小户型太阳能瓦片屋顶光伏发电系统研究
左佰周
摘 要：随着人们对节能环保的日益重视，光伏产业获得了越来越多的发展契机，其中屋顶光伏发电系统在近些年来的普及率增长很快，应用范围已经不只局限于各种公共建筑和特殊建筑，在小户型的居民住宅建筑中也得到了一定的应用。传统的屋顶光伏发电系统大多与建筑结构本身相分离，但随着光伏建筑一体化这一理念的普及，人们开始更青睐于使用可以同时满足光伏发电需求和建筑功能需求的太阳能瓦片来设计系统。本文将针对这种情况进行技术和应用两方面的分析，希望对这种技术应用的进一步普及有所帮助。
关键词：太阳能瓦片；小户型；屋顶光伏发电系统
对小户型的屋顶光伏发电系统来说，光伏建筑一体化设计能发挥非常好的能效。这是因为小户型建筑的屋顶空间有限，对发电量的需求通常也比较低，所以相比注重光伏发电量和发电效率的的分离式光伏发电设计，发电效率较低但节省空间、综合性能高、功能多样化的一体化设计更适合小户型建筑。在光伏建筑一体化的相关技术中，屋顶用的太阳能瓦片技术是典型代表，该技术融合了光伏发电设计与建筑瓦片设计，令瓦片可以同时满足光伏发电功能和建筑上的力学、防水、防晒等功能，具有很高的实用价值。
1 屋顶光伏发电系统概述
光伏发电系统视其安装位置的不同可以分为两种，一种是安装在建筑外墙位置的侧面光伏发电系统，另一种是安装在屋顶的屋顶光伏发电系统。其中以后者更为常见，因为这种光伏发电系统可以后续添加，具有更高的适性，即使是太阳能瓦片这种对设计有较高要求的光伏发电系统，也只需要在建筑屋顶进行少量的后期设计改造就能实现。基于上述原因，屋顶光伏发电系统拥有更高的应用普及价值。
2 屋顶光伏发电系统在我国的发展现状
（一）我国屋顶光伏发电系统的技术发展现状
我国的光伏产业虽然在近些年呈现欣欣向荣的发展趋势，但从总体技术水平来看仍处于初期的发展培育阶段，相关技术远远称不上成熟。目前来看，我国的光伏发电技术有如下几个特征：
其一，能量转换率低。这是目前制约我国光伏发展的最主要因素，也是要面对的首要问题。我国的光伏发电系统通常只有10%到15%的实际转换率，过低的转换率令光伏发电的成本居高不下，大大降低了技术实用性。直到2010年推出了转换率达到26%的聚光光伏发电技术，这种状况才有所好转，但提高能量转换率依然是光伏发电的首要技术目的。
其二，技术应用化程度不高。我国目前有相当一部分研究机构在进行光伏发电系统的研究，包括光伏企业、各个大学的实验室等，但这些机构中有相当一部分重理论，轻实践，获得的技术成果局限于实验室里，应用程度不高。还有部分研究人员的光伏技术研究与实践缺乏联系，偏离目前对光伏发电系统的实际需求，导致研究成果的社会能效不大。
其三，环境能效相对成熟。我国目前常用的屋顶光伏发电系统理论寿命普遍超过十年，其能量回收周期则大致在三年左右。所以仅从环境能效上来看，我国的光伏发电系统还是有相当水准的，能够在环保节能方面发挥相当大的作用。
（二）我国屋顶光伏发电系统的行业发展现状
从行业发展的角度来看，我国光伏产业的现状有如下两方面特征：
其一，零散发展特征。我国的光伏产业非常分散，缺乏统筹规划，这使得虽然有部分地区或建筑在光伏发电系统的应用上获得了极好的成效，但总体水平迟迟得不到提升，各地的产业发展参差不齐。
其二，社会效益低。光伏产业受限于技术水平，目前还无法实现太高的经济效益，这是其社会效益得不到提升的主要原因。另一方面，我国的光伏产业还无法实现完全独立的产业链经营，晶硅材料之类的主要原材料还要依赖国外的加工技术，这对我国光伏产业的社会效益也造成了一定的负面影响。
3 屋顶光伏发电系统的设计方式
（一）光伏组件设计
光伏组件的设计是传统屋顶光伏发电系统中的主要设计环节，在以光伏建筑一体化理论为基础的光伏设计中，该环节更为重要，也更为复杂。因为太阳能瓦片同时负担光伏发电和建筑功能两方面的任务，所以在选择光伏组件时不只要关注组件的发电能效，还要注意与瓦片基底的组合适性。
光伏发电系统中常用的光伏组件有三种，分别是晶硅组件、薄膜组件、聚光组件。其中聚光组件虽然转换效率高、价格便宜，但需要额外的冷却装置和大体积的聚光镜，不适合应用于太阳能瓦片，所以目前太阳能瓦片选择的组件基本都是晶硅组件与薄膜组件。因为晶硅组件的厚度较大，所以出于美观和体积考虑，又以薄膜组件的选择较多。
（二）光伏阵列设计
在传统的屋顶光伏发电系统设计中，为了保证光伏组件能接受最大限度的光照，发挥更高的能效，需要结合当地的日照条件设计光伏阵列。在应用了太阳能瓦片的屋顶一体化光伏发电系统设计中，由于光伏发电的太阳能电池板与建筑瓦片是一体的，所以光伏发电阵列无法额外设计，必须与瓦片阵列等同。这种硬性要求对光伏发电系统的发电效率有一定的影响，因为无法进行专门光伏阵列设计的太阳能瓦片在接受光照的效率和时间上往往比分离式的太阳能电池板要低，兼之太阳能瓦片使用的光伏组件大多是发电效率较低的薄膜组件，所以这种屋顶光伏发电系统的发电效率基本都比非一体化的光伏发电系统低上一个档次。为了尽可能弥补这一缺陷，需要在最初的建筑工程设计时就把光伏需求考虑进去，令瓦片的排列方式能尽可能接受光照，换言之，太阳能瓦片的光伏整列设计时间需要大幅提前到建筑总体设计阶段。
（三）光伏逆变器设计
光伏逆变器是屋顶光伏发电系统的中枢装置之一，因此选择时务必要谨慎。不过由于其与光伏组件的类型、排列等并无太大的关系，所以应用了太阳能瓦片的光伏发电系统在光伏逆变器的设计选择上与传统的光伏设计基本一致。
太阳能瓦片的每片瓦片都可以看作一个独立的光伏组件，由于转换率较低，所以每片太阳能瓦片的输出电压也不高。而光伏逆变器想要正常运作需要足够高的直流输入电压，单一瓦片的输出电压基本无法满足这一要求，所以需要将太阳能瓦片进行适当串联。由于光伏逆变器功率与组件温度有关，所以在串联瓦片时必须严格计算串联工作电压、光伏组件温度、光伏逆变器电压区间的关系，保证最高温度时的串联工作电压大于光伏逆变器最小电压，最低温度时的开路电压小于光伏逆变器最大输入电压，否则有引发功率失真、逆变器损坏等故障的可能性。
（四）系统组件设计
屋顶光伏发电系统的系统组件指的是不与光伏发电过程本身直接相关的附加系统组件，这些组件虽然不参与直接的光伏发电过程，但对整个系统的正常运作有保障作用。传统的光伏发电系统有两套附加系统组件，分别是防雷系统和保护测控系统，而应用了太阳能瓦片的光伏发电系统因为还要满足建筑工程需求，所以还要增加额外的防水系统。
在这三类附加系统的设计中，保护测控系统的设计基本相同，但太阳能瓦片的防雷系统和防水系统是设计难点。目前常用的设计模式是让太阳能瓦片借用整个建筑的防雷系统，防水系统则延续传统的建筑屋顶防水系统，虽然有一定的能效，但针对性较差，有进一步优化的必要。
4 屋顶光伏发电系统针对小户型的设计优化措施
（一）小户型屋顶光伏发电系统转换效率的优化设计
如前文所述，一体化的屋顶光伏发电系统与小户型拥有非常好的适性，因为小户型建筑对光伏发电的需求量通常比较低，太阳能瓦片这类光伏转换效率相对较低的组件也能发挥较好的能效。但这种情况长期持续下去并不利于太阳能瓦片的进一步应用，所以依然需要针对转换效率进行优化。
在当前的技术条件下，可以尽快应用的转换效率提升措施有二：其一是以小区为单位，实行光伏发电系统的并网化，从小区规划设计阶段就将全部的住宅屋顶设计成太阳能瓦片，以实现全小区的光伏系统联网。虽然不能提升个别瓦片的转化率，但提高了整体的电能接收利用率，相当于间接提高转换效率。其二是在设计建筑的整体结构时，考虑屋顶的日照率，保证屋顶的太阳能瓦片能接受最充分的日照，弥补无法进行光伏阵列设计的效率损失。
（二）小户型屋顶光伏发电系统材料成本的优化设计
材料成本一直以来都是制约光伏产业发展的大问题。目前来看，我国并没有加工和提炼光伏发电系统需要的晶硅材料的必要技术，因此这些材料基本都需要进口，材料成本在这种情况下很难降低。基于此种原因，我们有必要尽快发展我国的光伏产业产业链，积极培养光伏产业的配套企业，争取实现光伏产业原材料生产的国有化，从根本上控制住光伏发电系统的材料成本。
对太阳能瓦片来说，常见的材料成本控制问题发生在光伏组件的选择与瓦片基底的脱离实际上。因此想要优化太阳能瓦片的材料成本，一方面要优选光伏组件，尽可能选用具有较好弱光响应特性与较低价格的非晶硅材料组件，另一方面要结合实际的建设条件设计瓦片基底，尽量选用价格便宜、易于取用的基底材料，避免不切实际的设计。
（三）小户型屋顶光伏发电系统防水措施的优化设计
太阳能瓦片无论从作为发电系统的角度来看还是从作为屋顶瓦片的角度来看，防水功能都是一个必不可少的功能。但目前实际应用了太阳能瓦片的屋顶光伏发电系统基本都没有进行有针对性的独立防水设计，这为光伏发电系统未来的长时间正常运作埋下了一定的隐患。因此，有必要针对太阳能瓦片的结构特点进行适当的防水补强，具体来说，太阳能瓦片上的光伏导线应注意绝缘外皮的完整性；有电通过的各个接入点和接出点要进行防水密封；在有条件的情况下，太阳能瓦片的下方可设置额外的防水隔离层，避免雨水渗入电能的输送系统。
（四）小户型屋顶光伏发电系统使用寿命的优化设计
我国的光伏发电系统组件基本都具有较长的理论使用寿命，通常的使用寿命在20年左右，长的可以达到30年，最短的也超过了十年。但是在实际的应用中，往往达不到理论使用寿命，大部分光伏组件在七八年的时间内就会损坏而无法使用，有些光伏组件的实际使用寿命甚至不超过五年。太阳能瓦片的使用寿命问题更为严峻，根据实际经验，有些地区的太阳能瓦片仅能使用两三年左右。这些使用寿命问题与光伏组件在设计上脱离实际有很大关系，在设计阶段只考虑到了物理冲击与发电能效，忽略了风蚀、酸雨、温差变化等一系列实际因素对组件的侵蚀。因此想要优化太阳能瓦片等光伏组件的寿命，必须结合实际的使用条件。举例来说，在酸雨频发地区，在设计光伏组件时要特别强化其耐酸碱能力；在风沙较大的地区，要提升光伏组件的抗风蚀、抗冲击能力；在雨水较多的地区，要额外强化屋顶光伏发电系统的防水设计。
5 结语
在我国可持续发展战略的大背景下，光伏产业作为节能环保、长效发展的绿色能源产业必将获得更好的发展，光伏发电系统未来有很高的几率实现全面普及。在这一进程中，如何更有效率地将屋顶光伏发电系统应用于小户型建筑是非常重要的一个环节，太阳能瓦片在应用上的日趋成熟化正为这种应用发展指明了方向。相关技术人员有必要对太阳能瓦片的进一步应用加以研究，争取在不破坏平衡性的前提下提升太阳能瓦片的光伏发电能效和建筑工程能效，以赋予其更高的应用价值，令光伏建筑一体化理论获得更好的应用基础。
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