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摘要：BIPV（詞條“BIPV”由行業大百科提供）(建筑光伏一體化)項目設計是結構電氣專業相融合的設計，本文主要對BIPV系統的發電原理、BIPV項目典型應用場景及設計流程進行闡述，并展望BIPV行業的未來發展情況。
關鍵詞：BIPV;建筑光伏一體化;光伏組件;設計方法
1.前言
隨著經濟的快速發展，我國已是世界上最大的能源消費國，能源短缺問題日趨嚴重,提高清潔能源等非石化能源在我能源消費結構中的占比至關重要，而太陽能作為一種儲量巨大、清潔可再生且分布廣泛的清潔能源已得世界主要國家政策的大力支持。
近年來，在政策的支持下，我國的光伏產業規模已居世界第一。隨著大型集中地面電站建設開發趨近飽和，具有即采即用、分布靈活、較少損耗等優點BIPV電站等分布式光伏應用將成為我國太陽能應用的重點發展方向。去年上半年，工信部、住房和城鄉建設部、國家能源局等6部門聯合發布《智能光伏產業發展行動計劃(2018～2020年)》，明確提出：“在有條件的城鎮建筑屋頂(政府建筑、公共建筑、商業建筑、廠礦建筑、設施建筑等)，采取“政府引導、企業自愿、金融支持、社會參與”的方式，或引入社會資本出租屋頂、EMC節能服務合同管理等多種商業模式，建設獨立的“就地消納”分布式建筑屋頂光伏電站和建筑光伏一體化電站，促進分布式光伏應用發展”。此項計劃將大力推動BIPV項目的實施和行業的發展。
2.BIPV系統介紹
2.1什么是BIPV
BIPV英文全稱是 building integrated photovoltaic,引進國內后譯為“建筑光伏一體化”。在《民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范》JGJ 203-2010中第一次在行業規范中對BIPV進行定義，即“在建筑上安裝光伏系統，并通過專門設計，實現光伏系統與建筑的良好結合。”，并引申出了“建材型光伏構件”的定義---“太陽電池與建筑材料復合在一起，成為不可分割的建筑材料或建筑構件。”， 因此BIPV項目中的建材型光伏構件要具備普通構件的功能特性，并成為BIPV項目不可缺少的組成部分。BIPV組件屬于建材型光伏構件的組成部分，合理使用建材型光伏構件的建筑可稱之為BIPV項目。
2.2BIPV的典型場景介紹
隨著科技的進步及BIPV行業的快速發展，市場上不斷涌現出各種類型的建材型光伏構件，這些構件在建筑的不同部位發揮著建材功能的同時亦為建筑的美學設計增磚添彩。建筑中常用的部位主要包括建筑的立面、屋面、外遮陽、雨棚及外窗等有較好光照條件的部位，附屬設施常用的有停車棚、車庫入口等部位。
2.3BIPV系統的發電原理
BIPV系統是個較復雜的電氣系統，分為并網型和離網型。本文以常用的并網型BIPV系統為例對其發電原理進行描述。并網型BIPV系統發電原理為由BIPV組件通過“光生伏打”效應將太陽能轉化為直流電，匯流系統將直流電傳輸至逆變設備，逆變設備及其它設備將直流電轉換為符合標準要求的交流電后并入電網，其原理圖如下：
3. BIPV項目的設計流程
BIPV項目的設計是結構專業及電氣專業相融合的設計過程。優秀的BIPV結構設計師除應具備結構專業的設計能力外，尚應掌握BIPV系統的發電原理、組串設計、設備的初步選型及發電量估算等電氣專業知識，并應有較好的溝通能力，以下為BIPV項目的設計流程。
3.1 確定BIPV項目的設計范圍
在進行BIPV項目的設計前，委托方會提供現場踏勘、項目啟動會等流程，在此過程中，設計人員須同委托方明確BIPV項目在建筑的意向位置、項目所需發電量及初步預算等內容，為后續設計工作的開展奠定基礎。
3.2 收集項目地氣象資料
BIPV項目的發電量或收益同項目所在地年峰值日照時數密切相關，其它氣象資料如年最大溫差、海拔高度、最大連續陰雨天數、冬至日太陽高度角等亦是后續設計工作的基礎。目前市場常用的氣象數據庫有NASA數據、Meteonorm氣象數據、Ecotect軟件 Weather Tools數據及國家氣象數據中心實時觀測數據庫，前兩者為免費提供，后者需付費。目前市場常用的為更接近實際觀測數據的Meteonorm數據，其在新版的光伏設計軟件PVsyst中已內置
以北京為例示意如下：
若委托方因有對建筑進行LEED（詞條“LEED”由行業大百科提供）認證、綠建評級需求而有明確發電量數量要求時，建議采用氣象站實時觀測數據。
3.3 繪制BIPV項目組件布置圖
1) 模擬陰影遮擋區域
根據項目的位置、周邊環境及擬安裝組件區域的遮擋情況，通過軟件計算出擬安裝區域的陰影位置，并綜合考慮建筑的外觀要求等因素，合理在擬安裝區域排布BIPV組件，以達到最大化的利用可發電區域、排除陰影遮擋造成的經濟損失及安全問題的目的。常用的陰影模擬軟件有PVsyst、Sketch up(含skelion插件)、Ecotect、天正建筑等具有建筑物理環境模擬功能的軟件。
2) BIPV組件的選型設計
根據安裝區域的位置及BIPV項目的類型，BIPV組件的物理性能及電氣性能均應滿足相關標準的要求。以BIPV幕墻為例：BIPV組件的物理性能應滿足幕墻四性、保溫、隔聲（詞條“隔聲”由行業大百科提供）等性能，其它性能應符合現行國家及行業標準《建筑幕墻》GB/T 21086、《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102、《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113及《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽能光伏中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業大百科提供）》GB/T 29759等標準的規定。常見BIPV組件均為夾層類構造，目前國內廠商生產的非晶硅類BIPV組件電池芯片大多為浮法玻璃且厚度不大于4mm,在使用時須對其抗彎強度（詞條“抗彎強度”由行業大百科提供）及最大跨中撓度進行計算，以符合上述標準的規定;晶硅類BIPV組件多為內、外兩片玻璃中間夾晶硅電池片的構造，目前尚無標準對晶硅電池片的力學性能進行規定，但使用前亦要有防止其在風等外部荷載長期作用下出現隱裂等問題的構造措施。BIPV組件的電氣安全性能與組件的封邊質量正相關，此在現行國家產品標準《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》GB 29551、《建筑用太陽能光伏中空玻璃》GB 29759中有明確規定。
3) 繪制BIPV組件排布方案
組件的排布方案應契合建筑的美學設計，并應得到委托方的認可。好的排布方案可讓BIPV項目增色，下圖所示為兩個排布方案。
從以上兩個案例可知，好的組件排布方案在滿足BIPV采光頂采光的同時兼顧了遮陽功能，亦令人賞心悅目。在BIPV項目可視位置，組件正、負極出線及接線盒應進行隱蔽設計，背部線槽宜采用與框架同色、同材質等不破壞美觀的設計。
3.4 BIPV組件的組串設計及設備選型
根據各安裝區域組件排布方案圖中BIPV組件的安裝容量、組件排布的朝向及各朝向年太陽能輻射（詞條“輻射”由行業大百科提供）量等因素對BIPV系統中的逆變設備、隔離裝置等進行選型設計，所選擇設備、裝置等均應符合標準的規定且應通過相關認證機構的產品認證，并根據其所處環境因素對容量預留冗余。
根據所選逆變設備的各項電氣性能對BIPV組件進行組串設計。顧名思義，BIPV組件的組串設計即為計算一組串聯BIPV組件的數量。現行國家標準《光伏發電站設計規范》GB 50797 6.4.2條對所有光伏項目的組件串聯數量計算提供了依據，而現行行業標準《太陽能光伏玻璃幕墻電氣設計規范》JGJ/T 365對220V/380V電壓等級用戶側并購或離網的BIPV玻璃幕墻及采光頂的串、并聯數量時行了規定：“3.5.3 2 光伏組串的并聯數可根據逆變器額定容量及光伏組串功率確定。3.5.4 同一方陣內，光伏玻璃幕墻組件電性能參數宜一致。同一組串內，光伏玻璃幕墻組件的短路電流和最大工作點電流的離散性偏差應為±3%;有并聯關系的各組串間，總開路電壓和最大功率點電壓的離散性允許偏差應為±2%。”，此規定進一步減少了因BIPV組件自身電氣性能的偏差造成在建筑上使用可能造成的風險。此標準對組串設計的要求亦可用于其它分步式光伏應用項目。
3.5 BIPV項目電氣方案圖紙
BIPV項目電氣圖紙一般包含BIPV系統電氣設計說明、電氣原理圖、BIPV系統組串圖、BIPV系統電氣設備路由圖、設備接線圖及設備材料清單。
BIPV系統組串圖詳細體現了BIPV組件串內及串間走線及接線方式，合理的組串方案可以節省線纜、線槽的長度，直接降低項目造價;電氣設備路由圖則在圖紙上明確了各電氣設備的安裝位置及走線方式，合理的設備布置不僅能降低線纜、線槽的長度，亦能大幅的降低施工難度，進而降低項目造價。
以上僅對筆者認為的BIPV項目重要設計節點進行概圖的說明，并未考慮覆蓋全部項目設計步驟。例如，因BIPV項目的不同，其細部構造方式亦不同，所以并未對BIPV項目的安裝節點進行概述。
4 BIPV項目案例介紹
4.1 國家電投總部大樓智慧能源示范項目
國家電投總部大樓智慧能源示范項目，位于北京市西城區金融街。該項目南、東、西立面的層間部位安裝非晶硅BIPV組件;樓頂選用柔性CIGS組件，總裝機量約170kWp，使整體建筑達到了綠色環保、節能降耗的目的，大大提高了科技感、現代感。
4.2 內蒙古自然歷史博物館BIPV項目
內蒙古自治區自然歷史博物館BIPV項目位于呼和浩特市，在主樓南立面層間部位安裝非晶硅BIPV組件28kWp。
4.3 云南麗江市光伏瓦（詞條“光伏瓦”由行業大百科提供）BIPV項目
該項目位于麗江，在建筑屋頂安裝CIGS光伏瓦BIPV組件共6kWp。光伏瓦的外片為鋼化超白玻璃，有傳統琉璃瓦神昀，與整個建筑融為一體。
4.4 國家電網北方呼叫中心大樓BIPV外遮陽項目
該項目位于天津，是在國家電網北方呼叫中心大樓的4號研發樓東、西側及連廊外安裝BIPV組件，項目總裝機容量20.16KW。
5 結語
國家對建筑能耗的重視程度越來越高，各地方政府對BIPV項目的支持舉措俞來合理，廣東、山西、上海等地相繼出現大型地標型BIPV項目的身影，且應用方式亦呈現多樣化。近日，國內神化公司宣布其研發的CIGS組件全面積效率達到17.6%，打破世界紀錄，此對光伏市場尤其是BIPV市場將帶來更大的希望。相信隨著國內政策的支持、標準的完善及BIPV組件效率的提升，BIPV項目的投資回收期將更短，其必將在國內市場蓬勃發展，為“美麗中國”和我們的綠水青山貢獻一份力量。
參考文獻
[1] 建筑幕墻：GB/T 21086[S].
[2] 建筑玻璃應用技術規程：JGJ 113[S].
[3] 玻璃幕墻工程技術規范：JGJ 102[S].
[4] 建筑用太陽能光伏夾層玻璃：GB 29551[S].
[5] 建筑用太陽能光伏中空玻璃：GB/T 29759 [S].
[6] 光伏發電站設計規范：GB 50797 -2012[S].
[7] 太陽能光伏玻璃幕墻電氣設計規范：JGJ/T 365-2015 [S]
作者單位：中國建筑科學研究院有限公司
