光伏建筑一體化

　　一、簡介

　　光伏建筑一體化，是應(yīng)用太陽能發(fā)電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?。在這兩種方式中，光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合。由于光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注。光伏方陣與建筑的集成是BIPV的一種高級形式，它對光伏組件的要求較高。光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑的基本功能要求。“十二五”期間，將要創(chuàng)建2000家節(jié)約型公共機(jī)構(gòu)示范單位。除了公共機(jī)構(gòu)外，商業(yè)機(jī)構(gòu)由于用電量較大，參與節(jié)能的意愿相對較高，而且具有資金優(yōu)勢，也應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展光伏建筑一體化模式。

　　二、發(fā)展方向

　　隨著《京都議定書》的正式生效，如何實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強(qiáng)的呼聲。中國作為發(fā)展中國家，能源消耗逐年以驚人的速度增長，而建筑作為能耗大戶(發(fā)達(dá)國家的建筑能耗一般占到全國總能耗的1/3以上)，其節(jié)能效益則變得尤其重要，BIPV因此成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場的熱點。

　　據(jù)《2013-2017年中國光伏建筑一體化（BIPV）行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示，太陽光發(fā)電是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，世界各地的政府均支持太陽光發(fā)電事業(yè);從國內(nèi)來看，“十一五”時期，國家重點在北京、上海、江蘇、山東、廣東等地區(qū)開展城市建筑屋頂光伏發(fā)電試點。到2010年止，全國建成約1000個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?萬千瓦。預(yù)計到2020年，全國將建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘?00萬千瓦。

　　BIPV作為龐大的建筑市場和潛力巨大的光伏市場的結(jié)合點，必將存在著無限廣闊的發(fā)展前景?？梢灶A(yù)計，光伏與建筑相結(jié)合是未來光伏應(yīng)用中最重要的領(lǐng)域之一，其發(fā)展前景十分廣闊，并且有著巨大的市場潛力。

　　未來研究重點

　　建筑物空氣溫度調(diào)節(jié)消耗著大量的能量。在我國，它要占到建筑物總能耗的約70%。用空調(diào)機(jī)和燃煤來控制室溫不僅消耗能量，帶來外界的環(huán)境污染，而且并不能給室內(nèi)人員帶來健康的環(huán)境（雖然暫時它是舒適的）。在太陽能用于采暖方面，除造價較高的被動式太陽房有一些示范型建筑外，還沒有大規(guī)模的采用。主動式太陽能供能由于成本更高，與我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也是遠(yuǎn)不相適應(yīng)。因此，建筑供能的主動與被動相結(jié)合的思想及太陽能與常規(guī)能源相結(jié)合的思想。按照房間的功能，采用不同方案的配合及交叉，這樣可以大大降低太陽能用于建筑供能的一次投資和運(yùn)行成本，使得整個方案在商業(yè)化的意義下具有可操作性。被動采暖與降溫的意義在于使建筑本身能量負(fù)荷大大降低（節(jié)能率約70%），使其所要求主動供能裝置提供的能量大大降低。也就是說，它將對昂貴裝置的要求降低。另外，被動供能是巧妙利用自然條件的變化來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。我們認(rèn)為，建筑物內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展方向不應(yīng)當(dāng)是改變自然環(huán)境來滿足人的要求，而是應(yīng)當(dāng)盡量巧妙地利用并順應(yīng)自然界來滿足人們對健康和舒適的要求。研究空調(diào)的目的應(yīng)當(dāng)是盡量減少人工環(huán)境，而不是相反。主動供能的意義在于保障建筑室內(nèi)的舒適性增加。在主動與被動供能相互配合組成供能系統(tǒng)的情況下，整套建筑供能系統(tǒng)的設(shè)備性能將會提高，而尺寸和造價將會降低。

　　隨著新能源的不斷發(fā)展和城市節(jié)能減排、綠色環(huán)保需求的日益增加，太陽能光伏建筑一體化越來越成為太陽能應(yīng)用發(fā)電的新潮流。

　　三、種類

　　根據(jù)光伏方陣與建筑結(jié)合的方式不同，太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類：

　　第一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。

　　第二類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。

　　光伏方陣與建筑的結(jié)合（即第一類）是一種常用的形式。2008年奧運(yùn)會體育賽事的國家游泳中心和國家體育館等奧運(yùn)場館中，采用的就是光伏方陣與建筑結(jié)合的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá)70萬千瓦時，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤170噸，減少二氧化碳排放570噸。

　　四、建筑特點

　　1. 能夠滿足建筑美學(xué)的要求；

　　2. 能夠滿足建筑物的采光要求；

　　3. 能夠滿足建筑的安全性能要求；

　　4. 能夠滿足安裝方便的要求；

　　5. 能夠具有壽命長的優(yōu)勢；

　　6. 具有綠色環(huán)保的效果；

　　7.無需占用寶貴的土地資源；

　　8.能有效地減少建筑能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能；

　　9.降低墻面及屋頂?shù)臏厣?/p>

　　五、優(yōu)缺點

　　(1)綠色能源。太陽能光伏建筑一體化產(chǎn)生的是綠色能源，是應(yīng)用太陽能發(fā)電，不會污染環(huán)境。太陽能是最清潔并且是免費(fèi)的，開發(fā)利用過程中不會產(chǎn)生任何生態(tài)方面的副作用。它又是一種再生能源，取之不盡，用之不竭。

　　(2) 不占用土地。光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節(jié)，也正好是日照量最大、光伏系統(tǒng)發(fā)電量最多的時期，對電網(wǎng)可以起到調(diào)峰作用。

　　(3)太陽能光伏建筑一體技術(shù)采用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，不需要配備蓄電池，既節(jié)省投資，又不受蓄電池荷電狀態(tài)的限制，可以充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電力。

　　(4) 起到建筑節(jié)能作用。光伏陣列吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，所以也可以起到建筑節(jié)能作用。因此，發(fā)展太陽能光伏建筑一體化，可以“節(jié)能減排”。

　　問題

　　雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等諸多優(yōu)點，并已在世博場館和示范工程上得以運(yùn)用，但光伏建筑還未進(jìn)入尋常百姓家，成片使用該技術(shù)的民宅社區(qū)并未出現(xiàn)。這是由于太陽能光伏建筑一體化存有幾大問題

　　造價較高

　　太陽能光伏建筑一體化建筑物造價較高。一體化設(shè)計建造的帶有光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑物造價較高，在科研技術(shù)方面還有待提升。

　　成本高

　　太陽能發(fā)電的成本高。太陽能發(fā)電的成本是每度2.5元，比常規(guī)發(fā)電成本每度1元翻倍。

　　不穩(wěn)定

　　太陽能光伏發(fā)電不穩(wěn)定，受天氣影響大，有波動性。這是由于太陽并不是一天24小時都有，因此如何解決太陽能光伏發(fā)電的波動性，如何儲電也是亟待解決的問題。

　　六、建筑形式

　　可以說光伏建筑一體化適合大多數(shù)建筑，如平屋頂、斜屋頂、幕墻、天棚等等形式都可以安裝。

　　平屋頂，從發(fā)電角度看，平屋頂經(jīng)濟(jì)性是最好的：1、可以按照最佳角度安裝，獲得最大發(fā)電量;2、可以采用標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，具有最佳性能;3、與建筑物功能不發(fā)生沖突。4、光伏發(fā)電成本最低,從發(fā)電經(jīng)濟(jì)性考慮是的最佳選擇。

　　斜屋頂，南向斜屋頂具有較好經(jīng)濟(jì)性：1、可以按照最佳角度或接近最佳角度安裝，因此可以獲得最大或者較大發(fā)電量;2、可以采用標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，性能好、成本低;3、與建筑物功能不發(fā)生沖突。4、光伏發(fā)電成本最低或者較低，是光伏系統(tǒng)優(yōu)選安裝方案之一。其它方向(偏正南)次之。

　　光伏幕墻，光伏幕墻要符合BIPV要求：除發(fā)電功能外，要滿足幕墻所有功能要求：包括外部維護(hù)、透明度、力學(xué)、美學(xué)、安全等，組件成本高，光伏性能偏低;要與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝，光伏系統(tǒng)工程進(jìn)度受建筑總體進(jìn)度制約;光伏陣列偏離最佳安裝角度，輸出功率偏低;發(fā)電成本高;為建筑提升社會價值，帶來綠色概念的效果。

　　光伏天棚，光伏天棚要求透明組件，組件效率較低;除發(fā)電和透明外，天棚構(gòu)件要滿足一定的力學(xué)、美學(xué)、結(jié)構(gòu)連接等建筑方面要求，組件成本高;發(fā)電成本高;為建筑提升社會價值，帶來綠色概念的效果。

　　七、建筑設(shè)計光伏組件性能

　　作為普通光伏組件，只要通過IEC61215的檢測，滿足抗130km/h(2，400Pa)風(fēng)壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。例如尺寸為1200mm×530mm的普通光伏組件一般采用3.2mm厚的鋼化超白玻璃加鋁合金邊框就能達(dá)到使用要求。但同樣尺寸的組件用在BIPV建筑中，在不同的地點，不同的樓層高度，以及不同的安裝方式，對它的玻璃力學(xué)性能要求就可能是完全不同的。南玻大廈外循環(huán)式雙層幕墻采用的組件就是兩塊6mm厚的鋼化超白玻璃夾膠而成的光伏組件，這是通過嚴(yán)格的力學(xué)計算得到的結(jié)果。

　　建筑的美學(xué)要求

　　BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術(shù)品，就相當(dāng)于音樂家的音樂，畫家的一幅名畫，而對于建筑物來說光線就是他的靈魂，因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個位置需要光線通透，這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來滿足建筑物的功能。同時為了節(jié)約成本，電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。

　　一個建筑物的成功與否，關(guān)鍵一點就是建筑物的外觀效果，有時候細(xì)微的不協(xié)調(diào)都是不能容忍。但普通光伏組件的接線盒一般粘在電池板背面，接線盒較大，很容易破壞建筑物的整體協(xié)調(diào)感，通常不為建筑師所接受，因此BIPV建筑中要求將接線盒省去或隱藏起來，這時的旁路二極管沒有了接線盒的保護(hù)，要考慮采用其他方法來保護(hù)它，需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。比如將旁路二極管放在幕墻骨架結(jié)構(gòu)中，以防陽光直射和雨水侵蝕。

　　普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中。

　　結(jié)構(gòu)性能配合

　　在設(shè)計BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統(tǒng)設(shè)備選型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會造成組件間的電壓、電流不同，這個時候可以考慮對建筑立面進(jìn)行分區(qū)及調(diào)整分格，使BIPV組件接近標(biāo)準(zhǔn)組件電學(xué)性能，也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數(shù)邊角上的電池片不連接入電路，以滿足電學(xué)要求。

　　利用太陽能建筑

　　太陽能為保護(hù)環(huán)境創(chuàng)造了有利條件，于是許多建筑學(xué)家巧妙利用太陽能建造太陽能建筑。

　　1、太陽能墻：美國建筑專家發(fā)明太陽能墻，是在建筑物的墻體外側(cè)裝一層薄薄的黑色打孔鋁板，能吸收照射到墻體上的80%的太陽能量。被吸入鋁板的空氣經(jīng)預(yù)熱后，通過墻體內(nèi)的泵抽到建筑物內(nèi)，從而就能節(jié)約中央空調(diào)的能耗。

　　2、太陽能窗：德國科學(xué)家發(fā)明了兩種采用光熱調(diào)節(jié)的玻璃窗。一種是太陽能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖氣，然后把這種太陽能傳遞到墻和地板的空間存儲，到了晚上再放出來；另一種是自動調(diào)整進(jìn)入房間的陽光量，如同變色太陽鏡一樣，根據(jù)房間設(shè)定的溫度，窗玻璃或是變成透明或是變成不透明。

　　3、太陽能房屋：德國建筑師塞多。特霍爾斯建造了一座能在基座上轉(zhuǎn)動跟蹤陽光的太陽能房屋。該房屋安裝在一個圓盤底座上，由一個小型太陽能電動機(jī)帶動一組齒輪，使房屋底座在環(huán)形軌道上以每分鐘轉(zhuǎn)動3厘米的速度隨太陽旋轉(zhuǎn)。這個跟蹤太陽的系統(tǒng)所消耗的電力僅為該房太陽能發(fā)電功率的1%，而該房太陽能發(fā)電量相當(dāng)于一般不能轉(zhuǎn)動的太陽能房屋的兩倍。