìn)行拼接。對于立面幕墻光伏構(gòu)件，采用兩種不同尺寸的6片電池芯片（同尺寸芯片間的電學(xué)參數(shù)要求一致）進(jìn)行拼接，層壓成三夾層結(jié)構(gòu)，然后再制作成中空結(jié)構(gòu)，整個光伏構(gòu)件共采用四層玻璃，其中有三層尺寸為3376mm×1438mm×8mm的大片鋼化玻璃，第二層為6片3.2mm厚的電池芯片。光伏構(gòu)件的整體厚度為42.24mm。

光伏構(gòu)件上共有6個玻璃支承孔，室內(nèi)側(cè)孔直徑為45mm，室外側(cè)孔直徑為40mm，為保證支承孔處的電氣安全，對其進(jìn)行雙道絕緣。當(dāng)電池芯片制備完成后在孔位置進(jìn)行激光掃邊絕緣，然后在中空構(gòu)件制備完成后，在孔的截面處采用絕緣性能好的硅膠進(jìn)行處理。整個光伏構(gòu)件的設(shè)計、制備過程中，完美的體現(xiàn)了BIPV光伏構(gòu)件的客戶定制化特征。光伏構(gòu)件的平面圖和截面圖如圖3（a）和圖3（b）所示。

▲圖3（a）光伏構(gòu)件平面圖

▲圖3（b）光伏構(gòu)件截面圖

在光伏構(gòu)件的制備過程中，通過3A級太陽能模擬器對其進(jìn)行功率監(jiān)測。未打孔的6片電池芯片的功率總和為312W，打孔后功率下降到295W（理論計算值為297W），而將芯片封裝成構(gòu)件后功率為292W，相比于打孔芯片功率下降僅為1%左右，說明芯片間的電壓一致性較好，并且匯流帶引入的串聯(lián)電阻也比較低，構(gòu)件制備工藝控制良好。而光伏構(gòu)件的功率相比于原始未打孔芯片的功率也僅僅下降了6.4%左右，此功率損失對于這類特殊項目來說是完全可以接受的。

采光頂部位為了滿足不同的視覺效果采用了黃、橙、藍(lán)等不同顏色的大尺寸拼接光伏構(gòu)件，其構(gòu)件截面圖如圖4所示，同圖3（b）相比，室內(nèi)側(cè)為夾膠安全玻璃。由于采光頂采用隱框安裝方式，因此并未對光伏構(gòu)件進(jìn)行打孔。

▲圖4 光伏構(gòu)件截面圖

安裝方式和電氣布線

光伏連廊立面采用點支承幕墻安裝方式，安裝節(jié)點橫向剖面圖如圖5（a）所示。光伏連廊采光頂采用隱框幕墻安裝方式，安裝節(jié)點如圖5（b）所示。按照玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[6]進(jìn)行光伏構(gòu)件的安裝。

▲圖5（a）點支承光伏幕墻安裝節(jié)點圖

▲圖5（b）采光頂隱框安裝節(jié)點圖

為了保證項目的安全性、美觀性，此項目對組件結(jié)構(gòu)、安裝形式以及電氣布線進(jìn)行了深入優(yōu)化。立面幕墻光伏構(gòu)件結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示，其長邊方向上三片發(fā)電芯片并聯(lián)后通過同一個接線盒輸出，這樣只需在光伏構(gòu)件的頂端出線即可，避免了本項目立面安裝時在構(gòu)件間的膠縫中進(jìn)行走線，安全性較高且便于安裝及日后維護(hù)。而采光頂由于采用隱框安裝方式，組件間的互聯(lián)只能通過膠縫走線。

對于線纜的敷設(shè)，在采光頂光伏構(gòu)件和立面光伏構(gòu)件之間采用鋁包板進(jìn)行包封，電纜橋架隱蔽固定在有足夠存放空間的鋁包板內(nèi)，當(dāng)組件彼此間電氣連接后，通過預(yù)分支電纜進(jìn)行匯流，匯流線通過50mm×50mm鋁合金橋架連接到逆變器的直流輸入端，電纜敷設(shè)示意圖如圖6所示。

▲圖6 電纜敷設(shè)示意圖

系統(tǒng)配置和發(fā)電量預(yù)測

本項目在連廊東、西兩個不同立面上安裝光伏構(gòu)件，因此采用具有兩路MPPT跟蹤的組串型光伏逆變器，逆變器功率為10kW；連廊采光頂為了排水考慮，設(shè)置一個小坡度，同樣采用組串型逆變器，逆變器功率為8kW。逆變器由于具有多路MPPT跟蹤功能，可以對每路光伏組件進(jìn)行功率跟蹤優(yōu)化，提高光伏方陣的發(fā)電效率，十分適合應(yīng)用在安裝朝向和安裝傾角比較復(fù)雜的BIPV項目。

為實時監(jiān)控電站的光照強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、并網(wǎng)功率、當(dāng)日發(fā)電量、累計發(fā)電量等，電站配有監(jiān)控顯示系統(tǒng)，監(jiān)控顯示系統(tǒng)由輻照計、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、工控機(jī)、通訊模塊、監(jiān)控軟件及通訊線等組成。

根據(jù)加拿大Retscreen軟件收集的氣象數(shù)據(jù)，北京地區(qū)東、西立面年平均輻照強(qiáng)度大約為2.5kWh/m2/day，水平面年平均輻照強(qiáng)度大約為3.7kWh/m2/day，預(yù)計此項目平均每年大概發(fā)16600度電。

結(jié)語

相比于地面大型光伏電站而言，光伏構(gòu)件同建筑的結(jié)合是對有限土地資源的充分利用，有著廣闊的前景和巨大的潛力。本文重點介紹了通過拼接方式可以有效解決光伏構(gòu)件同點支承幕墻分格尺寸的不匹配問題，通過對構(gòu)件進(jìn)行雙道絕緣處理，確保了幕墻的電氣安全性，同時安裝孔的存在帶來的構(gòu)件功率的降低也在可接受的范圍之內(nèi)。另外，還介紹了通過改變光伏構(gòu)件的顏色實現(xiàn)了建筑外觀不同的視覺效果。本項目對于BIPV的推廣有一定的指導(dǎo)意義。