胡從川，王博淵，劉廣東，張昕宇*，王聰輝，李博佳

(1. 都城偉業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100020；2. 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

黨的十八大以來，低碳成為我國社會(huì)發(fā)展的重要議題，伴隨2020年“2030年前中國要‘碳達(dá)峰’，2060年實(shí)現(xiàn)‘碳中和’”目標(biāo)(業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱為“30/60目標(biāo)”)的提出，我國能源產(chǎn)業(yè)從資源屬性向制造業(yè)屬性的前進(jìn)步伐繼續(xù)加快；作為能源用戶之一的建筑，在節(jié)能事業(yè)取得各項(xiàng)階段性成果的同時(shí)，建筑的碳排放總量依然可觀。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國建筑領(lǐng)域的碳排放量占全國碳排放總量的近1/3[1]，并且隨著城鎮(zhèn)化率的提升，建筑產(chǎn)生的溫室氣體量將進(jìn)一步攀升。因此，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳將成為實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。

因此，在提升建筑能效的同時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮可再生能源等綠色低碳能源的潛力[2]，開展光伏發(fā)電在建筑場(chǎng)景中的高質(zhì)量、規(guī)?；瘧?yīng)用，以光電建筑的形式促進(jìn)建筑本體的“碳中和”。經(jīng)中國建筑科學(xué)研究院有限公司測(cè)算，我國既有建筑可用于安裝光伏陣列的面積達(dá)100億m2，總裝機(jī)量可達(dá)1500 GW；并且隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，每年新建建筑可用于安裝光伏陣列的面積達(dá)20億m2，每年光伏系統(tǒng)新增裝機(jī)量潛力可達(dá)18 GW。由此可見，我國光電建筑的應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，當(dāng)前正處于大規(guī)模發(fā)展前的啟動(dòng)階段，與其相關(guān)的科學(xué)、有效的指導(dǎo)性技術(shù)要求有待被提出。

為此，本文基于光電建筑工程實(shí)踐與檢測(cè)工作，從建筑應(yīng)用角度出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了光電建筑工程的關(guān)鍵技術(shù)，并有針對(duì)性地提出相關(guān)要求，以期為從業(yè)人員在光電建筑咨詢、設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收方面提供指導(dǎo)，力求促進(jìn)光伏與建筑行業(yè)的融合，推動(dòng)光電建筑的高質(zhì)量、規(guī)模化應(yīng)用。

1 布局與設(shè)計(jì)

光電建筑是以光伏發(fā)電系統(tǒng)作為建筑主體的建筑能源系統(tǒng)，需要遵循適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀的基本原則。首先，應(yīng)考慮建筑的功能性和安全性要求。例如，必須滿足光伏陣列不跨越建筑變形縫、承載面必須為阻燃材料等嚴(yán)格要求。其次，要滿足建筑及其所在園區(qū)在日照、視覺、防眩光等方面的一致性要求。比如，加裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅要避免被周邊建筑、構(gòu)筑物、樹木所遮擋，同時(shí)其也不應(yīng)降低相鄰建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)；置于屋面、立面等建筑外表面的光伏陣列與建筑主體的外觀形態(tài)應(yīng)該保持協(xié)調(diào)、美觀；在廣場(chǎng)、步行街及旅游景觀一類的場(chǎng)景中安裝光伏陣列時(shí)，應(yīng)特別注意把控整體的色調(diào)和效果；若是針對(duì)既有建筑改造的情況，則需要做好視線影響分析。

屋面一般是建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)最常見的安裝載體，相對(duì)于在外立面安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，安裝于屋面的光伏發(fā)電系統(tǒng)不易受到遮擋，且安裝場(chǎng)地開闊，易于施工。

在平屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，一般是將光伏組件安裝于光伏支架上，經(jīng)濟(jì)條件較好時(shí)，推薦選用跟蹤式光伏支架，光伏組件一般為正面朝南的方式安裝，通過調(diào)節(jié)光伏組件安裝傾角來跟蹤太陽。目前國內(nèi)工程多以固定式光伏支架為主，光伏組件的安裝傾角以組件接收最佳日照為宜來確定，或通過動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可獲得最大年發(fā)電量來確定光伏組件安裝傾角。

從光伏陣列的防風(fēng)及美觀角度考慮，對(duì)于高出屋面較多的光伏陣列，應(yīng)利用女兒墻等構(gòu)件對(duì)光伏陣列感觀突出的部位進(jìn)行適當(dāng)圍擋[3]，如圖1所示。此時(shí)應(yīng)定量化計(jì)算建筑構(gòu)件對(duì)光伏組件造成的遮擋，合理規(guī)劃光伏陣列與建筑構(gòu)件的距離，從而避免建筑構(gòu)件對(duì)前排光伏組件的發(fā)電造成不利影響。

圖1 建筑屋面上的光伏陣列有、無女兒墻圍擋時(shí)的外觀Fig. 1 Appearance of PV array on roof of building with or without parapet shielding

在坡屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，光伏組件可以選用一體化效果較好、樣式豐富的“光伏瓦”，尤其是針對(duì)希望保有原始建筑面貌的別墅、村鎮(zhèn)住宅，如圖2所示。

圖2 建筑坡屋面上安裝的光伏瓦Fig. 2 PV tiles installed on sloping roof of building

光伏瓦應(yīng)注意根據(jù)建筑模數(shù)來進(jìn)行整體的布置設(shè)計(jì)，以保證建筑主體美觀；對(duì)于非光伏瓦完整覆蓋或設(shè)計(jì)復(fù)雜的坡屋面，應(yīng)選用與原始瓦片顏色相仿的光伏組件或?qū)ζ挛菝孢M(jìn)行噴涂，從而保證顏色協(xié)調(diào)。需要注意的是，雖然大部分屋面加裝光伏組件的安全性好，但油氈瓦屋面等非阻燃材料上不能加裝光伏組件；與此同時(shí)還要考慮防火問題，比如，木檁條坡屋面加裝光伏組件時(shí)應(yīng)采取防火隔離措施，并應(yīng)符合消防規(guī)范的規(guī)定。

2 建筑結(jié)構(gòu)

依據(jù)光伏組件是否承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行分類，建筑光伏可分為一體化建筑光伏(BIPV)和附加型建筑光伏(BAPV)這2種形式。

BIPV形式的光伏組件不僅具備發(fā)電功能，還替代原有建筑材料作為建筑構(gòu)件承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載、采光、遮陽及裝飾等建筑功能，此類光伏組件也常稱為建筑光伏組件，如光伏幕墻、光伏采光頂、光伏遮陽板等，一般涉及到結(jié)構(gòu)問題時(shí)其要與建筑一并考慮。

相比之下，BAPV則是將建筑物屋面、立面作為光伏組件的安裝載體，對(duì)光伏組件起支撐作用，是既有建筑加裝光伏的常用形式，如圖3所示。由于既有建筑的建筑年代參差不齊，以往的建筑對(duì)于抗震設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)安全方面的要求較低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面加裝光伏組件后會(huì)加重安裝部位的結(jié)構(gòu)承載負(fù)荷，因此應(yīng)考慮對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的校核。目前針對(duì)結(jié)構(gòu)問題的探討也較多。

圖3 既有建筑屋面上加裝光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig. 3 PV power generation system installed on existing building roof

在工程實(shí)施前，首先需要對(duì)房屋、場(chǎng)地及環(huán)境條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，檢查房屋結(jié)構(gòu)的安全性并評(píng)估方案的可行性，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)安全性評(píng)估結(jié)果、光電建筑的使用要求和后期設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行可靠性鑒定。在涉及主體和承重結(jié)構(gòu)改動(dòng)，或增加荷載時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)核尤為重要，要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料的耐久性、荷載安裝部位的構(gòu)造及強(qiáng)度等，可由原先或其他有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位根據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖、竣工圖、計(jì)算書文件進(jìn)行復(fù)核，并委托法定檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)不存在結(jié)構(gòu)安全問題，否則應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，以確保建筑結(jié)構(gòu)安全和其他相應(yīng)的安全性要求。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、修繕情況和施工要求，確定既有建筑加裝光伏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。例如，若原有屋面需要拆除重建時(shí)，可以考慮采用BIPV形式；若只是在原有屋面基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，則采用BAPV形式較為容易。采用BAPV形式時(shí)首先應(yīng)核算和評(píng)估光伏發(fā)電系統(tǒng)的自重，以及風(fēng)荷載、雪荷載、檢修荷載和地震對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以確認(rèn)加裝的光伏支架是否可直接與原有結(jié)構(gòu)或預(yù)留基礎(chǔ)連接；如需加注水泥墩，則建議將水泥墩與原有承重結(jié)構(gòu)采用鋼筋連接，先焊接后植筋；同時(shí)要確定好光伏支架、支撐金屬件及其連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)，安裝的光伏支架與原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接要可靠，例如采用后置錨栓方式時(shí)，有可能對(duì)建筑原本的防水層造成破壞，應(yīng)做好修補(bǔ)方案。針對(duì)超低能耗建筑、被動(dòng)房等高水平建筑進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)特別注意保溫層的連續(xù)性，并做好斷熱橋處理，避免增大建筑的冷、熱負(fù)荷。

3 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)分類

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)量的設(shè)計(jì)一般是與負(fù)載相匹配，因此不同于光伏水泵、光伏路燈等單一型負(fù)載，此類建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)較小的裝機(jī)量也可達(dá)2～3 kW，因此需要考慮光伏發(fā)電的消納問題。

根據(jù)是否接入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般設(shè)有儲(chǔ)能系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方式靈活、適用范圍廣；缺點(diǎn)是用電可靠性低于并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，管控較為分散，一般用于無市電地區(qū)，以及用電量小、用電分散的負(fù)載。近年來，隨著儲(chǔ)能變流器(PSC)的發(fā)展，很多光伏發(fā)電系統(tǒng)允許將市電作為光伏電力的互補(bǔ)電源，并搭配優(yōu)先級(jí)控制策略，從而保證用戶的穩(wěn)定用電。實(shí)踐表明，優(yōu)化的控制策略同樣需要在設(shè)計(jì)階段依據(jù)光伏發(fā)電與建筑負(fù)載用電的分布規(guī)律(如圖4所示)進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)做好光伏發(fā)電、儲(chǔ)能蓄電、建筑負(fù)載用電之間的匹配。

圖4 光伏發(fā)電與建筑負(fù)載用電的分布規(guī)律原理圖Fig. 4 Schematic diagram of distribution law of PV power generation and building load power consumption

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指與公共電網(wǎng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其所發(fā)電力不經(jīng)過儲(chǔ)能系統(tǒng)，直接通過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)。由于光伏發(fā)電與建筑負(fù)載用電的分布規(guī)律存在差異，因此并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以很好地滿足可靠發(fā)電、供電和集中調(diào)節(jié)的需求，建筑可以實(shí)時(shí)地向電網(wǎng)存、取電能，既可以降低系統(tǒng)成本，又可以減少其復(fù)雜的運(yùn)維過程。但從用戶收益方面來看，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般會(huì)受當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)與補(bǔ)貼政策的影響。

3.2 光伏組件

光伏組件是由若干太陽電池連接并嚴(yán)密封裝而成，通過串、并聯(lián)構(gòu)成光伏組串和光伏陣列，從而達(dá)到光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的裝機(jī)量需求。目前，我國市場(chǎng)份額占比較大的仍然是晶硅類太陽電池，而二代太陽電池包含硅基、碲化鎘、銅銦鎵硒等薄膜太陽電池，在光電建筑上具備易與建筑一體化結(jié)合、長效、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。太陽電池類型的選擇應(yīng)綜合考慮安裝場(chǎng)景、光照資源、電網(wǎng)條件和運(yùn)行方式等因素。

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)中選用的光伏組件應(yīng)已通過產(chǎn)品認(rèn)證，且具有符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)志和標(biāo)注；光伏組件互連不僅要符合光伏陣列電氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還需采取有效的連接和隱蔽措施，防止其脫落及人員觸電，這一點(diǎn)對(duì)于光伏幕墻來說尤其重要。光伏組件的朝向、安裝傾角、安裝位置、支撐結(jié)構(gòu)等應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，這也是現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的關(guān)鍵。例如，對(duì)于采用固定傾角的光伏支架，光伏組件的實(shí)際安裝傾角與設(shè)計(jì)傾角的偏差應(yīng)至少控制在±2°以內(nèi)。光伏組件及光伏支架安裝情況的現(xiàn)場(chǎng)檢查如圖5所示。

圖5 光伏組件及光伏支架安裝情況的現(xiàn)場(chǎng)檢查Fig. 5 On-the-spot inspection of installation of PV modules and PV brackets

特別需要說明的是，作為建筑表面構(gòu)件的光伏組件，其在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)建筑負(fù)荷造成一定影響[4]。對(duì)此，T/CECS 10093《建筑光伏組件》[5]提出應(yīng)測(cè)試光伏組件的背板溫度。另外，建筑光伏組件還要特別注意燃燒性能、耐火極限等防火性能要求，尤其對(duì)于BIPV形式中作為建筑構(gòu)件的光伏組件，應(yīng)選用雙玻光伏組件，并至少達(dá)到“A級(jí)”的燃燒性能等級(jí)要求。

3.3 逆變器、充放電控制器

GB/T 30427-2013《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》、GB/T 37408-2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求》、NB/T 32004-2018《光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》等已經(jīng)對(duì)逆變器產(chǎn)品做出規(guī)范。相比于地面光伏電站，光電建筑中采用的逆變器更應(yīng)注重使用時(shí)的安全性和便利性。當(dāng)前，越來越多的并離網(wǎng)逆變器兼顧PCS儲(chǔ)能調(diào)節(jié)及電源、負(fù)載集成管理功能，由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未涉及其全部要求，因此在建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用此類逆變器時(shí)，應(yīng)要求其符合充放電控制過程的基本規(guī)定。例如，對(duì)于直流側(cè)欠壓、過壓狀況的保護(hù)和恢復(fù)過程，可自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)定參數(shù)值，提供報(bào)警信息等，以及考慮充、放電狀態(tài)響應(yīng)，光伏電力與市電切換控制的穩(wěn)定性等要求。

從運(yùn)維角度來看，由于建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)未必由專業(yè)人員管理，因此要求逆變器應(yīng)具備工作溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，可以在超溫等緊急狀況下報(bào)警，及時(shí)關(guān)閉直流/交流逆變功能。

針對(duì)故障保護(hù)，建議在交流側(cè)安裝電弧故障保護(hù)裝置，當(dāng)直流側(cè)輸入電壓大于特定電壓(例如80 V)時(shí)，也建議安裝電弧故障保護(hù)裝置。另外，逆變器的直流側(cè)、交流側(cè)應(yīng)采取合理的絕緣保護(hù)措施，所有的絕緣和開關(guān)裝置功能的檢查結(jié)果應(yīng)為“正常”，交流系統(tǒng)部分要符合建筑電氣系統(tǒng)的規(guī)定。

3.4 蓄電池組

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般要配備高效、環(huán)保、壽命長、可靠性好、維護(hù)簡(jiǎn)單并符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的蓄電池。相對(duì)于公共建筑上安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)需求的儲(chǔ)能量雖然不大，但設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入的電流一般為低壓直流電，儲(chǔ)能回路本身的電流不小，因此根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池的并聯(lián)組數(shù)不超過4組。當(dāng)裝有多個(gè)蓄電池時(shí)，建議選用安全、穩(wěn)固的電池箱進(jìn)行集中擺放，并做好通風(fēng)、散熱措施，以及標(biāo)注當(dāng)心觸電等標(biāo)識(shí)。

此外，蓄電池組接線必須采用冷壓線端子一類的專業(yè)元件，并配有絕緣帽，以防止施工人員觸電，并建議定期開箱檢查是否存在電極腐爛、電弧導(dǎo)致絕緣體損壞等問題。特別需要注意的是，當(dāng)制造商生產(chǎn)的蓄電池可用于海拔高度為2000 m及以上的環(huán)境時(shí)，其應(yīng)確認(rèn)并在配套文件中說明此類蓄電池適用的海拔、溫度、氣壓等環(huán)境條件。蓄電池電極發(fā)生腐爛的情況如圖6所示。

圖6 蓄電池電極發(fā)生腐爛的情況Fig. 6 Electrodes of storage battery are rotten

3.5 直流匯流箱

相對(duì)于單一直流輸入的逆變器，當(dāng)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模較大或光伏組串?dāng)?shù)量較多時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)使用直流匯流箱，甚至采用直流配電柜將多個(gè)直流匯流箱的輸出直流匯總后輸送給逆變器。這種情況下，要求直流匯流箱、配電柜結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足建筑的要求；如果這些設(shè)備放置在室外，則必須進(jìn)行密封處理，采取防雨、防腐、防塵措施。一般室內(nèi)放置的直流匯流箱的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP44，室外使用的直流匯流箱的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP65，并具備較好的耐候性。直流匯流箱、配電柜應(yīng)可靠接地，并設(shè)置相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，考慮用戶的非專業(yè)背景，要對(duì)接地線做好明確的標(biāo)識(shí)。直流匯流箱的基本配件與標(biāo)識(shí)如圖7所示。

圖7 直流匯流箱的基本配件與標(biāo)識(shí)Fig. 7 Basic accessories and identification of DC junction box

另外，從安全性來看，直流匯流箱、配電柜接線端子的設(shè)計(jì)應(yīng)便于技術(shù)人員操作，接線應(yīng)穩(wěn)定無松動(dòng)，相鄰導(dǎo)線不應(yīng)碰觸或短接，固定元件應(yīng)采用銅等易導(dǎo)電、耐腐蝕的材料。當(dāng)光伏組串發(fā)生過電流或短路狀況時(shí)，宜采用配備防反充二極管等方式對(duì)光伏組串進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。

3.6 線纜

相比于常規(guī)建筑的電氣系統(tǒng)，光電建筑的光伏線纜常年暴露于室外，因此要求選用耐候、耐紫外輻射、阻燃等抗老化的線纜材料。另外，由于建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的運(yùn)行電流較大，因此在線纜選型時(shí)需要滿足各直流回路通過的最大電流的要求，防止過載危險(xiǎn)，并減少線路損耗。

針對(duì)漏電保護(hù)和接地保護(hù)的要求主要包括：漏電保護(hù)器必須選用合規(guī)產(chǎn)品，在過載或短路狀況下能及時(shí)響應(yīng)；接線環(huán)路面積不宜過大，從而避免雷擊引起的瞬間高壓；等電位體的安裝要把電氣裝置外露的金屬及可導(dǎo)電部分與接地體連接，并且光伏邊框采用金屬框架時(shí)應(yīng)對(duì)等電位連接導(dǎo)體進(jìn)行接地，一般采用導(dǎo)電率至少相當(dāng)于截面為35 mm2銅導(dǎo)線導(dǎo)電率的接地材料和接地體相連，且接地應(yīng)有防腐和降阻處理。

3.7 直流系統(tǒng)

GB/T 16895.6-2014《低壓電氣裝置 第5-52部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝布線》和GB/T 16895.32-2008《建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場(chǎng)所的要求 太陽能光伏(PV)電源供電系統(tǒng)》是針對(duì)低壓電氣裝置和建筑光伏電氣裝置的規(guī)范，適用于建筑光伏直流系統(tǒng)。除此之外，光伏直流系統(tǒng)的電壓、電流波動(dòng)較大，因此當(dāng)光伏陣列在無負(fù)載時(shí)處于開路電壓或在短路時(shí)處于短路電流的極限情況下，直流系統(tǒng)各元器件都應(yīng)穩(wěn)定工作。直流絕緣保護(hù)應(yīng)不低于上述標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ類或等同絕緣強(qiáng)度。

在設(shè)計(jì)和施工階段，選用的光伏組串、光伏陣列及直流主電纜應(yīng)盡可能減少接地故障和短路時(shí)產(chǎn)生的危險(xiǎn)；當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，直流隔離開關(guān)可以及時(shí)動(dòng)作，直流隔離開關(guān)的選型要與其連接的光伏組件、逆變器、充放電控制器等相匹配。配線系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)也應(yīng)能抵抗大風(fēng)、冰霜、高溫和太陽輻射導(dǎo)致老化等外界因素的干擾。

光伏直流系統(tǒng)建議選取過電流保護(hù)裝置，并應(yīng)與光伏組串的特性相匹配，否則光伏組件則要承受可能出現(xiàn)的任意反向電流，光伏直流側(cè)線纜的最大載流量的設(shè)計(jì)應(yīng)保障在并聯(lián)光伏組件發(fā)生最大故障電流時(shí)的安全穩(wěn)定。直流系統(tǒng)接地裝置的安裝應(yīng)考慮建筑及承載面的情況，避免腐蝕并做好清晰標(biāo)注，光伏接地系統(tǒng)宜進(jìn)行定期檢查。

在快速關(guān)斷方面，近年來，美國及歐洲一些國家提出明確的關(guān)斷界限范圍和受控指標(biāo)，這對(duì)于我國光電建筑的發(fā)展具有參考意義。 根 據(jù) UL 1699B-2018《UL Standard for Safety for Photovoltiac(PV) DC Arc-Fault Circut Protection》[6]，快速關(guān)斷裝置可控制斷開建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有直流、交流電路，以距離光伏陣列305 mm為劃分邊界，位于邊界以外或在建筑內(nèi)部且距離光伏和建筑的接入點(diǎn)1 m以外的區(qū)域，關(guān)斷10 s內(nèi)任意2個(gè)受控導(dǎo)線間或任意導(dǎo)線與大地間的電壓降低至30 V以下；位于邊界以內(nèi)或在建筑內(nèi)部且距離光伏與建筑的接入點(diǎn)不超過1 m的區(qū)域，關(guān)斷10 s內(nèi)任意2個(gè)受控導(dǎo)線間或任意導(dǎo)線與大地間的電壓值不超過80 V。安裝在同一建筑的所有光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速關(guān)斷裝置應(yīng)通過1個(gè)啟動(dòng)裝置同時(shí)啟動(dòng)，并能清晰地展示工作狀態(tài)。

3.8 專用標(biāo)識(shí)

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)更容易被人接近，因此要在所有人員可能接觸的位置設(shè)置防觸電警示標(biāo)識(shí)。尤其在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)之間，應(yīng)設(shè)置具有相應(yīng)的并網(wǎng)保護(hù)功能的隔離裝置，其通斷過程與安裝的計(jì)量裝置保持一致，并在并網(wǎng)點(diǎn)處設(shè)置此處并網(wǎng)的標(biāo)識(shí)；光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)處應(yīng)設(shè)置并網(wǎng)專用低壓開關(guān)箱(柜)，并設(shè)置專用標(biāo)識(shí)和提示性文字及符號(hào)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)試的目的主要有調(diào)節(jié)設(shè)備及控制系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)，完成儲(chǔ)能設(shè)備、逆變器等的初始化啟動(dòng)過程，核查存在的問題，以及通過預(yù)運(yùn)行保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從安全性角度來看，應(yīng)確保光伏陣列的保護(hù)裝置或聯(lián)結(jié)體可靠。例如，針對(duì)金屬邊框的光伏組件，要利用導(dǎo)線將相鄰光伏組件連接，對(duì)等電位連接節(jié)點(diǎn)通過壓線、焊接等方式固定，如圖8所示。另一項(xiàng)重要的安全性測(cè)試是絕緣測(cè)試，測(cè)試對(duì)象為光伏直流線纜與光伏組件邊框、光伏支架之間的絕緣電阻，其限值依據(jù)直流系統(tǒng)的電壓確定，當(dāng)光伏直流系統(tǒng)的電壓小于120 V時(shí)，絕緣電阻不低于0.5 MΩ；當(dāng)光伏直流系統(tǒng)的電壓不小于120 V時(shí)，絕緣電阻不低于1.0 MΩ。

圖8 等電位連接Fig. 8 Connection of equipotential bounding

在光伏發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)前，還應(yīng)進(jìn)行極性調(diào)試。在開關(guān)關(guān)閉或光伏組串過流保護(hù)裝置接入前，應(yīng)檢查所有直流線纜的極性并做好清晰標(biāo)注，接線應(yīng)正確。對(duì)于開路電壓，在穩(wěn)定的光照條件下，測(cè)量的各光伏組串的開路電壓值的誤差率應(yīng)不高于5%；若測(cè)試時(shí)無穩(wěn)定光照條件，則必須延長測(cè)試周期，單獨(dú)、同期測(cè)量每個(gè)光伏組串的開路電壓，并依據(jù)太陽輻照度進(jìn)行修正。以上測(cè)試應(yīng)盡可能在穩(wěn)定的環(huán)境溫度下進(jìn)行，否則應(yīng)利用光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)進(jìn)行修正。對(duì)于短路電流，同樣優(yōu)先選擇在穩(wěn)定光照條件下測(cè)試，確保測(cè)試前光伏組串獨(dú)立，開關(guān)和隔離器處于斷開狀態(tài)。與開路電壓測(cè)試不同的是，短路電流測(cè)試應(yīng)逐個(gè)、單獨(dú)測(cè)量每個(gè)光伏組串的短路電流，并與預(yù)期值比較。同理，在穩(wěn)定光照條件下，多個(gè)光伏組串的短路電流值的誤差率應(yīng)不超過5%。

對(duì)設(shè)備開展功能調(diào)試，其中，逆變器、儲(chǔ)能設(shè)備、充放電控制器、開關(guān)設(shè)備等應(yīng)在運(yùn)行前開展獨(dú)立調(diào)試，以確保系統(tǒng)正常。例如，依據(jù)蓄電池組的設(shè)計(jì)方案，確定充放電欠壓、過壓情況下的保護(hù)和恢復(fù)功能；依據(jù)鉛酸電池或鋰電池的類型，確定均充、浮充等充電方式等。獨(dú)立調(diào)試后，建議采用專業(yè)的儀器儀表，進(jìn)行至少1天的試運(yùn)行調(diào)試，根據(jù)系統(tǒng)各回路的電性能參數(shù)來確保穩(wěn)定性。在電網(wǎng)故障測(cè)試方面，當(dāng)斷開交流主電路隔離開關(guān)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)停止發(fā)電；此后交流隔離開關(guān)重新合閘，系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際裝機(jī)量是發(fā)電量是否能達(dá)到預(yù)期值的重要因素，工程上不僅取決于光伏組件總數(shù)量，還與光伏組件的質(zhì)量、安裝方法密切相關(guān)。因此，建議采用經(jīng)校準(zhǔn)的光伏陣列測(cè)試儀，測(cè)試光伏陣列各支路的I-V特性曲線，從而可得出各支路的最大輸出功率；或通過現(xiàn)場(chǎng)直流側(cè)的工作電壓、工作電流，得出實(shí)際直流輸出功率，并依據(jù)光強(qiáng)、溫度、組串損失、光伏組件朝向等，對(duì)最大輸出功率值進(jìn)行校正。從終端來看，對(duì)于交流發(fā)電的電能質(zhì)量，應(yīng)該依據(jù)GB/T 29319-2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》等國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，主要是測(cè)量和比對(duì)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開時(shí)和逆變器并網(wǎng)時(shí)這2種情況下公共電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)點(diǎn)處的電能質(zhì)量參數(shù)。

建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后，應(yīng)具備測(cè)量數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、傳輸功能，配電設(shè)備具有相應(yīng)的保護(hù)功能。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，推薦采用專業(yè)的監(jiān)測(cè)工具，實(shí)時(shí)收集、傳輸和診斷運(yùn)行數(shù)據(jù)，并采用T/CECS 10094《戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)》[7]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出的試驗(yàn)方法，對(duì)充放電穩(wěn)定性、電氣系統(tǒng)功率比和光伏陣列單位面積的日均發(fā)電量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率及性能測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率及性能測(cè)試Fig. 9 Output power and performance test of building PV power generation system

特別是對(duì)于儲(chǔ)能型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)，涉及源荷儲(chǔ)之間的匹配，針對(duì)此類系統(tǒng)，中國建筑科學(xué)研究院有限公司結(jié)合建筑的電氣負(fù)載特性對(duì)建筑光伏組件的性能開展了系列研究和示范[4]。儲(chǔ)能型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)方法的驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)方法的驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)Fig. 10 Verification of test method for building PV power generation system with energy storage

5 結(jié)論

本文基于光電建筑工程實(shí)踐與檢測(cè)工作，系統(tǒng)梳理了光電建筑工程的關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)提出了相關(guān)要求，得出的主要結(jié)論如下：

1)光電建筑是推動(dòng)建筑零碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)能源制造與對(duì)外輸出的重要路徑，其工程關(guān)鍵技術(shù)及指導(dǎo)性要求需突破傳統(tǒng)的光伏與建筑行業(yè)的壁壘，做到科學(xué)、有效、統(tǒng)一。光電建筑的實(shí)踐應(yīng)遵循適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀的原則，從總體布局設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)試等方面開展綜合技術(shù)研究。

2)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑本體非改造區(qū)域及周邊景觀協(xié)調(diào)一致，既不影響日照與建筑自身的采光效果，光伏組件本身也不應(yīng)受到遮擋。針對(duì)必須采取光伏陣列圍擋的情況，應(yīng)通過量化分析確保不發(fā)生光伏組件陰影遮擋；光伏幕墻、光伏瓦等構(gòu)件應(yīng)按建筑模數(shù)設(shè)計(jì)，并遵守不跨越變形縫、承載屋面無燃燒性材料等基本要求。

3)將建筑屋面、立面作為光伏組件的支撐載體時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，光伏支架、支撐金屬件及連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)保障光伏陣列能承受自重、風(fēng)荷載、雪荷載和地震的影響。多數(shù)改造工程會(huì)對(duì)建筑原有的防水層及保溫層造成破壞，此時(shí)應(yīng)做好修補(bǔ)、修繕和完整性檢查工作。當(dāng)經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)，建議采用BIPV方案。

4)建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)更注重安全性、穩(wěn)定性和易操作性，應(yīng)在設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收環(huán)節(jié)提高重視，依據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡并、離網(wǎng)方案，必須做好儲(chǔ)能設(shè)備的安全性檢查。由于光伏組件發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，BIPV形式的光伏組件應(yīng)著重對(duì)背板溫度進(jìn)行分析，并選用雙玻光伏組件等燃燒性能達(dá)到“A級(jí)”以上的產(chǎn)品。逆變器、充放電控制器應(yīng)具備參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能；建議在光伏直流系統(tǒng)加設(shè)快速關(guān)斷裝置，并依據(jù)劃分邊界實(shí)現(xiàn)局部關(guān)斷。

5)系統(tǒng)調(diào)試是核查漏洞和完善初始化運(yùn)行的關(guān)鍵，應(yīng)做好等電位體、絕緣性、極性、光伏組串一致性、電能質(zhì)量等的必要檢查，在系統(tǒng)設(shè)備獨(dú)立調(diào)試后開展聯(lián)合調(diào)試。尤其對(duì)于儲(chǔ)能型建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)至少開展1天的預(yù)運(yùn)行試驗(yàn)，以確保源荷儲(chǔ)工況穩(wěn)定，并與光伏發(fā)電可持續(xù)供電天數(shù)、太陽能保證率等預(yù)期指標(biāo)一致。最后，還應(yīng)對(duì)充放電穩(wěn)定性、電氣系統(tǒng)功率比和光伏陣列單位面積的日均發(fā)電量進(jìn)行長、短期測(cè)試。