论文部分内容阅读
【摘 要】构建适配问题是太阳能建筑一体化的技术关键，在分析太阳能组件的设计特点的基础上，结合长春地区示范工程的建设特点及要求，提出建设性意见。
【关键词】太阳能构件；适配性；调研
1.太阳能电池板与建筑屋顶适配性设计的特点
太阳能电池板是由太阳能电池组件组合而成的。太阳能电池板在建筑屋顶设计一体化的应用上比太阳能集热器优势更大。
首先，太阳能电池板重量轻、厚度薄、建材化的太阳能电池板对屋顶的荷载小。因此，在屋顶上预先预埋支架便能有效的将太阳能电池板成功的安装。
其次，太阳能电池板是由很多个片状形式的太阳能电池组件组合而成，其在工程项目应用中可以根据实际需求灵活定制。
最后，太阳能电池片根据制作材料不同，其力学性能、电学性能和颜色均有变化。比如多晶硅太阳能电池片多个组合而成的太阳能电池板表现出来的颜色为绿色、蓝色、金色和红色等多种颜色，可根据建筑各自的性质适当选择，以丰富屋面的色彩，本试点工程选择蓝色太阳能电池板。
2.太阳能电池板与建筑屋顶适配性设计的形式
理想的太阳能光伏屋顶系统首先必须具有防风避雨以及审美的功能，这表明它应具有以下基本要求：
第一，能较容易与其它建筑屋结构设计合成一体，保证建筑自身必须的防水，与普通瓦的成本接近并同样具有持久性能。
第二，太阳能光伏系统与普通建筑屋顶安装做法相同或接近，同时必须符合建筑标准规范。
第三，理想的太阳能光伏系统可以由传统的建筑屋面安装工完成。
第四，太阳能光伏系统线路连接必须符合相关规范，避免由于电线、接线盒以及安全性不同而导致的系统复杂化。
第五，太阳能光伏系统留有简便的维修空间。
太阳能电池板与住宅屋顶设计一体化的形式主要体现在以下几方面：
第一，在坡屋顶建筑的屋面结构上附加太阳能电池板的支架，保证其与屋面之间保持一定的架空层，架空层不小于100mm，这样有利于太阳能电池板背面的降温和通风。合理选择太阳能电池板的形式、功率和颜色，在坡屋顶协调布置，使建筑整体具有美观性。
第二，太阳能电池板安装于整个坡屋面的南向、西向和东向坡面，其节省和替代了普通瓦的安装，每组太阳能电池板之间用铝合金框与屋面结构固定，太阳能电池板之间用黑色塑料密封，起防水作用，保证该屋顶太阳能光伏系统有25年的寿命。
第三，建材化屋面太阳能光伏瓦，其外观形状、安装形式与普通屋面瓦相似。例如：Star Unity AG生产的阳光瓦（Sunny Tile），瓦片长440mm，宽260mm，厚35mm。1m2的屋面需要13块阳光瓦，每块重量约为1kg。
3.吉林省长春市朝阳区52.25kW太阳能光伏发电项目调研
笔者在论文创作期间对吉林省长春市当地的太阳能光伏发电项目做了调研，该项目位于长春市朝阳区修正路与震宇街交汇南200米，地理位置为北纬43.825°，东经125.295°，项目设计单位是中电电气光伏电站事业部，该光伏发电项目的发电系统采用用户侧并网发电系统技术方案，该项目的总装机容量52.25kW太阳能光伏发电项目，太阳能电池板顺支架平面安装。光伏发电站的优点是无污染、建设周期短、维护简单、能源质量高、稳定性好、使用寿命长和不受太阳能资源分布地域性的限制。
通过国际通用卫星数据库得到以下气象信息，该项目采用的太阳能电池板的规格是1640mm*990mm*40mm，最大额定功率P为250W，选用了阳极氧化的抗腐蚀的铝合金材质边框作为刚性支撑，倾角为30°，每块太阳能电池板由60个规格为156mm*156mm的太阳能电池片组成，把电流和电压都很小的单片太阳能电池片经过串联获得高电压，再经过并联获得高电流，把它们封装在一个铝合金边框上，上面依次安装光伏钢化玻璃，封装EVA，太阳能电池片背面的背板、充入氮气、密封，整体称为太阳能电池组件，俗称太阳能电池板，接着通过二极管（防止电流回输）输出，当太阳能电池板局部产生热斑现象的时候，二极管将工作，让主电流不再从有热斑的太阳能电池片上通过，从而限制太阳能电池板发热和性能损失，再通过逆变器将光伏产品在光照情况下产生的直流电能转变为日常能使用的交流电，将交流电储存在光伏配电柜里，供日常使用或卖到公用电网。该项目屋顶总计有200块太阳能电池板，板与板间隔20mm，经板底接线盒串连共同发电，其中单晶硅太阳能电池板共计90块，每块单晶硅太阳能电池板功率为275W，型号为275W-60M，多晶硅太阳能电池板共计110块，每块多晶硅太阳能电池板功率为250W，型号为250W-60P，经技术人员计算，其日平均发电量1kWh，即1度电，国家补助为0.14元/kWh，并网卖电价格为0.88元/kWh，按市场价格每4元/瓦的价格，太阳能电池板的价格约为1000元/块，太阳能电池板标准条件发电为25℃，可承受的最低温度为零下50℃，屋顶每天的总发电量最大为350kWh，年平均每天的总发电量为200kWh。
4.结语
综合长春海外学人创业园住宅试点工程的地理位置，建筑设计状况等因素，笔者采用嵌入式瓦屋面光伏电池与坡屋面的结合应用方案，屋面多晶硅太阳能电池板发电，为住户日常所需的电视、电灯、空调等供给电力，多余的电用太阳能蓄电池储存，或者余电上网，到公共电网卖掉，与建筑一体化的太阳能热水方面，住宅采用集中集电，分户供水的综合系统，综合住户的电热水器，因为考虑到电热水器储热水水量有局限性，为保证住户突然的热水需求以及维修管理简单方便，因此在住宅屋顶为每为住户设置独立的储热水箱，综合试点工程分析了工程最佳适配的太阳能建筑一体化系统，同时调研了长春当地屋顶安装的太阳能工程，获得了长春地区多晶硅太阳能电池板的具体发电数据，经济效益，为当地太阳能建筑设计提供数据参考。
参考文献：
[1]邓晓敏，沈辉.屋顶计划催生光伏瓦.太阳能，2005年.第六期：24-25.
[2]Maria Cristina Munari Probst， Christian Roecker. Towards an improved architectural quality of building integrated solar thermal systems（BIST）. Solar Energy， 2007（81）： 1104-1116.
[3]王麗颖，王智宇.严寒地区居住类建筑节能75%的关键技术研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2015，02：65-67+108.
作者简介：
1.赵晖（1967.04-），男，汉，长春工程学院建筑与设计学院副教授（硕导），研究方向：建筑设计及其理论、建筑技术。
2.谢伟双，郭格静，佟子睿均为长春工程学院建筑与设计学院研究生。
【关键词】太阳能构件；适配性；调研
1.太阳能电池板与建筑屋顶适配性设计的特点
太阳能电池板是由太阳能电池组件组合而成的。太阳能电池板在建筑屋顶设计一体化的应用上比太阳能集热器优势更大。
首先，太阳能电池板重量轻、厚度薄、建材化的太阳能电池板对屋顶的荷载小。因此，在屋顶上预先预埋支架便能有效的将太阳能电池板成功的安装。
其次，太阳能电池板是由很多个片状形式的太阳能电池组件组合而成，其在工程项目应用中可以根据实际需求灵活定制。
最后，太阳能电池片根据制作材料不同，其力学性能、电学性能和颜色均有变化。比如多晶硅太阳能电池片多个组合而成的太阳能电池板表现出来的颜色为绿色、蓝色、金色和红色等多种颜色，可根据建筑各自的性质适当选择，以丰富屋面的色彩，本试点工程选择蓝色太阳能电池板。
2.太阳能电池板与建筑屋顶适配性设计的形式
理想的太阳能光伏屋顶系统首先必须具有防风避雨以及审美的功能，这表明它应具有以下基本要求：
第一，能较容易与其它建筑屋结构设计合成一体，保证建筑自身必须的防水，与普通瓦的成本接近并同样具有持久性能。
第二，太阳能光伏系统与普通建筑屋顶安装做法相同或接近，同时必须符合建筑标准规范。
第三，理想的太阳能光伏系统可以由传统的建筑屋面安装工完成。
第四，太阳能光伏系统线路连接必须符合相关规范，避免由于电线、接线盒以及安全性不同而导致的系统复杂化。
第五，太阳能光伏系统留有简便的维修空间。
太阳能电池板与住宅屋顶设计一体化的形式主要体现在以下几方面：
第一，在坡屋顶建筑的屋面结构上附加太阳能电池板的支架，保证其与屋面之间保持一定的架空层，架空层不小于100mm，这样有利于太阳能电池板背面的降温和通风。合理选择太阳能电池板的形式、功率和颜色，在坡屋顶协调布置，使建筑整体具有美观性。
第二，太阳能电池板安装于整个坡屋面的南向、西向和东向坡面，其节省和替代了普通瓦的安装，每组太阳能电池板之间用铝合金框与屋面结构固定，太阳能电池板之间用黑色塑料密封，起防水作用，保证该屋顶太阳能光伏系统有25年的寿命。
第三，建材化屋面太阳能光伏瓦，其外观形状、安装形式与普通屋面瓦相似。例如：Star Unity AG生产的阳光瓦（Sunny Tile），瓦片长440mm，宽260mm，厚35mm。1m2的屋面需要13块阳光瓦，每块重量约为1kg。
3.吉林省长春市朝阳区52.25kW太阳能光伏发电项目调研
笔者在论文创作期间对吉林省长春市当地的太阳能光伏发电项目做了调研，该项目位于长春市朝阳区修正路与震宇街交汇南200米，地理位置为北纬43.825°，东经125.295°，项目设计单位是中电电气光伏电站事业部，该光伏发电项目的发电系统采用用户侧并网发电系统技术方案，该项目的总装机容量52.25kW太阳能光伏发电项目，太阳能电池板顺支架平面安装。光伏发电站的优点是无污染、建设周期短、维护简单、能源质量高、稳定性好、使用寿命长和不受太阳能资源分布地域性的限制。
通过国际通用卫星数据库得到以下气象信息，该项目采用的太阳能电池板的规格是1640mm*990mm*40mm，最大额定功率P为250W，选用了阳极氧化的抗腐蚀的铝合金材质边框作为刚性支撑，倾角为30°，每块太阳能电池板由60个规格为156mm*156mm的太阳能电池片组成，把电流和电压都很小的单片太阳能电池片经过串联获得高电压，再经过并联获得高电流，把它们封装在一个铝合金边框上，上面依次安装光伏钢化玻璃，封装EVA，太阳能电池片背面的背板、充入氮气、密封，整体称为太阳能电池组件，俗称太阳能电池板，接着通过二极管（防止电流回输）输出，当太阳能电池板局部产生热斑现象的时候，二极管将工作，让主电流不再从有热斑的太阳能电池片上通过，从而限制太阳能电池板发热和性能损失，再通过逆变器将光伏产品在光照情况下产生的直流电能转变为日常能使用的交流电，将交流电储存在光伏配电柜里，供日常使用或卖到公用电网。该项目屋顶总计有200块太阳能电池板，板与板间隔20mm，经板底接线盒串连共同发电，其中单晶硅太阳能电池板共计90块，每块单晶硅太阳能电池板功率为275W，型号为275W-60M，多晶硅太阳能电池板共计110块，每块多晶硅太阳能电池板功率为250W，型号为250W-60P，经技术人员计算，其日平均发电量1kWh，即1度电，国家补助为0.14元/kWh，并网卖电价格为0.88元/kWh，按市场价格每4元/瓦的价格，太阳能电池板的价格约为1000元/块，太阳能电池板标准条件发电为25℃，可承受的最低温度为零下50℃，屋顶每天的总发电量最大为350kWh，年平均每天的总发电量为200kWh。
4.结语
综合长春海外学人创业园住宅试点工程的地理位置，建筑设计状况等因素，笔者采用嵌入式瓦屋面光伏电池与坡屋面的结合应用方案，屋面多晶硅太阳能电池板发电，为住户日常所需的电视、电灯、空调等供给电力，多余的电用太阳能蓄电池储存，或者余电上网，到公共电网卖掉，与建筑一体化的太阳能热水方面，住宅采用集中集电，分户供水的综合系统，综合住户的电热水器，因为考虑到电热水器储热水水量有局限性，为保证住户突然的热水需求以及维修管理简单方便，因此在住宅屋顶为每为住户设置独立的储热水箱，综合试点工程分析了工程最佳适配的太阳能建筑一体化系统，同时调研了长春当地屋顶安装的太阳能工程，获得了长春地区多晶硅太阳能电池板的具体发电数据，经济效益，为当地太阳能建筑设计提供数据参考。
参考文献：
[1]邓晓敏，沈辉.屋顶计划催生光伏瓦.太阳能，2005年.第六期：24-25.
[2]Maria Cristina Munari Probst， Christian Roecker. Towards an improved architectural quality of building integrated solar thermal systems（BIST）. Solar Energy， 2007（81）： 1104-1116.
[3]王麗颖，王智宇.严寒地区居住类建筑节能75%的关键技术研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2015，02：65-67+108.
作者简介：
1.赵晖（1967.04-），男，汉，长春工程学院建筑与设计学院副教授（硕导），研究方向：建筑设计及其理论、建筑技术。
2.谢伟双，郭格静，佟子睿均为长春工程学院建筑与设计学院研究生。