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摘要：BIPV（词条“BIPV”由行业大百科提供）(建筑光伏一体化)项目设计是结构电气专业相融合的设计，本文主要对BIPV系统的发电原理、BIPV项目典型应用场景及设计流程进行阐述，并展望BIPV行业的未来发展情况。
关键词：BIPV;建筑光伏一体化;光伏组件;设计方法
1.前言
随着经济的快速发展，我国已是世界上最大的能源消费国，能源短缺问题日趋严重,提高清洁能源等非石化能源在我能源消费结构中的占比至关重要，而太阳能作为一种储量巨大、清洁可再生且分布广泛的清洁能源已得世界主要国家政策的大力支持。
近年来，在政策的支持下，我国的光伏产业规模已居世界第一。随着大型集中地面电站建设开发趋近饱和，具有即采即用、分布灵活、较少损耗等优点BIPV电站等分布式光伏应用将成为我国太阳能应用的重点发展方向。去年上半年，工信部、住房和城乡建设部、国家能源局等6部门联合发布《智能光伏产业发展行动计划(2018～2020年)》，明确提出：“在有条件的城镇建筑屋顶(政府建筑、公共建筑、商业建筑、厂矿建筑、设施建筑等)，采取“政府引导、企业自愿、金融支持、社会参与”的方式，或引入社会资本出租屋顶、EMC节能服务合同管理等多种商业模式，建设独立的“就地消纳”分布式建筑屋顶光伏电站和建筑光伏一体化电站，促进分布式光伏应用发展”。此项计划将大力推动BIPV项目的实施和行业的发展。
2.BIPV系统介绍
2.1什么是BIPV
BIPV英文全称是 building integrated photovoltaic,引进国内后译为“建筑光伏一体化”。在《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》JGJ 203-2010中第一次在行业规范中对BIPV进行定义，即“在建筑上安装光伏系统，并通过专门设计，实现光伏系统与建筑的良好结合。”，并引申出了“建材型光伏构件”的定义---“太阳电池与建筑材料复合在一起，成为不可分割的建筑材料或建筑构件。”， 因此BIPV项目中的建材型光伏构件要具备普通构件的功能特性，并成为BIPV项目不可缺少的组成部分。BIPV组件属于建材型光伏构件的组成部分，合理使用建材型光伏构件的建筑可称之为BIPV项目。
2.2BIPV的典型场景介绍
随着科技的进步及BIPV行业的快速发展，市场上不断涌现出各种类型的建材型光伏构件，这些构件在建筑的不同部位发挥着建材功能的同时亦为建筑的美学设计增砖添彩。建筑中常用的部位主要包括建筑的立面、屋面、外遮阳、雨棚及外窗等有较好光照条件的部位，附属设施常用的有停车棚、车库入口等部位。
2.3BIPV系统的发电原理
BIPV系统是个较复杂的电气系统，分为并网型和离网型。本文以常用的并网型BIPV系统为例对其发电原理进行描述。并网型BIPV系统发电原理为由BIPV组件通过“光生伏打”效应将太阳能转化为直流电，汇流系统将直流电传输至逆变设备，逆变设备及其它设备将直流电转换为符合标准要求的交流电后并入电网，其原理图如下：
3. BIPV项目的设计流程
BIPV项目的设计是结构专业及电气专业相融合的设计过程。优秀的BIPV结构设计师除应具备结构专业的设计能力外，尚应掌握BIPV系统的发电原理、组串设计、设备的初步选型及发电量估算等电气专业知识，并应有较好的沟通能力，以下为BIPV项目的设计流程。
3.1 确定BIPV项目的设计范围
在进行BIPV项目的设计前，委托方会提供现场踏勘、项目启动会等流程，在此过程中，设计人员须同委托方明确BIPV项目在建筑的意向位置、项目所需发电量及初步预算等内容，为后续设计工作的开展奠定基础。
3.2 收集项目地气象资料
BIPV项目的发电量或收益同项目所在地年峰值日照时数密切相关，其它气象资料如年最大温差、海拔高度、最大连续阴雨天数、冬至日太阳高度角等亦是后续设计工作的基础。目前市场常用的气象数据库有NASA数据、Meteonorm气象数据、Ecotect软件 Weather Tools数据及国家气象数据中心实时观测数据库，前两者为免费提供，后者需付费。目前市场常用的为更接近实际观测数据的Meteonorm数据，其在新版的光伏设计软件PVsyst中已内置
以北京为例示意如下：
若委托方因有对建筑进行LEED（词条“LEED”由行业大百科提供）认证、绿建评级需求而有明确发电量数量要求时，建议采用气象站实时观测数据。
3.3 绘制BIPV项目组件布置图
1) 模拟阴影遮挡区域
根据项目的位置、周边环境及拟安装组件区域的遮挡情况，通过软件计算出拟安装区域的阴影位置，并综合考虑建筑的外观要求等因素，合理在拟安装区域排布BIPV组件，以达到最大化的利用可发电区域、排除阴影遮挡造成的经济损失及安全问题的目的。常用的阴影模拟软件有PVsyst、Sketch up(含skelion插件)、Ecotect、天正建筑等具有建筑物理环境模拟功能的软件。
2) BIPV组件的选型设计
根据安装区域的位置及BIPV项目的类型，BIPV组件的物理性能及电气性能均应满足相关标准的要求。以BIPV幕墙为例：BIPV组件的物理性能应满足幕墙四性、保温、隔声（词条“隔声”由行业大百科提供）等性能，其它性能应符合现行国家及行业标准《建筑幕墙》GB/T 21086、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102、《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113及《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》GB 29551、《建筑用太阳能光伏中空玻璃（词条“中空玻璃”由行业大百科提供）》GB/T 29759等标准的规定。常见BIPV组件均为夹层类构造，目前国内厂商生产的非晶硅类BIPV组件电池芯片大多为浮法玻璃且厚度不大于4mm,在使用时须对其抗弯强度（词条“抗弯强度”由行业大百科提供）及最大跨中挠度进行计算，以符合上述标准的规定;晶硅类BIPV组件多为内、外两片玻璃中间夹晶硅电池片的构造，目前尚无标准对晶硅电池片的力学性能进行规定，但使用前亦要有防止其在风等外部荷载长期作用下出现隐裂等问题的构造措施。BIPV组件的电气安全性能与组件的封边质量正相关，此在现行国家产品标准《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》GB 29551、《建筑用太阳能光伏中空玻璃》GB 29759中有明确规定。
3) 绘制BIPV组件排布方案
组件的排布方案应契合建筑的美学设计，并应得到委托方的认可。好的排布方案可让BIPV项目增色，下图所示为两个排布方案。
从以上两个案例可知，好的组件排布方案在满足BIPV采光顶采光的同时兼顾了遮阳功能，亦令人赏心悦目。在BIPV项目可视位置，组件正、负极出线及接线盒应进行隐蔽设计，背部线槽宜采用与框架同色、同材质等不破坏美观的设计。
3.4 BIPV组件的组串设计及设备选型
根据各安装区域组件排布方案图中BIPV组件的安装容量、组件排布的朝向及各朝向年太阳能辐射（词条“辐射”由行业大百科提供）量等因素对BIPV系统中的逆变设备、隔离装置等进行选型设计，所选择设备、装置等均应符合标准的规定且应通过相关认证机构的产品认证，并根据其所处环境因素对容量预留冗余。
根据所选逆变设备的各项电气性能对BIPV组件进行组串设计。顾名思义，BIPV组件的组串设计即为计算一组串联BIPV组件的数量。现行国家标准《光伏发电站设计规范》GB 50797 6.4.2条对所有光伏项目的组件串联数量计算提供了依据，而现行行业标准《太阳能光伏玻璃幕墙电气设计规范》JGJ/T 365对220V/380V电压等级用户侧并购或离网的BIPV玻璃幕墙及采光顶的串、并联数量时行了规定：“3.5.3 2 光伏组串的并联数可根据逆变器额定容量及光伏组串功率确定。3.5.4 同一方阵内，光伏玻璃幕墙组件电性能参数宜一致。同一组串内，光伏玻璃幕墙组件的短路电流和最大工作点电流的离散性偏差应为±3%;有并联关系的各组串间，总开路电压和最大功率点电压的离散性允许偏差应为±2%。”，此规定进一步减少了因BIPV组件自身电气性能的偏差造成在建筑上使用可能造成的风险。此标准对组串设计的要求亦可用于其它分步式光伏应用项目。
3.5 BIPV项目电气方案图纸
BIPV项目电气图纸一般包含BIPV系统电气设计说明、电气原理图、BIPV系统组串图、BIPV系统电气设备路由图、设备接线图及设备材料清单。
BIPV系统组串图详细体现了BIPV组件串内及串间走线及接线方式，合理的组串方案可以节省线缆、线槽的长度，直接降低项目造价;电气设备路由图则在图纸上明确了各电气设备的安装位置及走线方式，合理的设备布置不仅能降低线缆、线槽的长度，亦能大幅的降低施工难度，进而降低项目造价。
以上仅对笔者认为的BIPV项目重要设计节点进行概图的说明，并未考虑覆盖全部项目设计步骤。例如，因BIPV项目的不同，其细部构造方式亦不同，所以并未对BIPV项目的安装节点进行概述。
4 BIPV项目案例介绍
4.1 国家电投总部大楼智慧能源示范项目
国家电投总部大楼智慧能源示范项目，位于北京市西城区金融街。该项目南、东、西立面的层间部位安装非晶硅BIPV组件;楼顶选用柔性CIGS组件，总装机量约170kWp，使整体建筑达到了绿色环保、节能降耗的目的，大大提高了科技感、现代感。
4.2 内蒙古自然历史博物馆BIPV项目
内蒙古自治区自然历史博物馆BIPV项目位于呼和浩特市，在主楼南立面层间部位安装非晶硅BIPV组件28kWp。
4.3 云南丽江市光伏瓦（词条“光伏瓦”由行业大百科提供）BIPV项目
该项目位于丽江，在建筑屋顶安装CIGS光伏瓦BIPV组件共6kWp。光伏瓦的外片为钢化超白玻璃，有传统琉璃瓦神昀，与整个建筑融为一体。
4.4 国家电网北方呼叫中心大楼BIPV外遮阳项目
该项目位于天津，是在国家电网北方呼叫中心大楼的4号研发楼东、西侧及连廊外安装BIPV组件，项目总装机容量20.16KW。
5 结语
国家对建筑能耗的重视程度越来越高，各地方政府对BIPV项目的支持举措俞来合理，广东、山西、上海等地相继出现大型地标型BIPV项目的身影，且应用方式亦呈现多样化。近日，国内神化公司宣布其研发的CIGS组件全面积效率达到17.6%，打破世界纪录，此对光伏市场尤其是BIPV市场将带来更大的希望。相信随着国内政策的支持、标准的完善及BIPV组件效率的提升，BIPV项目的投资回收期将更短，其必将在国内市场蓬勃发展，为“美丽中国”和我们的绿水青山贡献一份力量。
参考文献
[1] 建筑幕墙：GB/T 21086[S].
[2] 建筑玻璃应用技术规程：JGJ 113[S].
[3] 玻璃幕墙工程技术规范：JGJ 102[S].
[4] 建筑用太阳能光伏夹层玻璃：GB 29551[S].
[5] 建筑用太阳能光伏中空玻璃：GB/T 29759 [S].
[6] 光伏发电站设计规范：GB 50797 -2012[S].
[7] 太阳能光伏玻璃幕墙电气设计规范：JGJ/T 365-2015 [S]
作者单位：中国建筑科学研究院有限公司
