光伏与建筑一体化应用

摘要：光伏建筑一体化技术是将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。光伏建筑—体化不同于光伏系统附着在建筑上的形式。而是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成，如光伏瓦屋顶、光伏幕墙和光伏采光顶等。在这两种方式中，光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。光伏方阵与建筑的集成是BIPV的一种高级形式，它对光伏组件的要求较高。光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑的基本功能要求。本文从所在项目在建筑与光伏一体化施工所取得的经验方面提出一些看法。

关键词：运用现状、优点、一体化

引言：全球人口很快将达70亿，化石能源的大量开发利用已成为造成自然环境污染和人类生存环境恶化的主要原因之一，如何寻找可替代能源，为经济可持续发展提供长久动力，是许多国家面临的现实问题。在可替代能源中，被称为“最为低碳经济”的太阳能光伏产业备受关注。当代世界太阳能的利用方式大概分为四类：(1)光热利用；(2)光电利用；(3)光化利用；(4)光生物利用。其中，太阳能光伏发电在21世纪占据世界能源消费的重要席位，将成为世界能源供应的主体。太阳能光伏利用将在太阳能建筑一体化上表现出广阔的发展前景。

1 光伏与建筑一体化运用现状

光伏产业在我国有几十年的发展历史，今年更是飞速增长，我国光伏产业已经迎来了它的春天。根据中国电子材料行业协会最新调查统计，2011年国内多晶硅产量达到82768吨，同比2010年45021吨增长84%，已成为继美、德之后的全球多晶硅生产大国。同时我国已相继出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行方法》和《关于实施金太阳示范工程的通知》等政策。

太阳能光伏建筑一体化虽有高效、经济、环保等诸多优点，并已在大型场馆和大型会展中心等大型公共建筑上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现，整体推广率较低。

2 光伏发电原理

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器件才能变换为电能。这种把辐射能变换成电能的能量转换器件，就是太阳能电池。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”，当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收形成内建静电场，如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载就会形成电流，这就是太阳能电池的基本原理。单片太阳能电池就是一薄片半导体P-N结，标准光照条件下额定输出电压为0.48V。为了获得较高的输出电压和较大容量，往往把多片太阳能电池连接在一起，目前太阳能电池的光电转换率一般在15%左右，个别发达国家的实验室太阳能电池光电转换率已经可以达到30%左右。

3 光伏建筑一体化优点

（1）绿色能源：太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。 

（2）不占用土地：光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。 

（3）太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统，不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。 

（4）起到建筑节能作用：光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排”。

4 光伏与建筑一体化设计要求

4.1 结构设计要求

作为光伏组件，需通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。联芯集成电路制造项目采光顶采用的就是6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，采用何种材料组件需通过严格的力学计算。

4.2 建筑设计要求

光伏建筑一体化首先它是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。

一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。光伏与建筑一体化建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中，做到管线不外露美观整洁。

5 光伏建筑一体化主要安装类型 

（1）建材型：指将太阳能电池与瓦、砖、卷材、玻璃等建筑材料复合在一起成为不可分割的建筑构件或建筑材料，如光伏瓦、光伏砖、光伏屋面卷材、玻璃光伏幕墙、光伏采光顶等； 

（2）构件型：指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件，如以标准普通光伏组件或根据建筑要求定制的光伏组件构成雨蓬构件、遮阳构件等与屋顶形成一体化。 

屋顶一体化方式是指将PV板做成屋面板或瓦的形式覆盖平屋顶或坡屋顶整个屋面，与建筑的整体具有更高的灵活性。PV板与屋顶整合一体化一是可以最大限度的接受太阳光的照射，二是可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。PV板与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，这时必须要求PV系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。

联芯集成电缆制造项目光伏与建筑一体化形式即为构件型，国际会议中心栋屋顶光伏构件与屋面结构结合形成光伏采光顶。

联芯集成电路项目光伏采光顶安装实例

6 未来研究重点

在我国，建筑物空气温度调节消耗着大量的能量。它要占到建筑物总能耗的约70%。用空调机和燃煤来控制室温不仅消耗能量，带来外界的环境污染，而且并不能给室内人员带来健康的环境。在太阳能用于采暖方面，除造价较高的被动式太阳房有一些示范型建筑外，还没有大规模的采用。主动式太阳能供能由于成本更高，与我国的经济发展也是远不相适应。因此，未来光伏与建筑一体化的研究重点是放在如何降低造价运营成本，使得方案在商业化的意义下具有可操作性，从而在设计阶段能够被业主采纳。

7 光伏与建筑一体化发展前景

随着《京都议定书》的正式生效，如何实现环境保护的可持续发展成为全球最强的呼声。中国作为发展中国家，能源消耗逐年以惊人的速度增长，而建筑作为能耗大户(发达国家的建筑能耗一般占到全国总能耗的1/3以上)，其节能效益则变得尤其重要，BIPV因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点。

我相信随着科技技术的进步，光伏材料造价成本的降低，以及新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加，光伏与建筑一体化会得到广泛的运用，成为太阳能应用发电的新潮流。

参考文献：

（1）李现辉，《太阳能光伏建筑一体化设计与案例》 ，中国建筑工业出版社，出版日期2012年3月。

（2）车孝轩，《太阳能光伏系统概论》 ，武汉大学出版社，出版日期2016年10月。

（3）王长贵、王斯成，《太阳能光伏发电实用技术》 ，化学工业出版社，出版日期2005年9月。