建筑上光伏发电系统的设计与应用

刘 琼,李世民

（甘肃自然能源研究所，甘肃 兰州 730000）

光伏发电系统是利用太阳能发电的一种新能源技术。目前光伏市场发展重点逐渐从沙漠等人烟稀少的地区转向城市人口密集地区。因为城市经济发达，电力需求量大，发展光伏发电有着非常有利的市场空间。在城市中光伏系统的最佳安装方式是安装在建筑上，既不用占用额外的地面空间，另一方面可以弥补城市用电的缺口，并且建筑安装了光伏系统后还可以达到节能环保的目的[1，2]。

1 光伏系统应用于建筑两种形式

光伏系统应用于建筑可以分为两种形式：第一种是充分利用建筑屋顶或外围护结构表面，将光伏发电阵列安装在建筑屋顶或外围护结构上，也就是将光伏系统与建筑相结合。这种方式更适用于既有建筑，并且建筑物可以起到支承系统的作用。第二类是光伏系统与建筑的集成。光伏系统成为建筑材料或构件，光伏系统本身就是建筑的一部分，被称为光伏建筑一体化（BIPV）。本文主要讨论的是第一种应用形式，在既有建筑上安装光伏系统，这种方案不仅可以充分利用现有建筑的屋顶或南墙等表面建设更多光伏发电系统，而且对于提升现有建筑的整体节能性能有积极的意义[3，5]。

2 屋顶光伏系统

将光伏发电阵列安装在阳光充沛的建筑屋顶是目前最常见的方案之一，通常，我国的建筑屋顶主要有坡屋面，平屋面以及彩钢等轻质屋顶形式，在安装光伏发电阵列时都具有各自的特点。

2.1 坡屋顶光伏阵列

我国采用坡屋顶的建筑很多，大部分坡屋顶上采用机瓦或琉璃瓦做防雨覆盖，由于原建筑朝向和遮挡等原因，在光伏发电站选址时应优先选择朝向正南且无阳光遮挡的屋面，坡屋面的坡度也应尽量接近当地地理纬度或光伏最佳倾角。通常在建筑坡屋顶上安装光伏阵列均采用在屋顶瓦面下安装金属支脚，然后在支脚上安装支架并将光伏组件平铺在支架上的方式。坡屋顶上安装光伏发电站是一个很好的方案，建筑一体化效果明显，对原建筑的影响非常小。

需要说明的是：坡屋面上安装光伏发电，往往受到原建筑的朝向，坡屋面的坡度等因素制约，很难完全满足光伏发电设计中的最佳倾角和朝向的要求。在实际应用中，也应适当放宽要求，不能求全或过于死搬硬套。

不仅大部分坡屋顶、平屋顶民用建筑可以用以建造光伏发电站，实际上我国大部分工厂企业和商场都广泛采用彩钢瓦、玻璃钢瓦等轻质屋顶，充分利用这些屋顶安装光伏发电站，其市场空间更是不言而喻的。

2.2 平屋顶光伏阵列

平屋顶上安装光伏和地面上安装光伏基本相似，通常是采用混凝土基础和钢支架的方案。不同于地面安装光伏的是：平屋顶安装光伏系统应采用混凝土桩，与地面光伏不同的是屋顶光伏如果无法与原建筑屋顶混凝土钢筋直接连接的时候，应根据当地风力情况采用混凝土重桩放置在屋顶上，通常每个独立装的重量不宜超过100kg。对于经常受到台风袭扰的沿海地区，建议采用条形混凝土桩，不仅能确保光伏阵列系统的抗风能力，而且可以减少对建筑屋顶的压力。连接支架的钢螺栓必须与混凝土浇筑一体，不能用膨胀螺栓代替混凝土基础与支架间的连接。特别要说明的是：绝对不能在平屋顶屋面上直接打孔或安装膨胀螺栓，以免破坏原建筑屋顶的防水结构[6]。

对于建筑屋顶承重能力差、不能直接采用混凝土重桩的情况，可采用不锈钢绳牵拉固定。需要说明的是牵拉支架的不锈钢绳不能直接打膨胀螺丝固定在屋顶上，通常是固定在建筑外墙或其他相对稳定坚固的地方。

3 屋顶光伏系统的降温作用

在屋顶上安装光伏发电不仅可以利用屋顶来发电，而且还能有效遮挡阳光直接暴晒屋顶，为建筑屋顶降温，起到建筑空调降温的作用[7，8]。

一般来说，普通建筑或高层建筑顶楼的由于屋顶受到阳光直射，表面温度往往很高，导致居住舒适度大大下降，大大增大了室内降温的能耗。为了解决这个问题，通常的办法是在新建建筑时增加屋顶的保温性能，降低建筑屋顶传热，采用增加空气隔层或采用铝膜复合油毡铺设屋面，形成屋面反射能力等方法。但如果屋顶安装了光伏系统后，光伏组件可以部分覆盖或者完全覆盖屋面，起到遮挡的作用。下面是两个示意图，分别展示了斜坡屋顶和平屋顶安装了光伏组件的降温作用如图1、2 所示。

图1 斜坡屋顶光伏阵列的降温作用示意图

图1 展示的是一个斜坡屋顶安装光伏电站组件后的情况，光伏组件可以完全覆盖原屋面，不仅对原瓦屋面起到了保护作用，而且由于有了光伏组件的覆盖，阳光被光伏组件遮挡并转换成电和热，尽管组件温度比较高，但是光伏组件和原屋面有10～15cm 的通风空间，大量的热空气都可以散发到大气环境中，使得安装光伏组件后的屋面温度比直接暴晒在阳光下的屋面大大降低。同时也降低了室内的温度。

图2 是安装在平屋顶建筑上的光伏阵列示意图。由于光伏阵列的安装，遮挡了大部分阳光直接暴晒，不仅大大降低了屋顶温度和室内温度，还可以延长屋顶覆盖防雨材料使用寿命。实践证明，在屋顶上安装太阳能光伏阵列，除了能充分利用屋顶阳光发电外，还可以有效降低室内温度，减少空调负荷10%～20%。

图2 平屋顶建筑上的光伏阵列降温作用示意图

4 建筑屋顶安装光伏的施工中其他应注意事项

在屋顶上安装光伏发电的过程中要注意既有建筑的特点，也要注意施工安全，在具体施工过程中可能要注意以下几个方面：

（1）斜坡屋顶或彩钢屋顶上安装光伏，要注意将支架与建筑屋顶梁架或构建与屋面的可靠、牢固连接，要注意支架连接件的防锈问题。

（2）在斜坡屋顶或彩钢屋顶上施工时若遇到必须要打孔固定的情况，打孔后必须要做好防水密封措施。

（3）光伏组件搬运到屋顶时，不要在屋顶堆放，应均匀平铺在屋顶施工现场，以免屋顶局部重量过载，压垮建筑屋顶。

（4）屋顶光伏电站的阵列支架要做好防雷接地，如果原建筑已有屋顶防雷接地系统，要将光伏支架接地端与原建筑屋顶防雷接地引出线可靠并接。

（5）屋顶施工要注意高空施工安全，特别要注意不要在雷雨天进行屋顶施工。

5 建筑南墙光伏系统

除了在建筑屋顶上安装光伏系统，还可以在建筑南墙外安装光伏系统，选择南墙的原因主要是城市中更多的都是高层建筑，屋顶面积相对小，充分利用建筑南墙安装太阳能光伏发电有着广泛的市场潜力。

5.1 建筑南墙直接安装光伏

把光伏组件直接安装到建筑外墙面上，既能起到建筑装饰作用也可以起到发电的作用。从追求发电的角度讲，这种设计适合于应用在高纬度地区，表1 展示了用PVSYST 软件分析我国不同纬度地区的太阳能辐射资源的数据，特别要注意的是对于垂直的南墙面，纬度越高的地区南墙面与最佳倾角辐射的比值越大，也就是纬度高的地区比较适合在垂直面安装光伏。譬如：如果在广州地区的建筑南墙面上安装光伏的话，其发电量只有最佳倾角面上发电量的55%左右，而如果在沈阳、长春等高纬度地区的建筑南墙面上安装光伏的话，其发电量可达最佳倾角面上发电量的70%以上。

表1 我国不同纬度地区的最佳倾角和垂直面太阳能辐射

5.2 建筑南墙做斜撑支架安装光伏

在建筑南墙面的窗户上沿做斜撑支架安装光伏是另外一种设计，这种设计可以应用到各种建筑上而不受地理纬度的限制。由于光伏组件相对比较轻（连支架和组件，每平方米不到20kg），安全性好，外挂在外墙面上还可以起到遮阳，遮雨的作用，不仅可以安装在普通建筑上，在高层建筑上也是有用武之地的。它的倾角完全可以按照最佳倾角或者按照用户的要求设计，其发电效果甚至高于屋顶安装的光伏系统（因为有建筑墙体的反射阳光）如图3 所示。

图3 在建筑外墙上直接安装光伏组件和在建筑南墙做斜撑支架安装光伏

6 结语与展望

光伏和建筑结合因为光伏市场的繁荣和庞大的建筑市场，必将存在着无限广阔的发展前景。在具体的设计和施工要充分考虑建筑特点、当地的太阳能资源情况、安全因素。随着新能源的蓬勃发展，设计和建设绿色、节能环保的建筑将逐渐成为建筑市场的主流。