光伏建筑一體化

　　一、簡介

　　光伏建筑一體化，是應用太陽能發(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結構外表面來提供電力。根據(jù)光伏方陣與建筑結合的方式不同，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合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結合。由于光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。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)約型公共機構示范單位。除了公共機構外，商業(yè)機構由于用電量較大，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)境保護的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強的呼聲。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世紀建筑及光伏技術市場的熱點。

　　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世紀科學技術的前沿陣地，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，總容量5萬千瓦。預計到2020年，全國將建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目，總容量100萬千瓦。

　　BIPV作為龐大的建筑市場和潛力巨大的光伏市場的結合點，必將存在著無限廣闊的發(fā)展前景?？梢灶A計，光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的領域之一，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%。用空調機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，與我國的經濟發(fā)展也是遠不相適應。因此，建筑供能的主動與被動相結合的思想及太陽能與常規(guī)能源相結合的思想。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節(jié)室內溫度。我們認為，建筑物內空氣溫度調節(jié)技術發(fā)展方向不應當是改變自然環(huán)境來滿足人的要求，而是應當盡量巧妙地利用并順應自然界來滿足人們對健康和舒適的要求。研究空調的目的應當是盡量減少人工環(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用發(fā)電的新潮流。

　　三、種類

　　根據(jù)光伏方陣與建筑結合的方式不同，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合（即第一類）是一種常用的形式。2008年奧運會體育賽事的國家游泳中心和國家體育館等奧運場館中，采用的就是光伏方陣與建筑結合的太陽能光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)年發(fā)電量可達70萬千瓦時，相當于節(jié)約標煤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生的是綠色能源，是應用太陽能發(fā)電，不會污染環(huán)境。太陽能是最清潔并且是免費的，開發(fā)利用過程中不會產生任何生態(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，對電網可以起到調峰作用。

　　(3)太陽能光伏建筑一體技術采用并網光伏系統(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空調冷負荷，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、經濟、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用，但光伏建筑還未進入尋常百姓家，成片使用該技術的民宅社區(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，平屋頂經濟性是最好的：1、可以按照最佳角度安裝，獲得最大發(fā)電量;2、可以采用標準光伏組件，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)電經濟性考慮是的最佳選擇。

　　斜屋頂，南向斜屋頂具有較好經濟性：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、可以采用標準光伏組件，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、透明度、力學、美學、安全等，組件成本高，光伏性能偏低;要與建筑物同時設計、同時施工和安裝，光伏系統(tǒng)工程進度受建筑總體進度制約;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，天棚構件要滿足一定的力學、美學、結構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性能和采用不同的結構方式。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，這是通過嚴格的力學計算得到的結果。

　　建筑的美學要求

　　BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，就相當于音樂家的音樂，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，關鍵一點就是建筑物的外觀效果，有時候細微的不協(xié)調都是不能容忍。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，要考慮采用其他方法來保護它，需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結構中。比如將旁路二極管放在幕墻骨架結構中，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構中。

　　結構性能配合

　　在設計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行分區(qū)及調整分格，使BIPV組件接近標準組件電學性能，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，以滿足電學要求。

　　利用太陽能建筑

　　太陽能為保護環(huán)境創(chuàng)造了有利條件，于是許多建筑學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預熱后，通過墻體內的泵抽到建筑物內，從而就能節(jié)約中央空調的能耗。

　　2、太陽能窗：德國科學家發(fā)明了兩種采用光熱調節(jié)的玻璃窗。一種是太陽能溫度調節(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；另一種是自動調整進入房間的陽光量，如同變色太陽鏡一樣，根據(jù)房間設定的溫度，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帶動一組齒輪，使房屋底座在環(huán)形軌道上以每分鐘轉動3厘米的速度隨太陽旋轉。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)電量相當于一般不能轉動的太陽能房屋的兩倍。